气管材质和长度对农田小气候CO2/H2O分析仪读数稳定时间的影响*

王志伟，王 萌，王秋涛，朱晓伟，王春山，王 浩，刘连涛**

气管材质和长度对农田小气候CO2/H2O分析仪读数稳定时间的影响* 

王志伟1，王 萌2，王秋涛1，朱晓伟2，王春山2，王 浩2，刘连涛2**

(1.保定职业技术学院，保定 071051；2.河北农业大学，保定 071001)

CO2和H2O气体浓度是农田小气候的2个重要指标，一般采用CO2/H2O分析仪进行测定，为减少人为干扰，需使用气管将待测区域气体传输至分析器，而气管的材质及其长度会影响CO2/H2O测定时读数稳定所需的时间。本研究采用8种常用材质的气管及5种气管长度进行双因素随机区组试验，以筛选CO2/H2O测定所需的最佳气管材质及长度。结果表明：不同材质气管测定CO2浓度的稳定时间为9.20～11.47s，测定H2O气体浓度的稳定时间为9.67～18.93s。利用主效可加互作可乘（Additive main effects and multi-plicative interaction，AMMI）模型对CO2/H2O气体浓度达到稳定的时间进行方差分析和稳定性分析发现，在CO2浓度观测过程中，气管长度的固定效应导致的变异最大，材质次之，材质与长度互作效应较小；各材质中，CO2读数稳定时间最短的为蠕动泵管；在H2O气体浓度观测过程中，存在显著的材质和长度间的互作效应，其中材质的固定效应导致的变异最大，长度次之，PVC管的读数稳定时间最短。不同材质与不同长度的交互作用不同，每种材质对不同长度都有其特殊的适应性。因此，应根据测定指标，选择稳定时间短的材质和长度，以提高农田CO2和H2O气体浓度的测定效率。

CO2浓度；H2O气体浓度；稳定时间；气管材质；气管长度；农田小气候

农田小气候一般是指作物地上部分生长环境的小气候，可调节作物的光合作用、物质转运和生理代谢。它的重要指标为CO2和H2O浓度，是植物光合作用的基本原料，其浓度的高低直接影响群体性状、作物产量形成和病虫害发生[1−3]。因此，如何快速测定农田CO2和H2O的气体浓度，对农业和生态科学研究具有重要意义[4−6]。

CO2测定技术手段包括光腔衰荡光谱（CRDS）、傅里叶变换红外光谱和非色散红外气体分析法（NDIR）等[7−10]。在农田小气候测定过程中，基于便携性及测定精确度的考虑，多采用NDIR法。常见的采用NDIR原理的CO2分析仪有GXH-305型、EGM-5型和LI-840A型。其中EGM-5型和LI-840A型还具有同步监测H2O的功能，因此在农田小气候监测中经常被用到。各种CO2分析仪在测定田间小气候过程中，为减少人为干扰，需由气管在气泵作用下将待测区域的空气泵入分析器进行分析。但是气管材质和长度容易影响CO2和H2O测定时达到稳定所需的时间，进而影响测定效率及精确性。

本研究拟选用8种气管材质和5种长度，探讨了气管材质和长度对CO2和H2O浓度测定时稳定时间的影响，并利用主效可加互作可乘模型（Additive main effects and multi-plicative interaction，AMMI模型）进行CO2和H2O稳定时间的分析。旨在探明使用NDIR测定农田小气候CO2和H2O浓度时，不同材质和长度下CO2和H2O的稳定性，以及CO2和H2O浓度的稳定时间在不同材质和不同长度间的变异系数，以期为相关研究测定农田小气候过程中选取最适宜的气管材质和长度提供参考，提高农田CO2和H2O浓度的测定效率。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年6−11月在河北农业大学作物生长调控实验室进行，试验环境CO2和H2O浓度稳定。试验采用双因素随机区组设计，将气管材质和长度作为试验处理。选取市场常见8类气管材质，分别为紫铜、亚克力、四氟、蠕动泵管、尼龙、硅胶、聚氯乙烯（PVC）和聚氨基甲酸酯（PU）；考虑田间操作的便利性同时免受操作人员活动干扰，且不致引起数据稳定时间过长，气管长度设置5种水平，分别是0.5、1.0、2.0、3.0和4.0m，故试验共40个处理，5次重复。蠕动泵管选用市面常见尺寸，其直径为8mm，内径5mm；其余7种试管材质的直径均为8mm，内径6mm。

1.2 关键仪器

选用LI-840A CO2/H2O分析仪（简称LI-840A，美国）NDIR型CO2/H2O气体分析仪。测量原理是气体在光腔中对红外线能量有吸收作用，在校准范围内不同浓度的CO2/H2O对应不同的红外线吸收比率，据此连续监测各种环境条件下CO2和H2O的气体浓度[11]。LI-840A的光路长度为14cm，CO2量程为0～20000μmol·mol−1，H2O量程为0～60mmol·mol−1。

1.3 试验方法

试验开始前，对LI-840A分析仪进行校准。设置数据记录时间为1s。校准后预热30min，将不同材质、长度的气管安装到仪器上，另一头置于稳定气体浓度的待测区域内。

气管安装好后开始计时，至CO2、H2O浓度稳定为止。判断浓度达到稳定的标准为：当某个时刻与上1min测定的CO2浓度差值≤1μmol·mol−1、H2O浓度差值≤0.5mmol·mol−1时，该时刻与开始测定时刻之差即为达到稳定的时间。

1.4 数据分析

用DPS 7.05版数据分析软件中的AMMI模型进行CO2浓度和H2O浓度稳定时间的方差分析和稳定性分析。AMMI模型计算方法参照张泽等[12]方法进行计算。

2 结果与分析

2.1 气管长度和材质对CO2/H2O读数达到稳定时间的影响

由表1可知，8种供试材质气管用于CO2、H2O气体浓度测定时其读数达到稳定的时间均存在差别。整体趋势表现为用于CO2浓度测定时达到稳定时间的差别较小，而测定H2O浓度的差别较大。气管长度对两种气体测定时达到稳定的时间表现为，不同气管材质均以0.5m长度达到稳定的时间最短，每一种材质随着气管长度的增加，达到稳定的时间也随之增加。

由表1可知，采用不同气管材质对CO2、H2O气体浓度测定时，部分材料之间达到稳定的时间具有显著差异。CO2浓度测定时达到稳定时间的变异系数小于对H2O浓度的测定。各供试材质气管中，CO2浓度达到稳定所需时间最短的是蠕动泵管，平均时间为9.20s，其次为尼龙管（10.13s），最长的为紫铜管（11.47s）。H2O浓度测定时达到稳定所需时间最短的材质为PVC管，平均时间为9.67s，其次为紫铜管（10.60s），硅胶管达到稳定时间最长，达到18.93s，是PVC管的1.9倍。

2.2 CO2/H2O浓度测定时稳定时间的AMMI模型分析

2.2.1 方差分析和AMMI模型分析

CO2浓度测定时稳定时间的方差分析和AMMI分析结果（表2）认为，气管长度导致测定时达到稳定时间的变异的平方和占总平方和的63.90%，气管材质的变异的平方和占总平方和的28.38%，气管长度与材质互作效应变异的平方和仅占7.70%。由此可知，对CO2浓度稳定时间这一变异幅度较小的指标，供试气管的长度起着主要作用，也即气管长度差异的固定效应在达到稳定时间的变异中发挥主要作用。为明确CO2浓度稳定时间测定中气管长度和材质互作的有效性，采用AMMI模型进行分析，前3项互作主成分得分（IPCA）分别解释了材质和长度互作效应总平方和的54.49%、31.49%和0，其中前两项解释了互作效应的85.98%，因此，认为两者的互作有效。

表1 不同材质和长度气管进行CO2/H2O气体浓度测定时稳定时间的比较（s）

注：同列小写字母表示处理间在0.05水平下的差异显著性。下同。

Note: Lowercase within the same column indicates the difference significance at 0.05 level. The same as below.

表2 CO2浓度测定时读数稳定时间的方差分析和AMMI分析

Note: DF is degree of freedom, SS is sum of squares, MS is mean of squares. The same as below.

表3为对H2O浓度测定时稳定时间的方差分析和AMMI分析，由表可知，气管材质变异的平方和占总平方和的56.28%，气管长度变异的平方和占总平方和的31.56%，材质与长度互作效应变异的平方和仅占12.17%。由此可知，对H2O浓度测定时稳定时间这一变异幅度较大的指标来说，供试气管材质起到最主要的作用，也即气管材质差异的固定效应在达到稳定时间的变异发挥主要作用。采用AMMI模型分析气管长度与材质互作的有效性，结果表明，材质与长度的互作效应均达到了极显著水平，前3项互作主成分得分（IPCA）分别解释了材质与长度互作效应总平方和的90.97%、5.91%和2.66%，说明材质与长度的互作效应有效。

表3 H2O气体浓度测定时读数稳定时间的方差分析和AMMI分析

2.2.2 AMMI模型分析的结果

从材质和长度的AMMI双标图可知，CO2浓度测定时的稳定时间（图1a），材质图标和长度图标均较分散，说明气管的材质间和长度间的变异均较大，由图还可见，材质8（蠕动泵管）的CO2浓度稳定时间最短，材质1（紫铜管）的稳定时间最长。图1a中，材质的IPCA1值越接近零，说明材质与长度的交互作用越小，CO2浓度测定时稳定时间表现稳定。材质4（尼龙管）、5（PU管）、3（四氟管）和2（亚克力管）4种材质的IPCA1值在零点横线的附近，说明这些材质对长度的敏感程度较差，稳定性较好；而材质6（硅胶管）和7（PVC管）的IPCA1值远离零点横线，说明这些材质对长度敏感，稳定性较差。

图1b可见，H2O浓度测定时的稳定时间，材质7（PVC管）和长度A（0.5m）所需稳定时间最短，材质6（硅胶管）和长度E（4m）的稳定时间最长。图中显示，材质5（PU管）和8（蠕动泵管）的IPCA1值在零点横线的附近，说明这两种材质在H2O浓度稳定时间中对长度的敏感程度较差，稳定性好，而材质1（紫铜管）和6（硅胶管）则与之相反，稳定性差；各长度处理间的IPCA1值也有较大差异，长度C（2m）的IPCA1值在零点附近，说明在长度C（2m）时各材质测定H2O浓度的稳定时间较短。

图1 主效应和交互作用的AMMI双标图

注：1、2、3、4、5、6、7和8分别代表材质紫铜软管、亚克力管、四氟管、尼龙管、PU管、硅胶管、PVC管和蠕动泵管；A、B、C、D和E分别代表长度为0.5、1.0、2.0、3.0和4.0m。

Note：1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8 respectively represent copper hose, acrylic pipe, tetrafluoron pipe, nylon pipe, PU pipe, silicone pipe, PVC pipe and peristaltic pump pipe. A, B, C, D and E represent lengths of 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 and 4.0m, respectively.

3 讨论与结论

3.1 讨论

Su等[13−14]用沸石等材质检测CO2稳定性时，发现沸石可吸附CO2，引起损失，吸附能力的大小随着吸附温度的增加呈现先增加后降低的趋势，从而对CO2浓度测定的稳定性造成一定的影响。Kowalczyk等[15]研究CO2在单壁碳纳米管中的稳定性时发现，单壁碳纳米管能够表现出良好的气体存储能力，但会随着吸附压力和孔径大小的改变而变化。本试验的研究结果与之相近，8种气管材质下CO2浓度测试时达到的稳定时间范围在9.20～11.47s，其中蠕动泵管最小，紫铜管最大。有关气管长度对测定CO2浓度时达到稳定时间的研究报道甚少，本研究结果发现，气管材质及其长度均会影响CO2测定时达到稳定的时间，气管长度越短稳定越快。两种因素（材质和长度）互相关联，气管长度对CO2测定时达到稳定时间的影响大于材质。

在不同材质对H2O测定时稳定时间的研究方面，有研究认为材质表面能够吸附不同厚度的多层水膜，从而影响到H2O浓度的稳定时间，主要是材质表面的不同引起对H2O阻碍的影响不同[16−17]；罗斌等[18]研究不同湿度条件下复合材质弹性模量中发现，材质从干燥状态置于空气中，其内部含水量会发生动态变化；史路阳等[19]在稻草板与常见材质调湿特性对比试验中发现，材质的厚度对H2O稳定性没有明显影响，但材质的不同对H2O稳定性的影响不同；张玉会等[20]在SiO2气凝胶复合保温材质的热湿性能研究中，测试了不同湿度环境下复合材质对H2O的影响，结果表明该材质对促进H2O的稳定具有很好的应用价值。本研究发现，不同气管材质及其长度均会影响到H2O浓度测定时达到稳定的时间，8种气管材质下H2O浓度测试时达到的稳定时间范围为9.67～18.93s，差异较大，其中PVC管达到稳定的时间最短，硅胶管最长。AMMI分析表明材质与长度间的互作效应，其中材质的固定效应对H2O浓度测定时稳定时间的影响大于长度。

3.2 结论

研究表明，在使用二氧化碳和水分分析仪测定农田小气候时，选用8种气管材质和5种长度进行测试，CO2浓度达到稳定的时间为9.20～11.47s，其中蠕动泵管的稳定时间最短，紫铜管最长；气管长度越短稳定越快。H2O浓度达到的稳定时间为9.67～18.93s，其中PVC管达到稳定的时间最短，硅胶管最长。AMMI分析表明材质与长度间的互作效应，气管长度的固定效应对CO2浓度测定时稳定时间的影响大于材质，而材质的固定效应对H2O浓度测定时稳定时间的影响大于长度。因此，测定CO2时应尽量缩小气管长度，而测定H2O时，应优先考虑材质。在农田小气候测定时，应根据测定指标选择稳定时间短的材质和长度，以提高农田CO2和H2O浓度测定效率。

[1]Ainsworth E A,Davey P A,Bernacchi C J,et al. A meta- analysis of elevated CO2effects soybean physiology,growth and yield[J]. Global Change Biology,2002,8(8):695-709.

[2]邵志成.基于作物需求的设施二氧化碳智能调控技术研发[D].杨凌:西北农林科技大学,2017.

Shao Z C.Carbon dioxide intelligent regulate strategy for greenhouse based on crop’s physiology demand[D].Yangling: Northwest A &F Universit,2017.(in Chinese)

[3]姜帅,居辉,韩雪,等.CO2肥效及水肥条件对作物影响研究进展[J].核农学报,2013,27(11):1783-1789.

Jiang S,Ju H,Han X,et al.Effects of CO2fertilization,water and nutrient conditions on crops:a review[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2013,27(11):1783-1789.(in Chinese)

[4]van Ittersum M K,Cassman K G,Grassini P,et al.Yield gap analysis with local to global relevance:a review[J].Field Crops Research,2013,143:4-17.

[5]王建林,温学发,赵风华,等.CO2浓度倍增对8种作物叶片光合作用、蒸腾作用和水分利用效率的影响[J].植物生态学报,2012,36(5):438-446.

Wang J L,Wen X F,Zhao F H,et al. Effects of doubled CO2concentration on leaf photosynthesis,transpiration and water use efficiency of eight crop species[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2012,36(5):438-446.(in Chinese)

[6]卢泽华,白麟.作物吸水模型研究现状及发展趋势[A].中国水利学会2013年学术年会文集[C].中国水利学会2013年学术年会,2013:422-431.

Lu Z H,Bai L.Research status and development trend of crop water absorption model[A].conference 2013[C].China Water Conservancy Society Annual Academic in 2013,2013:422-431.(in Chinese)

[7]温玉璞,徐晓斌,邵志清,等.用非色散红外气体分析仪进行大气CO2本底浓度的测量[J].应用气象学报,1993,4(4): 476-480.

Wen Y P,Xu X B,Shao Z Q,et al.Measurement of the atmospheric CO2concentration with the nondispersive infrared gases analyzer[J]. Quarterly Journal of Applied Meteorology,1993,4(4):476-480.(in Chinese)

[8]方双喜,周凌晞,臧昆鹏,等.光腔衰荡光谱(CRDS)法观测我国4个本底站大气CO2[J].环境科学学报,2011,31(3):624- 629.

Fang S X,Zhou L X,Zang K P,et al. Measurement of atmospheric CO2mixing ratio by cavity ring-down spectroscopy (CRDS)at the 4 background stations in China[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2011,31(3):624-629.(in Chinese)

[9]单昌功,王薇,刘诚,等.基于傅里叶变换红外光谱技术测量大气中CO2的稳定同位素比值[J].物理学报,2017,66(22): 149-157.

Shan C G,Wang W,Liu C,et al.Detection of stable isotopic ratio of atmospheric CO2based on Fourier transform infrared spectroscopy[J].Acta Phys. Sin. 2017,66(22):149-157.(in Chinese)

[10]雷莉萍,钟惠,贺忠华,等.人为排放所引起大气CO2浓度变化的卫星遥感观测评估[J].科学通报,2017,62(25):2941- 2950.

Lei L P,Zhong H,He Z H,et al.Assessment of atmospheric CO2concentration enhancement from anthropogenic emissions based on satellite observations[J]. Chin Sci Bull,2017,62(25): 2941-2950. (in Chinese)

[11]李汉超,刘寿东,邓力琛,等.LI-840A CO2/H2O气体分析仪的恒温改进及校标方法[J].科学技术与工程,2014,14(20): 5-11.

Li H C,Liu S D,Deng L S,et al.The constant temperature improvement and calibration method of LI-840A CO2/H2O gas analyzer[J].Science Technology and Engineering,2014, 14(20):5-11. (in Chinese)

[12]张泽,鲁成.基于AMMI模型的品种稳定性分析[J].作物学报,1998,24(3):304-309.

Zhang Z,Lu C.Analysis of variety stability based on the AMMI Model[J].Acta Agronomica Sinica,1998,24(3):304- 309.(in Chinese)

[13]Su F,Lu C,Kuo S C,et al. Adsorption of CO2on amine- functionalized Y-type zeolites[J].Energy Fuels,2010,24(2): 1441-1448.

[14]Li P,Tezel F H.Adsorption separation of N2,O2,CO2and CH4gases by β-zeolite[J].Microporous and Mesoporous Materials, 2007,98(1-3):94-101.

[15]Kowalczyk P,Furmaniak S,Gauden P A,et al. Optimal single- walled carbon nanotube vessels for short-term reversible storage of carbon dioxide at ambient temperatures[J]. Journal of Physical Chemistry C,2010,114(49):21465-21473.

[16]Scherge M,Li X,Schaefer J A.The effect of water on friction of MEMS[J].Tribology Letters,1999,6(3-4):215-220.

[17]Patton S T,Eapen K C,Zabinski J S.Effects of adsorbed water and sample aging in air on the μN level adhesion force between Si(100) and silicon nitride[J].Tribology International, 2001,34(7):481-491.

[18]罗斌,王延杰.一种等效测量不同湿度条件下离子聚合物金属复合材料弹性模量的方法[J].功能材料,2016,(S2): 116-119.

Luo B,Wang Y J. A equivalent method to measure the elastic modulus of ionic polymermental composites under different humidity conditions[J].Journal of Functional Materials,2016, (S2): 116-119.(in Chinese)

[19]史路阳,刘京,张会波.稻草板与常见建筑材料调湿特性对比实验[J].建筑科学,2017,33(2):42-46.

Shi L Y,Liu J,Zhang H B. Experiments for comparing the hygroscopicity of straw panel with other hygroscopic building materials[J].Building Science,2017,33(2):42-46. (in Chinese)

[20]张玉会,刘燕妮,杨建明,等. SiO2气凝胶复合保温材料的热湿性能研究[J].新型建筑材料,2017,(3):67-71.

Zhang Y H,Liu Y N,Yang J M,et al. Hygrothermal performance of silica aerogel composite for thermal insulation material[J]. New Building Materials,2017,(3): 67-71. (in Chinese)

Effect of Hose Material and Length on the Stability Time of CO2/H2O Analyzer in Farmland Microclimate

WANG Zhi-wei1, WANG Meng2, WANG Qiu-tao1, ZHU Xiao-wei2, WANG Chun-shan2, WANG Hao2, LIU Lian-tao2

(1.Baoding Vocational and Technical College, Baoding 071051, China；2.Agricultural University of Hebei, Baoding 071001)

Concentrations of CO2and H2O are important indicators of farmland microclimate. When using CO2and H2O analyzers to determine indicators in the field, the hose must be used to transfer the gas to the analyzer，but the material and length of the hose will affect the setting time and accuracy of the CO2and H2O when they were determined. In this study, 8 hoses and 5 lengths were used to screen the best material and length for CO2and H2O measurements. The results showed that the setting times of CO2in different material hoses were in 9.20−11.47s, and the setting times of H2O were in 9.67−18.93s. The stability analysis of the setting time of CO2and H2O using the AMMI model shows that in the CO2concentration stability, the fixed effect caused by the length was the largest, followed by the material, and the material and the length were mutually exclusive. The setting time of CO2concentration of the peristaltic pump tube in the material was the shortest; while in the setting time of H2O concentration, there was a significant interaction effect between the material and the length, in which the fixed effect caused by the material was the largest, and the length in the second place, and the setting time of H2O concentration of Polyvinyl chloride(PVC) pipe was the shortest. Different materials had different interactions with different lengths. Each material had its own special adaptability to different lengths. Therefore, in the test process, chose the material and length of the shortest setting time according to the required measurement indicators to ensure the accuracy and efficiency of the data.

CO2concentration; H2O concentration; Setting time; Hose material; Hose length; Microclimate of field

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.12.006

王志伟,王萌,王秋涛,等.气管材质和长度对农田小气候CO2/H2O分析仪读数稳定时间的影响[J].中国农业气象,2019,40(12):793-799

2019−05−10

。E-mail：liultday@126.com

国家自然科学基金（31571610）；河北省自然科学基金（C2016204088）；河北农业大学作物学科梯队建设基金（TD2016C318）

王志伟（1980−），讲师，硕士，研究方向为作物栽培生理。E-mail：bdwangzhiwei@126.com