关于气体缓冲器的若干问题

公式中P_n（为光合速率）与流量（F）和叶面积（A）有关。当F与A设定后，可以视为常数。公式中的[CO₂]_参考气和[CO₂]_叶室气是计算光合速率的两个重要参数。目前，普遍采用非扩散红外CO₂分析仪测定二氧化碳浓度。如采用两个分析器同时测量，可称之为“双分析器同步测量”；如采用一个分析器先后测量，可称之为“单分析器分步测量”。后者，用一个CO₂分析器，采用气路切换的方法，先测量气源中的[CO₂]_参考气，再切换到叶室气路中测量叶室出气口的[CO₂]_叶室气。但该方法有一个前提，即要求进入叶室的气体与先一步直接测量的[CO₂]_参考气数值不变。也就是说，在一次光合速率测量全过程中，气源中[CO₂]_参考气浓度稳定不变，这样才能得到正确的Δ[CO₂]，即[CO₂]_参考气－[CO₂]_叶室气值。如果进入叶室的[CO₂]比先前测得的[CO₂]_参考气浓度升高，就加大了Δ[CO₂]，无形中使计算出的P_n值变大；反之，如进入叶室的[CO₂]比先前测得的[CO₂]_参考气降低，就减小了Δ[CO₂]值，使计算得到的P_n值变小。

这就是为什么要求引入光合仪进气口的气源[CO₂] _参考气必须稳定的道理。

采用“双分析器同步测量”[CO₂]_参考气和[CO₂]_叶室气，无需要求气源稳定。从理论上讲，不考虑其它影响因素，两个CO₂分析器可以随时反映出正确的Δ[CO₂]值。因为，公式中需要的是Δ[CO₂]值，进入参比室的[CO₂]升高时，进入叶室的[CO₂]值也会相应加大，而且是同步上升的；进入参比室的[CO₂]降低时，进入叶室的[CO₂]值也会相应减小，而且是同步下降的。所谓同步，不但是时间上一致，而且升降的高低值也是一样的。所以，不会影响Δ[CO₂]发生变化。

既然“双分析器同步测量”获取Δ[CO₂]可以避免[CO₂]波动对计算P_n值的影响，为什么许多光合仪还保留“单分析器分步测量”方法？这是一个非常值得思考和研究的问题。它不属于本文所讨论的范围。

例如：由于参考气中[CO₂]出现波动，在进行[CO₂]_参考气测量时，和之后进入叶室时的[CO₂]，先后有1ppm变化，就会使Δ[CO₂]增加或减小1ppm。在Δ[CO₂]有1ppm误差时，如Δ[CO₂]值为5ppm，则引起的P_n值相对误差为1/5，约20%。如果Δ[CO₂]值为10ppm，则引起的P_n值误差为1/10，即约有10%的误差。如果Δ[CO₂]为20ppm，则P_n值误差为5%。

又如，在上述举例中，如果参考气中[CO₂]变动只有0.5ppm，那么，在光合速率测定时，如果Δ[CO₂]分别为5、10、20ppm时，由于气源CO₂浓度波动引起了Δ[CO₂]误差为0.5ppm，则形成的P_n值误差将分别是10%，5%和2.5%。

在上个世纪的80年代初，由于便携式CO₂分析器的精度较差，那时的光合仪（包括商品生产的和实验室组装的）只能采用闭路测量，而且经验要求，使叶室中[CO₂]要有40ppm的下降（Δ[CO₂]）为，为的就是减小P_n的误差。尽管如此，在商品光合仪广告宣传资料中，仪器的技术参数也只能提供P_n值误差为10%。（现在几乎没有厂家再提供该项技术参数了）。

在生理生态学研究工作中，使用目前各类光合仪测定叶片光合速率，可能引起的误差原因很多，但一般说来，P_n值综合误差能达到5%应该是可能和允许的误差值。为此，要尽可能地从各个方面减小可能产生的P_n值的误差。如减少取样样本之间的差异、减小仪器本身的器差、减小观测使用的误差等。减小气源的波动引起的误差是其中一个方面，我们应设法尽量减少由于气源中CO₂浓度的波动引起“单分析器分步测量”法产生的Δ[CO₂]误差，从而减小P_n值的相对误差。

顺便提一下，为了减小由于气源中[CO₂]波动引起P_n值的相对误差，增加Δ[CO₂]是很有效的方法。目前“流行”的利用人工光源增加光合速率，提高Δ[CO₂]是一种方法，但它在生理生态研究工作中有很大限制，甚至在大多数情况下，不尽合理；增加叶面积A，在同样的光合速率下时，也可以加大Δ[CO₂]；适当地减小流量，也可以提高Δ[CO₂]值，而基本不影响光合速率的测定。而提高Δ[CO₂]值的方法不但在克服[CO₂]气源不稳定时有作用，在减少各种仪器误差和使用误差等影响时也很有效。

在使用“单分析器分步测量”的光合仪进行光合速率测量时，气源的稳定非常重要。在多数情况下，光合速率测定的不稳定原因，往往是忽视了气源的稳定性。

接光合仪进气口的导气软管的进气端所处位置，就是气源所在地。气源所在地空气中的[CO₂]波动大小决定了气源的稳定性。下列原因可以造成气源的不稳定：

1．导气软管的进气口放在地面上，由于土壤呼吸，会使贴地气层[CO₂]产生波动。

2．导气软管的进气口放在草丛或树冠中，植物的光合和呼吸会使空气中[CO₂]产生波动。

3．在贴进冠层的气层内，或冠层上方，也会使空气中的[CO₂]也产生波动。

4．在观测点附近有烟囱、汽车行驶或有人群乃至单人行走时，由于有CO₂释放，在其下风向，[CO₂]会产生很大波动。

5．观测人员位于气源的上风向操作时，观测人员呼出的[CO₂]会扩散到气源处。

6．在室内观测，将导气管伸向窗外时，如距窗口太近，尤其是放在窗口的上部位置时，室内[CO₂]较高的气流，沿窗口上沿流出时，会导致气源CO₂明显不稳定。

7．在室内观测，将导气管伸向窗外，而对应楼下房间的窗户开着，室内有人，尤其是有大量学生上课时，气源[CO₂]的变动较大。

8．其它。

由于CO₂是无色的气体，所以，我们不易观察到它的流动和变化状况。其实空气中的任何气体在流动过程中，对某一定点位置而言，其浓度都会有变化。就像一股股烟、尘、雾团，我们肉眼所见到的那样。在大气流动中，不时地会有由某些CO₂源如燃烧、动物呼吸释放出CO₂，或由CO₂吸收物质如植物、水面吸收掉CO₂，自然就会使空气中[CO₂] 变化。这种变化有大小不同的周期和变幅。

根据我们的实际应用要求，如果[CO₂]的变化缓慢，周期很长（＞2分钟），而在1~2分钟内缓慢地单向变化0.5ppm或更小时，而光合观测时Δ[CO₂]大于10ppm时，它所引起的P_n值误差应该可以满足生理生态学的实际要求。如果在1~2分钟内短周期的快速变化且变幅在1ppm以下，乃至0.5ppm时，也可满足一般植物生理生态学的实际要求。

空气中CO₂浓度不稳定是的，稳定是相对的。我们要做的事情是把空气中的CO₂变动，通过缓冲器控制在“允许的范围”之内。而所能允许的该变动的大小，还要与其它因素相配合才能进行科学的判断。

为了消除空气中CO₂浓度的波动，使进入光合仪的空气中[CO₂]_参考气室稳定，“气体缓冲器”是目前光合测量仪器普遍采用的方法。

雅欣理仪科技有限公司，根据本公司研制生产的系列光合仪产品特点，综合考虑三方面的因素，一是气源CO₂波动的变幅与周期；二是气路系统中的流量；三是缓冲器的容积而设计了配置较为合理的“气体缓冲器”方案。

1．主要材料

①    缓冲室体积：1.5升到3.0升。

②    缓冲室空气混合：选用与容积尺寸相适应的直流风扇。

③    缓冲室材料：不吸收水分、不吸附CO₂的不锈钢材料或其它代用品。

④    进、出气接口：选用封闭良好、连接方便的铜质接气嘴。并配合缓冲器内气流状况，进行合理的定位。

2．工作原理

将外界气源由导气软管引入缓冲器，在风扇的搅动下与缓冲器内原有的气体混合，再从缓冲器出口引出后，引入到光合仪上的进气口。当进入缓冲器的气源气中[CO₂] 有较大的波动时，经与缓冲器内原有气体充分搅拌混合后，使出气口气体中CO₂浓度变为较小的波动，该波动控制在我们测量光合速率所能允许的范围之内。