農(nóng)業(yè)、林地、淡水等生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能因氣候變化、生物多樣性減少及土地使用改變面臨威脅，為了保護(hù)或改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，需要了解和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對目前和未來變化的反應(yīng)，如新的措施和潛在的環(huán)境轉(zhuǎn)變點(diǎn)。沒有充分了解生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境之間的敏感依存關(guān)系，將無法評估影響、控制風(fēng)險(xiǎn)或有效利用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的預(yù)期變化帶來的收益。

Eco-Cell 生態(tài)倉觀測模擬系統(tǒng)提供的重復(fù)實(shí)驗(yàn)單元可內(nèi)置特定的生態(tài)系統(tǒng)，在環(huán)境因子可控的條件下，實(shí)時、在線測量生態(tài)系統(tǒng)過程。

Eco-Cell因提供精確的環(huán)境控制和在線測量各種尺度的生物、生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)及活動（flux），該設(shè)施在復(fù)雜的自然狀態(tài)研究和簡化的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)之間搭建了橋梁。因?qū)⑸鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)置在一個實(shí)驗(yàn)箱中，它可以利用這個限制優(yōu)勢，精確地測量不同生態(tài)系統(tǒng)單元中的分子交換信息，包括和大氣的交換信息。

該系統(tǒng)常用于研究生態(tài)過程及其機(jī)理。可實(shí)現(xiàn)對多種痕量氣體在生態(tài)系統(tǒng)和大氣中的交換過程的連續(xù)監(jiān)測和采樣。此外，還可監(jiān)測土壤和水的其它參數(shù)。配合其復(fù)雜的土壤灌溉和大氣環(huán)境分析系統(tǒng)，可控制CO2、溫度、RH等，同時連續(xù)監(jiān)測土壤中生物質(zhì)循環(huán)和微生物過程。

還用于監(jiān)測溫室氣體平衡，大氣中溫室氣體的增加被認(rèn)為是變暖的主要原因。減緩變暖的趨勢，首先需要研究和控制溫室氣體的排放和吸收。

     

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       Eco-Cell 生態(tài)倉觀測模擬系統(tǒng)一般由多個重復(fù)的實(shí)驗(yàn)單元組成，可實(shí)現(xiàn)多因子、多梯度水平的平行實(shí)驗(yàn)。

       每個實(shí)驗(yàn)單元由圓錐狀的環(huán)境控制生長箱和蒸滲儀組成。生長箱用于控制作物生長的環(huán)境條件，如空氣溫度、RH、光照、降雨、氣體濃度等，蒸滲儀用于控制土壤水分、地下水位等，并可計(jì)算土壤水分通量，還可收集土壤溶液，用于分析土壤養(yǎng)分淋溶等。

每一個實(shí)驗(yàn)單元的環(huán)境參數(shù)可以調(diào)整至與外界環(huán)境一致。數(shù)據(jù)可自動無線傳輸。

（二）環(huán)境控制

      

生態(tài)倉內(nèi)的大氣溫度、大氣濕度可連續(xù)、自動控制。自動灌溉系統(tǒng)可控制土壤水分在預(yù)設(shè)值。生態(tài)倉上部的透明罩需要讓陽光大部分透過，而且光譜范圍與自然光基本一致，不影響生態(tài)系統(tǒng)的光合作用。也可以全部遮擋，采用人工光源。

1、控制方法：

a．    土柱體溫度控制

溫度控制范圍-10～40℃

溫度控制精度±1℃

溫度測量分辨率0.1℃

控制系統(tǒng)采用PID變頻控制系統(tǒng)，可以在操作界面任意設(shè)定目標(biāo)溫度

整個土柱可以分段控制（分成2-3段）

b．        透明罩體內(nèi)環(huán)境溫度控制
溫度控制范圍0～40℃

溫度控制精度±1℃

溫度測量分辨率0.1℃

使用熱泵空調(diào)原理直接氣體熱交換，風(fēng)扇攪拌

控制系統(tǒng)采用PID變頻控制系統(tǒng)，可以在操作界面任意設(shè)定目標(biāo)溫度

c．        濕度控制

濕度控制范圍30～95℃

濕度控制精度±3%RH

濕度測量分辨率0.1%RH

采用冷卻凝結(jié)的方法去除環(huán)境空氣中的水分，降低空氣濕度（冷凝式抽濕機(jī)）

高壓霧化增濕系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PID變頻控制系統(tǒng)，可以在操作界面任意設(shè)定目標(biāo)濕度，通過我們專門研發(fā)的溫度濕度解耦算法，限度的節(jié)省電力消耗。

d．       自動灌溉控制

灌溉方式：

電動閥控制自動滴灌系統(tǒng)

灌溉控制方式：

1.            可以手動設(shè)置灌溉量

2.            可以根據(jù)土壤耗水量定時自動補(bǔ)充灌溉

3.            可以根據(jù)土壤含水量恒定控制灌溉（動態(tài)跟蹤）

2、大氣化學(xué)控制

       生態(tài)倉內(nèi)CO₂濃度水平在白天和晚上可控制預(yù)定水平。可通過注入¹³CO2得到¹³C富集。

       內(nèi)置的可調(diào)諧紅外雙激光直接吸收光譜儀可同時測量CO、CO₂、O₃、N₂O、H2O、NH3等六種痕量氣體，實(shí)現(xiàn)<1s的時間分辨率及<1ppb（1s）的靈敏度，對于粘性氣體如NH3有鈍化采樣系統(tǒng)。

該光譜儀不同的配置，還可以測量¹³C、¹⁵N、  ¹⁸O、 ¹⁷O等同位素。

控制方法：

補(bǔ)償CO2濃度范圍：400～5000ppm

控制精度±50ppm

測量分辨率1ppm

CO2氣體采用工業(yè)CO2氣，由電磁閥通斷控制CO2釋放，多點(diǎn)噴射，風(fēng)扇攪拌混合均勻，CO2分析儀實(shí)時監(jiān)測，結(jié)合PID控制器，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)測值的比較，輸出控制電磁閥的信號。

其他氣體控制方法也是類似。

（三）在線測量

   可實(shí)時、在線測量蒸散量、生態(tài)系統(tǒng)CO₂凈交換量、凈CH₄交換量、凈N₂O交換量。

每個生態(tài)倉可測量凈CO₂通量中的¹³C，或N₂O、NH₃中的¹⁵N。

若幾個生態(tài)倉同時測量，測量頻次可按比例遞減。

土壤剖面水分、溫度、電導(dǎo)率、熱通量、CO₂等。隨季節(jié)不同，蒸滲儀內(nèi)的溫度控制單元可調(diào)整土壤溫度，確保熱通量與野外情況相符。

（四）系統(tǒng)組成

    Eco-Cell 生態(tài)倉觀測模擬系統(tǒng)分土建工程及科學(xué)研究設(shè)備2部分。土建部分的建造需要有國家建筑資格證的單位設(shè)計(jì)、建造，其中水、電、氣的設(shè)計(jì)需要滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，本文造價不含土建部分。

    科學(xué)研究設(shè)備部分由如下組成：

1、生態(tài)倉頂部

采用透明材料，帶遮光系統(tǒng)及氣體注入回路。

2、生態(tài)倉下部

2.1 生態(tài)倉下部：安裝蒸滲儀及環(huán)境控制單元，需要配置水、電、照明系統(tǒng)。

3、環(huán)境控制設(shè)備

    生態(tài)倉中的大氣溫度、濕度能夠控制在設(shè)定值，CO₂可設(shè)定在需要的濃度。若需要¹³CO₂ 濃度設(shè)定，可注入¹³CO₂氣體。人工光源的光譜范圍與日光類似。土壤水分由滴灌設(shè)備控制。風(fēng)速可自動設(shè)定。

4、蒸滲儀系統(tǒng)

直徑2米，高1.5米或2米（或用戶自定義尺寸）。采用原狀土。

測量土壤剖面水分、溫度、電導(dǎo)率、水勢傳感器。具有土壤溶液取樣

土壤剖面中CO₂、N₂O、NH₃測量，可以獲取土壤硝化、反硝化過程中的參數(shù)，研究土壤氮循的過程，及土壤溫室氣體排放過程。

5、在線測量儀器

    調(diào)諧紅外雙激光直接吸收光譜儀測量生態(tài)系統(tǒng)CO₂、N₂O、NH₃氣體交換，若需要區(qū)分冠層和土壤排放

    光合熒光儀同時測量生態(tài)倉內(nèi)的CO2交換和熒光。

iChamber自動冠層箱和調(diào)諧紅外雙激光直接吸收光譜儀連接，自動測量土壤或冠層的溫室氣體交換量，如CO₂、N₂O、NH₃。

生態(tài)倉內(nèi)的光照、溫度、濕度、風(fēng)速可自動在線測量。

6、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控

    在線監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時采集數(shù)據(jù)。

7、數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控

    Eco-Cell生態(tài)倉觀測控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺可實(shí)時檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，管理數(shù)據(jù)平臺的使用。

8、公用測量設(shè)備

    生態(tài)倉、冠層或土壤的CO₂、N₂O、NH₃氣體交換、13C、15N、18O 氣體同位素測量可公用。植物生態(tài)參數(shù)如葉面積、冠層結(jié)構(gòu)、植物水勢也可采用公用設(shè)備。

（五）系統(tǒng)組成

目前國際上有2個這種生態(tài)模擬控制實(shí)驗(yàn)設(shè)施。是法國建造的，目前還在使用，另外一個是比利時Hasselt大學(xué)建造的，總結(jié)了法國系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，2018使用。

Eco-Cell生態(tài)倉觀測控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集合了法國和比利時系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并在測量技術(shù)上采用了目前更*的儀器，彌補(bǔ)了國外2套系統(tǒng)的不足。

其中溫室氣體CO₂、N₂O、NH₃和同位素測量采用了更*的技術(shù)，測量精度和分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外系統(tǒng)采用的設(shè)備。

土壤CO₂、N₂O、NH₃、HONO等含氮?dú)怏w的剖面測量是國外系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)的，這對研究土壤硝化、反硝化過程提供直接的幫助，將生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程研究手段的空白。