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关于气体缓冲器的若干问题

 更新时间:2011-11-14 点击量:4994

 

关于气体缓冲器的若干问题

 
*,在采用二氧化碳气体交换法测定叶片光合速率时,大多数人认为要在引入的气源和光合仪的进气口之间接一“气体缓冲器”。对缓冲器的置备,有多种设计方法。本文就“缓冲器”设计的意义、方法和效果等问题进行讨论。
 
(一)光合速率测量时,为什么要求气源中[CO2](二氧化碳浓度)必须稳定
 
在使用气体交换法测定叶片光合速率时,计算光合速率的简单公式如下:
 

公式中Pn(为光合速率)与流量(F)和叶面积(A)有关。当FA设定后,可以视为常数。公式中的[CO2]参考气[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Pn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Pn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[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Pn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。

  
(二)气源中[CO2]不稳定对光合速率测定值有多大影响
 
在上一题讨论中,我们引用了光合速率计算公式:
 
上式中为设定的定值,Pn值与Δ[CO2]成正比例关系。显然Pn的误差与Δ[CO2]的误差有关。我们可以粗略地估算Δ[CO2]的误差对Pn值误差的影响。

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]1ppm误差时,Δ[CO2]值为5ppm,则引起的Pn值相对误差为1/5,约20%。如果Δ[CO2]值为10ppm,则引起的Pn值误差为1/10,即约有10%的误差。如果Δ[CO2]20ppm,则Pn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51020ppm时,由于气源CO2浓度波动引起了Δ[CO2]误差为0.5ppm,则形成的Pn值误差将分别是10%5%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Pn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Pn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,Pn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Pn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Pn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Pn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。

 
(三)什么样的气源会出现[CO2]不稳定的现象
 

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Pn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。

 
(四)缓冲器的设计
 

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

    缓冲室体积:1.53.0

    缓冲室空气混合:选用与容积尺寸相适应的直流风扇。

    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。

    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。

 
(致用户:如果您有什么见解,请与我们,共同探讨)