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草原深情(2) 精选

已有 3550 次阅读 2015-4-20 07:37 |个人分类:科考科研笔记|系统分类:科研笔记|关键词:中科院,草原站,光合生态,仪器设备| 中科院, 仪器设备, 草原站, 光合生态

 

第二阶段

问题层出 坚持不懈见成效

(1981-1983年)

 

1980年,从草原站回京后,我们带着测定中遇到的问题,前往北京分析仪器厂,请教红外仪器专家王复兴,他一一作答:(1)高原地区,二氧化碳浓度较低,红外能量损失减小,故对测值有所影响,但用半导体作感应元件的仪器,配以自动调节系统,即可校正这个误差;(2)如果将QGD-07型红外仪改成双气室,全密封,就能消除大气二氧化碳浓度变化的影响;(3)QGD-07型红外仪的光子探测器为锑化铟,受温度影响较大,如换成热敏元件,即能排除温度影响;(4)在高原地区,欲把二氧化碳浓度绝对值测准,标定零点时必须用氮气,标定满度的二氧化碳浓度一定要精准,测定时应与标定时温度一致;(5)如改用电子稳压器,效果会更好;(6)如果稳压器和稳流器同时使用,能更有效地减小对仪器的影响,但目前尚没有集稳压与稳流为一体的设备;(7)建议购买一台可控硅发电机,用来预热红外仪,或用于叶片测定,以应对经常停电的问题。正是:听君一席话,胜读十年读数,茅塞顿开,收获甚大,弥补了我们此类专业知识的不足。

1981年初,佛山分析仪器厂专家李更生来到植物所,了解对该厂生产的FQ-W-CO2型红外仪使用情况,我们借机向其请教。其中谈到:(1)FQ-W-CO2型和BECKMAN-864型红外仪在草原站读数不稳的原因,可能是电源频率变化过大或是工作管中进入杂物所致;(2)不同仪器的设计性能不同,如:用QGD-07型红外仪测定,气路中必须加入干燥器,而用HORIBA ASSA-1610红外仪测定则不能加;(3)大气压低时,测定数据会减小,必须进行校正。这些对于内行来说的普通常识,我们知之甚少。这番交谈,再次受益,进一步了解了红外仪的性能。

此后,全力投入准备工作。一是购置相关设备和材料,如:用来稳定电压的大型稳压电源,用于驱动叶室夹层液体的输液泵,野外测定时用于叶室气封的微型鼓风机,用来测定叶绿素的分光光度计,利用传统方法测定蒸腾速率所需要的精密扭力天平和秒表,测定气孔开启度所需要的显微镜、火棉胶、染色剂和无水酒精,以及风速仪、湿度计、半导体点温计、大型储气瓶、冰壶等。此外,购买了不少易于损坏的备件,如各种保险管、气泵上的电刷、软硅胶管等。同时,我们设计、请植物所工厂加工了不少设备,有:封闭液冷叶室、开放水浴叶室、个体同化室、铜制酒精冷却设备、有机玻璃吸热水槽、湿度计密封装置、水浴叶室支架、活动遮雨架、花盆升降器、测定二氧化碳补偿点用的有机玻璃加湿器、大型储气袋、特制小土钻。并到北师大光电仪器厂,对照度计进行了检测。

7月中旬,我与杨宗贵再次来到锡林郭勒草原,继续进行光合测试工作。

为与生产实际相结合,除了继续测定草原建群植物种羊草、大针茅等植物的光合速率与光照、温度等自然生态条件的关系外,还研究了光合速率与人为生态因子的关系,如在羊草样地和站内分别布置了施肥和灌水试验。前者的测定对象为羊草和大针茅;测定内容为光-光合速率、叶绿素含量、光合器官面积,以及地上和地下生物量。后者的测定对象为羊草、贝加尔针茅和无芒雀麦;测定内容为光合速率、光饱和点和补偿点、蒸腾速率、二氧化碳补偿点和光合器官面积,以及地上和地下生物量。

除上述之外,还进行了如下测定:(1)在站内自然条件下,利用光合车上的HORIBA ASSA-1610型红外仪测定了羊草和大针茅叶片的光合日进程(2)在羊草样地、大针茅样地和站内,用精密扭力天平快速称重的方法,测定蒸腾速率;(3)用火棉胶测定羊草和无芒雀麦的气孔开启度;用无水酒精固定的方法,测定大针茅的气孔开启度;(4)用分光光度计测定羊草、大针茅的叶绿素含量;(5)为了解该地自然条件下生态因子的变化幅度,专门测定了该地的光强、温度和湿度的日变幅。

这一年,安装了5000W的BTWY-5型可控硅交流稳压电源,基本解决了光强不稳的问题;

使用以蛇形铜管为冷却器、以输液泵为动力的调温装置和三层液冷同化室,初步解决了叶室温度调控问题。但是,问题仍旧连连出现,层出不穷,可归纳如下。

首先,红外仪读数不稳定的问题。虽然在实验室新安装了大功率的稳压设备,但红外仪读数仍旧时而不稳,甚至极不稳,或是突然由稳转而不稳。反复查找,有时毫无结果,只得中途停测,心中郁闷。电压急剧变化,不仅影响红外仪的稳定性,而且影响泵速和光强,造成流量忽大忽小,光照忽强忽弱,进而影响叶片同化量,造成读数不稳,危害极大。

其次,时不时停电,仍为常态,并未好转。有时,仪器稳定,兴致极高,不料突然停电,前功尽弃;有时一天停电多达8次,简直无法测定,心情低落。我们试图在突然停电时,立即用蓄电池代替,以免重新预热花费时间,但人工光源供电未得解决,还是枉然。

第三,红外仪器的问题。比较而言,以QGD-07型红外仪稍好,FQ-W- CO2红外仪较差。这表明,气压对光子探测器类型的前者影响较小,对气动探测器类型的后者影响较大。但是,这二类红外仪均为晴天时读数相对较稳,阴天与雨天时欠佳。这是否与大气二氧化碳浓度稳定程度有关?不得而知。

第四.气路问题。有时电压稳定,而红外仪读数不稳,寻找原因,往往是气路系统,如管道接头、气泵、加湿器、干燥器等漏气所致。

第五,流量问题。有一次,读数不稳,多次排查,似无漏气之处;再继续仔细检查,发现转子流量计的转子忽高忽低,致使流量忽高忽低,造成测值不稳。原因是,因久未清洗,转子粘度增大所致。立即用酒精洗涤,读数果然稳定了,原来小小流量计亦如此重要,不容忽视!

第六,气封量问题。前期的测定结果显示,同种植物叶片的光合速率,测值差异较大。后来方知,这与叶室的气封量不适宜有重大关系,但当时对此并无明确认识。

第七,叶室温度问题。封闭酒精液冷叶室降温效果较差,气封效果不佳,测值偏低且不稳定,反复检查,原因不明,估计是设计不合理。只好暂且不用,待回京后进一步改进,重新制作。

第八,叶片受光问题。由于碘钨灯的长度有限,超出一定范围,其光强减弱。所以,当测定叶片过长时,其前后受光不一致。后果是,光饱和点测值偏高,光补偿点偏低。因此测试叶片的长度一定要适中。

第九,难以解释的反常现象。有一次,红外仪读数变化较大,经查,电压稳定,也不漏气,干燥器和流量计亦正常,难道是红外仪所致?原因不得而知。在未放入叶片时,叶室内的二氧化碳浓度本应与空气相同,但有一次却高于空气,但叶室并不漏气,对此不知其因。还有一次,晚间测定,大针茅的光合速率出现负值,当时以为是植物有生物钟,夜间也像人一样需要睡觉。但后来的测定表明,并非如此,估计是气路漏气所致。

由上可见,仪器、电压、气路、气流、流量、光源等皆为读数不稳和测值不准之因,究竟原因何在,并非过目即可了然,只能逐一排查。有时候,使尽浑身解数,仍是一筹莫展,弄得一头雾水。但是,其中最重要的还是二氧化碳浓度定量装置-红外仪。看来,在草原地区,使用现有仪器,仅能测定植物的光合速率,就连光饱和点和补偿点之类都难以测准,似此,如何进一步深入研究?怎么办?何去何从?反复考虑,似乎有如下三条出路,一是购置抗电干扰能力强、适合高原地区的红外仪,继续原定研究项目;二是在草原地区测定光合速率日进程,在北京以草原植物为对象,深入研究其光合生态特性;三是改变研究方向,建立热值测定实验室,探讨草原生态系统的能流。原本已经形成的思路,即优势植物光合速率与光照、温度、湿度、土壤水分、二氧化碳浓度等各种生态因子的关系,光合特性的季节变化、不同叶龄的光合特性,二氧化碳浓度增高对光合特性的影响,等等研究内容,是否就此化为泡影?先前的辛劳,是否将会付之东流?难道只好作罢、改弦更张不成?

尽管如此,工作不能停顿,我们将研究方法加以总结,写出草原植物及其群落光合生

态的研究途径和方法》一文,在当年11月于成都召开的草原生态研究方法会上,进行了交流。会后,又绕道去湖南津市无线电三厂订购了一台半导体降温设备。

心怀重重疑虑,进入了1982年,决定在买到合适的红外仪之前,在草原地区暂停实验室的工作,仅测定自然条件下的光合速率日进程;草原植物光合生态特性的深入研究拟在北京进行,同时尽快建立热值测定室,这似乎是水到渠成之事。恰好,这一年女儿上学,中午无人照料。所以商定,杨宗贵赴草原站,利用光合车测定光合速率日进程和施肥对光合速率的影响;我在植物所试验地种植羊草等牧草,用作光合测定材料,并就有关方法进行测试。

没想到,由于气候原因,加上管理不善,植物生长不良,样品没有代表性,所以原计划落空。真是雪上加霜,又添一层焦虑和忧愁

这时,从湖南订购的半导体冷却器到货。我使用酒精和蒸馏水两种液体,对其冷却效果进行了数次试验,结果不太理想,一是降温幅度十分有限,满足不了光合速率与温度关系研究的需要,二是叶室内壁,霧珠严重,影响叶片受光。又一桩失误,又一笔学费,又一次遭受打击。

正当心灰意冷之时,突然转机再现。9月初,北京分析仪器厂研制的新型红外线光合作用测定仪QGD-08型(后更名为GXH-201型)问世,希望我们试用。我们求之不得,为之一振,立即投入测试。分别与ASSA-1610型和佛分厂的FQ-W-CO2红外仪进行比较。结果表明,该仪器受温度和水分影响较大,但电压波动对其影响较小。在草原站测定,前二个缺点是可以解决的,后一个优点正是我们需要的。我们欣喜不已,点燃了心中的希望之光。

1983年,积极备战,计划重点解决几个难点,一是新型红外仪,二是叶室湿度的调控装置,三是定点测定土壤湿度的装置,四是改进并制作封闭液冷叶室和开放水浴叶室。

3月,到煤炭科学院煤化学研究所了解热值测定设备与方法,而后草原组开会决定,增设“草原群落和植物种能流过程及其热值特征”研究课题。随后,我给所后勤处打报告,从化学分析实验室隔出一小间,准备建立热值测定室。

接着,到北京分析仪器厂,与王复兴、王宏高、李友民座谈,交流红外仪的设计、生产与使用情况。他们计划对QGD-07型红外仪进行改进,并决定把三台GXH-201样机,分别交由我们与上海、哈尔滨的另外二个科研单位试用,以在使用中发现问题,将来进一步改进。

3-4月,了解定点测定土壤水分的设备,其中,北农大土化系华孟介绍了负压计,东北师大杨继光介绍了电容法,内蒙古农大李绍良推荐用电流法。经比较,我们决定采用后者,随后杨宗贵动手制作出若干电极石膏探头,将其与电流计相结合,组成了电流法测定土壤水分的装置

此外,还陆续制作了改进后的封闭液冷叶室和开放水浴叶室、气体湿度调控装置、气路转换箱、配制二氧化碳浓度的储气袋、野外光合测定架、遮雨架、过滤器等。添置了无油空气压缩机、稳压器、二氧化碳钢瓶、输液泵、气泵、点温计、照度计、流量计等。

同一年,中科院台站网络统一订购的MK-3型自动气孔计(英国)、LI-COR-3000型便携式面积仪(美国)、精密光谱辐射仪和氧弹热量计到货。这意味着测定叶面积、叶片气孔和蒸腾速率将摆脱传统手段,可用先进仪器测定了。这无疑是雪中送炭,真是好事不断,喜事连连。

6月上旬,我与杨宗贵来到草原站。首先安装无油空气压缩机和调湿装置。用前者替代气泵,作为管道的空气动力,叶室的气封效果大有改观;后一装置有四个分路:自然空气与分别通过干燥器、管状纱布加湿器和水浴加湿器的空气,相对湿度的调节范围可达0-100%。此外,改进了调温装置,通过调节盐冰水、冷水与热水的比例,用输液泵作动力,使水在叶室上下夹层循环,叶室温度最低可至6℃。然后,使用QGD-07型红外仪进行测定,所用流量与标定时一致(0.5升/分),读数较前有所稳定,但仍旧时而不稳。

6月下旬,北分厂的王宏高和李友民来站,用一周时间,现场调试红外仪。通过给QGD-07型红外仪匹配电阻、对调焊接晶体管双极,更换调零系统的碱石灰、过滤器、干燥器,指针稳定,重复性好,但电压突变时尚欠稳定。随后,调试GXH-201型红外仪,结果显示,电压突变时亦较稳定。不日,进一步采取措施:改变调节管的光源电压和补偿值,并将与开关指示灯脱离,接上地线,加上加磁饱和稳压器;再行测试,读数相当稳定。几经改进,取得了明显成效,表明该仪器适合用于草原地区测定。其突出优点,一是抗电干扰性能良好,读数稳定,测定迅速;二是为差动式,可直接显示植物的二氧化碳同化量,且受大气二氧化碳浓度变化的影响较小;三是零点变化微小,重复性高。四是为数字显示,读数直观;五是电磁阀控制气路,操作方便。该仪器的数字显示分辨值为1ppm,而用记录仪读数,为0.5ppm,其精度显著高于07型仪器。从此,研究手段再上新台阶,测定精度和速度明显提高,为在实验室深入研究光合速率与各种生态因子的关系提供了保证,这是仪器研制与使用人员相结合的硕果。

但是,测定中仍偶有读数不稳。继续经查找原因,发现管道所经过的墙中通道,向上输出室内空气,造成空气二氧化碳浓度不稳所致。于是,设法堵住通道,二氧化碳浓度随即稳定了。此外,还发现并消除了其他一些影响光合速率测值精度的因素,如:发现利用光合车与实验室,在相同生态条件下对同一片叶进行测定,其光合速率不同。究其原因是流量计不准,进而发现几只流量计的读数差别较大,需要校准;此外,流量计在气路中的位置对测值也有影响,以将其接在干燥器之前较为合理,显示的读数更为准确。再如:原空气从干燥剂下方进上方出,棉花易湿,阻力渐增,流通不畅,影响测值;发现后,改为上方进气,问题得以解决。

在自然条件下测定,根据ASSA-1610型红外仪的特点,采取了相应对策。一是鉴于该仪器差值零点每天变化,而绝对值零点稳定,所以拟用绝对值读数;二是在大气二氧化碳浓度变化较大之时读数困难,如从记录仪连续15分钟的记录中,选取记录稳定的读数,则可提高准确度。实践证明,该仪器适合用于野外条件下测定,不适宜用来测定生态因子-光合速率曲线之类的精确测定。

面对仪器多,故障多,又无维修人员的现实,感到今后必须补充自己的短板,学习一点修理方法。同时,每年均需将仪器带回北京,全面检修,并购买一些必要配件,以备不时之需。

这一年,在不断发现问题、解决问题的过程中,完成了如下工作:(1)在实验室,测定了土壤水分充足条件下羊草、大针茅、贝加尔针茅、西伯利亚羽茅、无芒雀麦、马蔺、山葱的光-光合速率和空气湿度-光合速率;土壤干旱条件下羊草、大针茅、贝加尔针茅、无芒雀麦的光-光合速率;土壤水分充足与干旱下的羊草、大针茅的温度-光合速率;羊草、大针茅、贝加尔针茅、无芒雀麦的流量-光合速率;羊草、大针茅、西伯利亚羽、无芒雀麦、马蔺、山葱的土壤水分-光合速率;羊草、大针茅、西伯利亚羽茅、马蔺光合对光照的反应速度;羊草、大针茅、西伯利亚羽茅、马蔺、山葱的叶片含水量-光合速率;对羊草叶龄-光合速率进行了试测;(2)在自然条件下,利用光合车,测定了土壤水分充足与干旱下羊草、大针茅、贝加尔针茅、无芒雀麦的光合日进程;(3)使用气孔计测定了羊草、西伯利亚羽茅、无芒雀麦、马蔺、山葱五种植物的气孔传导率和蒸腾日变化,以及喷施三十烷醇对羊草气孔传导率的影响;(4)在羊草样地,布置了雨季喷施三十烷醇试验,测定项目为群落密度和高度、羊草、大针茅、羽茅三种植物的生物量和叶面积、土壤含水量和土壤容重,以及对羊草和大针茅光合速率的影响;(5)标定电极石膏块,发现土壤含水量与电流强度成双曲线函数关系,但其常数项因土类而异。所以,对每类土壤均做出了二者的方程式。由于电极石膏块受温度影响特大,所以又做出了其温度校正系数。这项工作,为控制和预测土壤湿度,研究土壤水分与光合速率的关系提供了保障;(6)其他测定:最大田间持水量、土壤容重等;(7)移栽的样品有:不同生态型的羊草、羽茅、羊草、大针茅、山葱、细叶葱、细叶鸢尾等。

值得记录的是,8月初,站内组织到达里诺尔湖旅游,但因工作太忙,未去,甚为遗憾。8月下旬,中科院专业摄像人员来站,为草原站的科研工作录像。恰好光合测定刚刚结束,于是我们随着录像小组,在站内实验室、人工草地、羊草样地和杨树林等地转了二天,并在实验室和羊草样地录制了光合测定场景。这是紧张之后的放松,工作之余的休闲,感到身轻体健,心情舒畅。

回京后,为北分厂写了《使用GXH-201型红外线光合作用测定仪的体会》;次年1月通过了专家委员会鉴定,正式投入生产。

这一阶段,光合生态研究初见成效,依据本阶段的测定数据,撰写了几篇论文。先是刊

登在中科院内蒙古草原生态系统定位站编纂的《草原生态系研究》(内部刊物)上,其中:第二集有羊草光合生态特性研究Ⅰ.羊草光合速率与测定时生态因子的关系》、《羊草光合生态特性研究Ⅱ.水分对羊草光合特性的影响》、《不同灌溉条件下三种草原植物光合器官与光合特性的比较研究》;第三集有《三种不同水分生态类型草原植物光合速率日变化的初步研究》;第四集有《大针茅羊草等草原植物光合速率与水分关系的初步研究》;第五集有《羊草和大针茅光合生态特性的比较研究》、《应用红外线气体分析仪和同化室测定草原植物光合作用时的气路系统及计算方法》、《两种可调温气封同化室的结构及其控温效果》。后来陆续公开发表,《植物学报》有《羊草光合生态特性的研究》,英文版《植物学报》有《Characteristics of diurnalcourse of photosynthesis in three waterecotype grasses from a typical steppe. Chinese》;科学出版社出版的《草原生态系统研究》,第1集有《不同灌溉条件下羊草、贝加尔针茅和无芒雀麦地上部生物量和一些生理特性的比较观察》,第2集有《羊草和大针茅光合生态特性的比较研究》和《羊草和大针茅等草原植物的光合速率与水分关系的研究》。

综上所述,这一年是扭转局面的一年,是测定手段显著提高的一年,是光合生态研究飞跃的一年,不仅二氧化碳定量精度明显提高,测定速度明显加快,而且具备了测定光合速率与各种生态因子定量关系的条件。此外,气孔计的使用为同时测定光合和蒸腾速率提供了便利;叶面积仪的使用促成了光合速率与叶龄关系的研究;10.8千瓦柴油发电机到站,解除了停电之忧;对转子流量计、半导体温度计、照度计等仪器进行了核准、校对,提高了精度。此时,回想去年,感慨万千,动摇已成往事,深感坚持就有希望,持之以恒定见成果。

 





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