氣管材質和長度對農田小氣候CO2/H2O分析儀讀數穩定時間的影響* 

王志偉，王 萌，王秋濤，朱曉偉，王春山，王 浩，劉連濤**

氣管材質和長度對農田小氣候CO2/H2O分析儀讀數穩定時間的影響* 

王志偉1，王 萌2，王秋濤1，朱曉偉2，王春山2，王 浩2，劉連濤2**

(1.保定職業技術學院，保定 071051；2.河北農業大學，保定 071001)

CO2和H2O氣體濃度是農田小氣候的2個重要指標，一般采用CO2/H2O分析儀進行測定，為減少人為干擾，需使用氣管將待測區域氣體傳輸至分析器，而氣管的材質及其長度會影響CO2/H2O測定時讀數穩定所需的時間。本研究采用8種常用材質的氣管及5種氣管長度進行雙因素隨機區組試驗，以篩選CO2/H2O測定所需的最佳氣管材質及長度。結果表明：不同材質氣管測定CO2濃度的穩定時間為9.20～11.47s，測定H2O氣體濃度的穩定時間為9.67～18.93s。利用主效可加互作可乘（Additive main effects and multi-plicative interaction，AMMI）模型對CO2/H2O氣體濃度達到穩定的時間進行方差分析和穩定性分析發現，在CO2濃度觀測過程中，氣管長度的固定效應導致的變異最大，材質次之，材質與長度互作效應較小；各材質中，CO2讀數穩定時間最短的為蠕動泵管；在H2O氣體濃度觀測過程中，存在顯著的材質和長度間的互作效應，其中材質的固定效應導致的變異最大，長度次之，PVC管的讀數穩定時間最短。不同材質與不同長度的交互作用不同，每種材質對不同長度都有其特殊的適應性。因此，應根據測定指標，選擇穩定時間短的材質和長度，以提高農田CO2和H2O氣體濃度的測定效率。

CO2濃度；H2O氣體濃度；穩定時間；氣管材質；氣管長度；農田小氣候

農田小氣候一般是指作物地上部分生長環境的小氣候，可調節作物的光合作用、物質轉運和生理代謝。它的重要指標為CO2和H2O濃度，是植物光合作用的基本原料，其濃度的高低直接影響群體性狀、作物產量形成和病蟲害發生[1?3]。因此，如何快速測定農田CO2和H2O的氣體濃度，對農業和生態科學研究具有重要意義[4?6]。

CO2測定技術手段包括光腔衰蕩光譜（CRDS）、傅里葉變換紅外光譜和非色散紅外氣體分析法（NDIR）等[7?10]。在農田小氣候測定過程中，基于便攜性及測定精確度的考慮，多采用NDIR法。常見的采用NDIR原理的CO2分析儀有GXH-305型、EGM-5型和LI-840A型。其中EGM-5型和LI-840A型還具有同步監測H2O的功能，因此在農田小氣候監測中經常被用到。各種CO2分析儀在測定田間小氣候過程中，為減少人為干擾，需由氣管在氣泵作用下將待測區域的空氣泵入分析器進行分析。但是氣管材質和長度容易影響CO2和H2O測定時達到穩定所需的時間，進而影響測定效率及精確性。

本研究擬選用8種氣管材質和5種長度，探討了氣管材質和長度對CO2和H2O濃度測定時穩定時間的影響，并利用主效可加互作可乘模型（Additive main effects and multi-plicative interaction，AMMI模型）進行CO2和H2O穩定時間的分析。旨在探明使用NDIR測定農田小氣候CO2和H2O濃度時，不同材質和長度下CO2和H2O的穩定性，以及CO2和H2O濃度的穩定時間在不同材質和不同長度間的變異系數，以期為相關研究測定農田小氣候過程中選取最適宜的氣管材質和長度提供參考，提高農田CO2和H2O濃度的測定效率。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017年6?11月在河北農業大學作物生長調控實驗室進行，試驗環境CO2和H2O濃度穩定。試驗采用雙因素隨機區組設計，將氣管材質和長度作為試驗處理。選取市場常見8類氣管材質，分別為紫銅、亞克力、四氟、蠕動泵管、尼龍、硅膠、聚氯乙烯（PVC）和聚氨基甲酸酯（PU）；考慮田間操作的便利性同時免受操作人員活動干擾，且不致引起數據穩定時間過長，氣管長度設置5種水平，分別是0.5、1.0、2.0、3.0和4.0m，故試驗共40個處理，5次重復。蠕動泵管選用市面常見尺寸，其直徑為8mm，內徑5mm；其余7種試管材質的直徑均為8mm，內徑6mm。

1.2 關鍵儀器

選用LI-840A CO2/H2O分析儀（簡稱LI-840A，美國）NDIR型CO2/H2O氣體分析儀。測量原理是氣體在光腔中對紅外線能量有吸收作用，在校準范圍內不同濃度的CO2/H2O對應不同的紅外線吸收比率，據此連續監測各種環境條件下CO2和H2O的氣體濃度[11]。LI-840A的光路長度為14cm，CO2量程為0～20000μmol·mol?1，H2O量程為0～60mmol·mol?1。

1.3 試驗方法

試驗開始前，對LI-840A分析儀進行校準。設置數據記錄時間為1s。校準后預熱30min，將不同材質、長度的氣管安裝到儀器上，另一頭置于穩定氣體濃度的待測區域內。

氣管安裝好后開始計時，至CO2、H2O濃度穩定為止。判斷濃度達到穩定的標準為：當某個時刻與上1min測定的CO2濃度差值≤1μmol·mol?1、H2O濃度差值≤0.5mmol·mol?1時，該時刻與開始測定時刻之差即為達到穩定的時間。

1.4 數據分析

用DPS 7.05版數據分析軟件中的AMMI模型進行CO2濃度和H2O濃度穩定時間的方差分析和穩定性分析。AMMI模型計算方法參照張澤等[12]方法進行計算。

2 結果與分析

2.1 氣管長度和材質對CO2/H2O讀數達到穩定時間的影響

由表1可知，8種供試材質氣管用于CO2、H2O氣體濃度測定時其讀數達到穩定的時間均存在差別。整體趨勢表現為用于CO2濃度測定時達到穩定時間的差別較小，而測定H2O濃度的差別較大。氣管長度對兩種氣體測定時達到穩定的時間表現為，不同氣管材質均以0.5m長度達到穩定的時間最短，每一種材質隨著氣管長度的增加，達到穩定的時間也隨之增加。

由表1可知，采用不同氣管材質對CO2、H2O氣體濃度測定時，部分材料之間達到穩定的時間具有顯著差異。CO2濃度測定時達到穩定時間的變異系數小于對H2O濃度的測定。各供試材質氣管中，CO2濃度達到穩定所需時間最短的是蠕動泵管，平均時間為9.20s，其次為尼龍管（10.13s），最長的為紫銅管（11.47s）。H2O濃度測定時達到穩定所需時間最短的材質為PVC管，平均時間為9.67s，其次為紫銅管（10.60s），硅膠管達到穩定時間最長，達到18.93s，是PVC管的1.9倍。

2.2 CO2/H2O濃度測定時穩定時間的AMMI模型分析

2.2.1 方差分析和AMMI模型分析

CO2濃度測定時穩定時間的方差分析和AMMI分析結果（表2）認為，氣管長度導致測定時達到穩定時間的變異的平方和占總平方和的63.90%，氣管材質的變異的平方和占總平方和的28.38%，氣管長度與材質互作效應變異的平方和僅占7.70%。由此可知，對CO2濃度穩定時間這一變異幅度較小的指標，供試氣管的長度起著主要作用，也即氣管長度差異的固定效應在達到穩定時間的變異中發揮主要作用。為明確CO2濃度穩定時間測定中氣管長度和材質互作的有效性，采用AMMI模型進行分析，前3項互作主成分得分（IPCA）分別解釋了材質和長度互作效應總平方和的54.49%、31.49%和0，其中前兩項解釋了互作效應的85.98%，因此，認為兩者的互作有效。

表1 不同材質和長度氣管進行CO2/H2O氣體濃度測定時穩定時間的比較（s）

注：同列小寫字母表示處理間在0.05水平下的差異顯著性。下同。

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

表2 CO2濃度測定時讀數穩定時間的方差分析和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為對H2O濃度測定時穩定時間的方差分析和AMMI分析，由表可知，氣管材質變異的平方和占總平方和的56.28%，氣管長度變異的平方和占總平方和的31.56%，材質與長度互作效應變異的平方和僅占12.17%。由此可知，對H2O濃度測定時穩定時間這一變異幅度較大的指標來說，供試氣管材質起到最主要的作用，也即氣管材質差異的固定效應在達到穩定時間的變異發揮主要作用。采用AMMI模型分析氣管長度與材質互作的有效性，結果表明，材質與長度的互作效應均達到了極顯著水平，前3項互作主成分得分（IPCA）分別解釋了材質與長度互作效應總平方和的90.97%、5.91%和2.66%，說明材質與長度的互作效應有效。

表3 H2O氣體濃度測定時讀數穩定時間的方差分析和AMMI分析

2.2.2 AMMI模型分析的結果

從材質和長度的AMMI雙標圖可知，CO2濃度測定時的穩定時間（圖1a），材質圖標和長度圖標均較分散，說明氣管的材質間和長度間的變異均較大，由圖還可見，材質8（蠕動泵管）的CO2濃度穩定時間最短，材質1（紫銅管）的穩定時間最長。圖1a中，材質的IPCA1值越接近零，說明材質與長度的交互作用越小，CO2濃度測定時穩定時間表現穩定。材質4（尼龍管）、5（PU管）、3（四氟管）和2（亞克力管）4種材質的IPCA1值在零點橫線的附近，說明這些材質對長度的敏感程度較差，穩定性較好；而材質6（硅膠管）和7（PVC管）的IPCA1值遠離零點橫線，說明這些材質對長度敏感，穩定性較差。

圖1b可見，H2O濃度測定時的穩定時間，材質7（PVC管）和長度A（0.5m）所需穩定時間最短，材質6（硅膠管）和長度E（4m）的穩定時間最長。圖中顯示，材質5（PU管）和8（蠕動泵管）的IPCA1值在零點橫線的附近，說明這兩種材質在H2O濃度穩定時間中對長度的敏感程度較差，穩定性好，而材質1（紫銅管）和6（硅膠管）則與之相反，穩定性差；各長度處理間的IPCA1值也有較大差異，長度C（2m）的IPCA1值在零點附近，說明在長度C（2m）時各材質測定H2O濃度的穩定時間較短。

圖1 主效應和交互作用的AMMI雙標圖

注：1、2、3、4、5、6、7和8分別代表材質紫銅軟管、亞克力管、四氟管、尼龍管、PU管、硅膠管、PVC管和蠕動泵管；A、B、C、D和E分別代表長度為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 討論與結論

3.1 討論

Su等[13?14]用沸石等材質檢測CO2穩定性時，發現沸石可吸附CO2，引起損失，吸附能力的大小隨著吸附溫度的增加呈現先增加后降低的趨勢，從而對CO2濃度測定的穩定性造成一定的影響。Kowalczyk等[15]研究CO2在單壁碳納米管中的穩定性時發現，單壁碳納米管能夠表現出良好的氣體存儲能力，但會隨著吸附壓力和孔徑大小的改變而變化。本試驗的研究結果與之相近，8種氣管材質下CO2濃度測試時達到的穩定時間范圍在9.20～11.47s，其中蠕動泵管最小，紫銅管最大。有關氣管長度對測定CO2濃度時達到穩定時間的研究報道甚少，本研究結果發現，氣管材質及其長度均會影響CO2測定時達到穩定的時間，氣管長度越短穩定越快。兩種因素（材質和長度）互相關聯，氣管長度對CO2測定時達到穩定時間的影響大于材質。

在不同材質對H2O測定時穩定時間的研究方面，有研究認為材質表面能夠吸附不同厚度的多層水膜，從而影響到H2O濃度的穩定時間，主要是材質表面的不同引起對H2O阻礙的影響不同[16?17]；羅斌等[18]研究不同濕度條件下復合材質彈性模量中發現，材質從干燥狀態置于空氣中，其內部含水量會發生動態變化；史路陽等[19]在稻草板與常見材質調濕特性對比試驗中發現，材質的厚度對H2O穩定性沒有明顯影響，但材質的不同對H2O穩定性的影響不同；張玉會等[20]在SiO2氣凝膠復合保溫材質的熱濕性能研究中，測試了不同濕度環境下復合材質對H2O的影響，結果表明該材質對促進H2O的穩定具有很好的應用價值。本研究發現，不同氣管材質及其長度均會影響到H2O濃度測定時達到穩定的時間，8種氣管材質下H2O濃度測試時達到的穩定時間范圍為9.67～18.93s，差異較大，其中PVC管達到穩定的時間最短，硅膠管最長。AMMI分析表明材質與長度間的互作效應，其中材質的固定效應對H2O濃度測定時穩定時間的影響大于長度。

3.2 結論

研究表明，在使用二氧化碳和水分分析儀測定農田小氣候時，選用8種氣管材質和5種長度進行測試，CO2濃度達到穩定的時間為9.20～11.47s，其中蠕動泵管的穩定時間最短，紫銅管最長；氣管長度越短穩定越快。H2O濃度達到的穩定時間為9.67～18.93s，其中PVC管達到穩定的時間最短，硅膠管最長。AMMI分析表明材質與長度間的互作效應，氣管長度的固定效應對CO2濃度測定時穩定時間的影響大于材質，而材質的固定效應對H2O濃度測定時穩定時間的影響大于長度。因此，測定CO2時應盡量縮小氣管長度，而測定H2O時，應優先考慮材質。在農田小氣候測定時，應根據測定指標選擇穩定時間短的材質和長度，以提高農田CO2和H2O濃度測定效率。

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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

王志偉,王萌,王秋濤,等.氣管材質和長度對農田小氣候CO2/H2O分析儀讀數穩定時間的影響[J].中國農業氣象,2019,40(12):793-799

2019?05?10

。E-mail：liultday@126.com

國家自然科學基金（31571610）；河北省自然科學基金（C2016204088）；河北農業大學作物學科梯隊建設基金（TD2016C318）

王志偉（1980?），講師，碩士，研究方向為作物栽培生理。E-mail：bdwangzhiwei@126.com