第三章 气体通量测定
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图 3.1 几种常见气体的红外吸收光谱
按是否把红外光变成单色光来划分，分为非色散型和色散型两种。非色散型 （NDIR）的光源发出连续光谱全部投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸 收波带的红外光，检测该特征吸收波段的能量变化，由此测定对应气体浓度。色 散型（CDIR）是采用一套分光系统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组分的 特征吸收光谱相吻合，由此测定浓度。
引言
任何一个生态学意义上结构单位，从个体，到种群，再到群落，直至生态系 统，都无时不刻在进行着物质的循环与能量的流动，这是生命活动最基本的特征 之一。物质循环与能量流动的大小或强度往往是衡量一个个体、种群、群落或生 态系统生命力的重要指标，同时，也是预测其长期动态的关键。
对任何一个生态结构单位而言，表述其物质与能量状态的变量通常有两个： 即库（Pool）与通量（Flux）。库是一个相对静态的变量，即物质或能量的存量； 而通量则是一个动态的变量，表示物质或能量从一个库转移到另一个库的速率。 库是一个相对稳定的变量，在较小的时间尺度上往往变化不大；通量则易受环境 因子和其他生物因素的影响而表现出明显的动态变化。在较大的时间尺度上，库 是一个非常重要的变量；通量则在较小的时间尺度上表现出较大的变异性，是反 映个体、种群、群落或生态系统对环境或其他生物因素变动的响应的重要指标。 通量不仅是个体、种群、群落或生态系统生命力的一个重要参数，也是研究物质 循环或能量流动对环境或其他生物因素变化反馈的机制，以及预测个体、种群、 群落或生态系统物质和能量长期动态的一个重要指标，在生态学研究中不可或 缺。
第三章 气体通量测定
邵长亮，刘美玲，袁文平，程晓莉，唐剑武，姜丽芬
引言 3.1 叶片-大气界面气体通量测定 3.1.1 研究目的 3.1.2 红外线气体分析法测量原理 3.1.3 LI-6400/XT 便携式光合作用测定系统介绍 3.2 生态系统-大气界面气体通量测定 3.2.1 涡度协方差法简介 3.2.2 涡度协方差法测量系统的组成 3.2.2.1 三维超声风速仪 3.2.2.2 水和气体分析仪 3.2.2.3 温度计、湿度计 3.2.2.4 辐射仪 3.2.2.5 土壤温度、热通量、水分、水势探头 3.2.2.6 数据采集器 3.2.3 通量数据处理 3.2.4 通量网络 3.3 稳定同位素技术在气体通量测量中的应用 3.3.1 稳定同位素概念与测定方法简介 3.3.2 稳定同位素技术在光合作用中的应用 3.3.3 稳定同位素技术在土壤呼吸的应用 3.3.4 稳定同位素技术在生态系统-大气界面气体通量的应用 3. 4 基于激光技术的微量气体通量测量 小结 参考文献
由于能量一般以物质为载体，因此，通量的测定以物质通量测定为主。而且， 尽管物质可能以液体或固体的形式从一个库转移到另一个库，例如植物的化感作 用、根系分泌、污染 物吸收等。但是，在陆地生态学研究中，气体通量是极为重 要、极为普遍的。特别是随着全球变化研究的广泛开展，气体通量的测定越来越 受到关注。气体通量的测定通常包括植物叶片与大气界面气体通量测定，土壤表 面与大气界面气体通量测定、生态系统与大气界面气体通量测定等。由于土壤表 面与大气界面气体通量，其中主要是土壤呼吸和其他温室气体，如甲烷，氧化亚 氮等的排放，与第四章的内容有重叠，因此这一部分内容在本章中没有涉及。
植物叶片与大气界面气体通量主要是植物的光合作用、蒸腾作用和呼吸作 用，当前国际通用的测定方法是红外气体分析法。生态系统与大气界面的气体通 量主要是二氧化碳、甲烷、水汽等通量，目前国际上主要采用涡度协方差法。同 时，随着稳定同位素技术的日益成熟，在气体通量测定中越来越多地被采用，用 来测定不同水平上的气体通量。近几年，激光技术被成功地应用到气体通量的原
位测定。本章ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ容主要介绍红外气体分析法、涡度协方差法和稳定同位素技术在 气体通量测定中的应用，并简要介绍激光技术在气体通量测定中的应用。介于叶 片尺度和生态系统尺度之间的气体通量测量一般会通过这些基本方法的变通而 得到实现。
3.1 叶片-大气界面气体通量测定
3.1.1 研究目的
叶片与大气间的气体交换主要体现在植物叶片的光合、呼吸和蒸腾作用。其 中前两者是植物叶片与大气间 CO2 的交换，而后者则是水汽交换。这些交换是 陆地-大气交换的重要组成部分，直接决定了陆气碳、水通量。因此准确测定叶 片和大气间的气体交换是准确计算和模拟陆气通量的基础。
3.1.2 红外线气体分析法测量原理
红外线气体分析法是目前主流的叶片-大气界面气体通量测定方法之一，其 主要工作原理是利用 CO2 和 H2O 对红外线的吸收效应，通过测定外红线通过气 体时的减少量反算气体浓度。红外线是电磁波谱中的一段，其波长介于可见光和 微波之间，约为 0.75~1000µm，由于该波长在红光界限以外，所以称之为红外线。 一般将红外线分为三段：近红外线，波长为 0.75~1.50µm 之间；中红外线，波长 为 1.50~6.0µm 之间；远红外线，波长为 6.0~1000µm 之间。在近红外波段和中红 外波段，红外辐射能量较小，不能引起分子中电子能级的跃迁，而只能被样品分 子吸收，引起分子振动能级的跃迁，所以红外吸收光谱也称分子振动光谱。当某 一波长的红外辐射能量恰好等于某种分子振动能级的能量差时，才会被该种分子 吸收，并产生相应的振动能级跃迁，这一红外波长便称之为该分子的特征吸收波 长。红外线的这个重要特性，当它通过介质时，能被某些分子和原子吸收，具体 被吸收的波带取决于这些分子和原子的结构。就是红外气体分析仪的最基本工作 原理，即基于某些气体对红外线的选择性吸收。红外线分析仪的常用波段是 2~12µm。
许多由异原子组成的气体分子对红外线都有特异的吸收带。例如 CO2、H2O、 CH4 等（见下图 3.1）。CO2 的红外吸收带有四处，其吸收峰分别在 2.69µm、2.77µm、 4.26µm 和 14.99µm 处，其中只有 4.26µm 的吸收带不与 H2O 的吸收带重叠，所
以一般的红外气体分析仪都采用 4.26µm 红外光通过的滤光片来检测 CO2 浓度。 当该波长的红外光经过含有 CO2 的气体时，能量就因 CO2 的吸收而降低，降低 的多少与 CO2 的浓度有关。
按是否把红外光变成单色光来划分，分为非色散型和色散型两种。非色散型 （NDIR）的光源发出连续光谱全部投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸 收波带的红外光，检测该特征吸收波段的能量变化，由此测定对应气体浓度。色 散型（CDIR）是采用一套分光系统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组分的 特征吸收光谱相吻合，由此测定浓度。
引言
任何一个生态学意义上结构单位，从个体，到种群，再到群落，直至生态系 统，都无时不刻在进行着物质的循环与能量的流动，这是生命活动最基本的特征 之一。物质循环与能量流动的大小或强度往往是衡量一个个体、种群、群落或生 态系统生命力的重要指标，同时，也是预测其长期动态的关键。
对任何一个生态结构单位而言，表述其物质与能量状态的变量通常有两个： 即库（Pool）与通量（Flux）。库是一个相对静态的变量，即物质或能量的存量； 而通量则是一个动态的变量，表示物质或能量从一个库转移到另一个库的速率。 库是一个相对稳定的变量，在较小的时间尺度上往往变化不大；通量则易受环境 因子和其他生物因素的影响而表现出明显的动态变化。在较大的时间尺度上，库 是一个非常重要的变量；通量则在较小的时间尺度上表现出较大的变异性，是反 映个体、种群、群落或生态系统对环境或其他生物因素变动的响应的重要指标。 通量不仅是个体、种群、群落或生态系统生命力的一个重要参数，也是研究物质 循环或能量流动对环境或其他生物因素变化反馈的机制，以及预测个体、种群、 群落或生态系统物质和能量长期动态的一个重要指标，在生态学研究中不可或 缺。
第三章 气体通量测定
邵长亮，刘美玲，袁文平，程晓莉，唐剑武，姜丽芬
引言 3.1 叶片-大气界面气体通量测定 3.1.1 研究目的 3.1.2 红外线气体分析法测量原理 3.1.3 LI-6400/XT 便携式光合作用测定系统介绍 3.2 生态系统-大气界面气体通量测定 3.2.1 涡度协方差法简介 3.2.2 涡度协方差法测量系统的组成 3.2.2.1 三维超声风速仪 3.2.2.2 水和气体分析仪 3.2.2.3 温度计、湿度计 3.2.2.4 辐射仪 3.2.2.5 土壤温度、热通量、水分、水势探头 3.2.2.6 数据采集器 3.2.3 通量数据处理 3.2.4 通量网络 3.3 稳定同位素技术在气体通量测量中的应用 3.3.1 稳定同位素概念与测定方法简介 3.3.2 稳定同位素技术在光合作用中的应用 3.3.3 稳定同位素技术在土壤呼吸的应用 3.3.4 稳定同位素技术在生态系统-大气界面气体通量的应用 3. 4 基于激光技术的微量气体通量测量 小结 参考文献
由于能量一般以物质为载体，因此，通量的测定以物质通量测定为主。而且， 尽管物质可能以液体或固体的形式从一个库转移到另一个库，例如植物的化感作 用、根系分泌、污染 物吸收等。但是，在陆地生态学研究中，气体通量是极为重 要、极为普遍的。特别是随着全球变化研究的广泛开展，气体通量的测定越来越 受到关注。气体通量的测定通常包括植物叶片与大气界面气体通量测定，土壤表 面与大气界面气体通量测定、生态系统与大气界面气体通量测定等。由于土壤表 面与大气界面气体通量，其中主要是土壤呼吸和其他温室气体，如甲烷，氧化亚 氮等的排放，与第四章的内容有重叠，因此这一部分内容在本章中没有涉及。
植物叶片与大气界面气体通量主要是植物的光合作用、蒸腾作用和呼吸作 用，当前国际通用的测定方法是红外气体分析法。生态系统与大气界面的气体通 量主要是二氧化碳、甲烷、水汽等通量，目前国际上主要采用涡度协方差法。同 时，随着稳定同位素技术的日益成熟，在气体通量测定中越来越多地被采用，用 来测定不同水平上的气体通量。近几年，激光技术被成功地应用到气体通量的原
位测定。本章ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ容主要介绍红外气体分析法、涡度协方差法和稳定同位素技术在 气体通量测定中的应用，并简要介绍激光技术在气体通量测定中的应用。介于叶 片尺度和生态系统尺度之间的气体通量测量一般会通过这些基本方法的变通而 得到实现。
3.1 叶片-大气界面气体通量测定
3.1.1 研究目的
叶片与大气间的气体交换主要体现在植物叶片的光合、呼吸和蒸腾作用。其 中前两者是植物叶片与大气间 CO2 的交换，而后者则是水汽交换。这些交换是 陆地-大气交换的重要组成部分，直接决定了陆气碳、水通量。因此准确测定叶 片和大气间的气体交换是准确计算和模拟陆气通量的基础。
3.1.2 红外线气体分析法测量原理
红外线气体分析法是目前主流的叶片-大气界面气体通量测定方法之一，其 主要工作原理是利用 CO2 和 H2O 对红外线的吸收效应，通过测定外红线通过气 体时的减少量反算气体浓度。红外线是电磁波谱中的一段，其波长介于可见光和 微波之间，约为 0.75~1000µm，由于该波长在红光界限以外，所以称之为红外线。 一般将红外线分为三段：近红外线，波长为 0.75~1.50µm 之间；中红外线，波长 为 1.50~6.0µm 之间；远红外线，波长为 6.0~1000µm 之间。在近红外波段和中红 外波段，红外辐射能量较小，不能引起分子中电子能级的跃迁，而只能被样品分 子吸收，引起分子振动能级的跃迁，所以红外吸收光谱也称分子振动光谱。当某 一波长的红外辐射能量恰好等于某种分子振动能级的能量差时，才会被该种分子 吸收，并产生相应的振动能级跃迁，这一红外波长便称之为该分子的特征吸收波 长。红外线的这个重要特性，当它通过介质时，能被某些分子和原子吸收，具体 被吸收的波带取决于这些分子和原子的结构。就是红外气体分析仪的最基本工作 原理，即基于某些气体对红外线的选择性吸收。红外线分析仪的常用波段是 2~12µm。
许多由异原子组成的气体分子对红外线都有特异的吸收带。例如 CO2、H2O、 CH4 等（见下图 3.1）。CO2 的红外吸收带有四处，其吸收峰分别在 2.69µm、2.77µm、 4.26µm 和 14.99µm 处，其中只有 4.26µm 的吸收带不与 H2O 的吸收带重叠，所
以一般的红外气体分析仪都采用 4.26µm 红外光通过的滤光片来检测 CO2 浓度。 当该波长的红外光经过含有 CO2 的气体时，能量就因 CO2 的吸收而降低，降低 的多少与 CO2 的浓度有关。