本发明涉及碳通量计量技术领域，尤其涉及一种森林碳通量计量系统及方法。
背景技术：
碳循环，是指碳元素在地球上的生物圈、岩石圈、水圈及大气圈中交换，并随地球的运动循环不止的现象。生物圈中的碳循环主要表现在绿色植物从大气中吸收二氧化碳，在水的参与下经光合作用转化为葡萄糖并释放出氧气，有机体再利用葡萄糖合成其他有机化合物的过程。近代以来，工业革命加快了人类的发展步伐，却也加剧了煤、石油等化石燃料的开采使用，导致大气中co2和ch4等温室气体的浓度急剧上升。据研究显示，全球大气co2浓度从18世纪中叶的280mol/mol增加到了380mol/mol，并且还在持续上升。这种情况下，一系列严重的环境问题将会变得非常严重。在此形势下，国际地圈生物圈计划(igbp)、世界气候研究计划(wcrp)和全球变化的人为因素计划(ihdp)等将遏制温室气体排放，阻止大气二氧化碳浓度升高定位为核心任务。1992年，《联合国气候变化框架公约》(unfccc)签订，作为最早的10个缔约方之一，我国的节能减碳任务十分艰巨。2005年2月16日开始生效的《京都议定书》在3.3和3.4中首次明确提出人类可以通过对陆地生态系统的有效管理来增加其固碳能力，并且管理成效可以部分抵消承担国家的碳减排份额。森林生态系统作为陆地生物圈中的重要组成部分，其生物量和净生态系统生产力占陆地生态系统总量的86％和70％。所以，研究森林系统的碳循环通量具有十分重大的意义。
现阶段，应用于生态系统碳通量的监测模型研究已经十分多样，大量的科学家从事这方面的研究，并且在各种森林环境中得到了良好的应用。只是，由于森林环境的多样，各种环境重要指标存在空间异质性。例如，坡向导致的光热水汽的分布不均、林型(落叶、常绿林)不同导致林下的土壤呼吸各异等原因使得森林碳通量计量模型缺乏代表性，只能随着监测环境的不同调整模型或者使用其他模型来进行碳通量的计量。目前，基于涡度相关方法的碳通量计量模型是使用最广泛的模型方法，该方法通过建设四十多米高的通量塔并布设多层高精度的传感器获取物理量与环境风速脉动，通过它们的协方差来获取通量值。这种方法相对比较成熟。然而，通过涡度相关法获取的碳通量值是代表大范围区域的，对于测量区域内的通量时空分布不能很好的表示。而且，建造一个通量塔价格昂贵，不能大范围的布置通量塔以获得通量值的时间空间分布。
技术实现要素：
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种森林碳通量计量系统及方法，其在森林不同冠层位置布置数据采集模块采集温度数据、湿度数据、光照数据和co2浓度数据，计算出测量区域内的碳通量值，能很好的表示测量区域内碳通量时空分布特征，设备简单，能很好的普及大范围应用。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种森林碳通量计量系统，包括数据处理终端和数据采集装置，所述数据采集装置包括无线数据转发模块和位于树木冠层中不同高度的多个数据采集模块，所述数据采集模块包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和无线通讯模块，所述无线通讯模块分别与温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器电连接，所述无线通讯模块通过无线网络与无线数据转发模块无线连接，所述无线数据转发模块通过无线网络与数据处理终端无线连接。
在本方案中，多个数据采集模块分布于树木冠层中不同高度，采集不同高度的温度数据、湿度数据、光照数据和二氧化碳数据，将采集的数据无线发送到无线数据转发模块，无线数据转发模块将采集的数据无线发送到数据处理终端，数据处理终端根据接收到的数据计算出森林碳通量。无线数据传输模块为dtu设备。
相对于昂贵的通量塔设备，数据采集模块体积小、价格便宜等优点满足了其可以在森林环境中进行大范围采集具有代表性的环境数据并应用到生态系统模型当中。因此，使用分布式无线传感器网络实现研究区域的碳通量模拟就显得十分重要。对研究碳循环机理过程、了解区域内的碳通量时空变异情况具有重大意义。
利用数据采集模块节点在通量塔下部署数据采集网络，收集光、热、水汽及二氧化碳浓度数据，将其作为驱动参数输入碳通量计量模型，这样，可计算出测量区域内的碳通量值。无线传感器网络的分布式特点，可获得测量区域内监测数据的时空分布情况，以此为驱动的通量模型计算出的碳通量值也具有很强的时空分布特征。对比通量塔计算出的碳通量值，基于无线传感器网络的碳通量计量模型计算出的碳通量可分析出对于整个区域，部署传感器的测量区域在整体碳通量中的贡献值，并且有助于分析通量塔下碳通量的时空异质性。另外，多种因子可与通量值结合分析，探究它们之间的内在规律。
本发明的一种森林碳通量计量方法，包括以下步骤：
s1：获取分布于树木冠层中不同高度的n个数据采集模块采集的数据，数据采集模块采集的数据包括温度数据、湿度数据、光照数据和co2浓度数据；
s2：根据温度数据和co2浓度数据计算出光合作用羧化速率jc；
s3：根据光照数据、温度数据和co2浓度数据计算出光电子传输速率je；
s4：根据光合作用羧化速率jc和光电子传输速率je计算出冠层的光合作用速率a；
s5：计算出气孔导度gs；
s6：计算出最终光合速率ac；
s7：计算出生态系统呼吸速率reco；
s8：计算出碳通量nee＝reco-ac。
作为优选，所述步骤s2包括以下步骤：
采用如下公式计算出光合作用羧化速率jc：
其中，ci是叶内部co2浓度(μmolco2mol-1air)，
作为优选，所述步骤s3包括以下步骤：
采用如下公式计算出光电子传输速率je：
其中，i1为最高的数据采集模块采集的光照数据(即冠层之上的光照数据)(μmolm-2s-1)，αq是光子捕获的量子效率(molmol-1光子)，jm是最大电子传输速率(μmolco2m-2s-1)(jm取决于温度)，
作为优选，所述步骤s4包括以下步骤：
采用如下公式计算出冠层的光合作用速率a：
a＝min(ωc，ωe)，
ωe＝jef(l)，
f(l)＝e-klai，
其中，k为消光系数，
将叶片光合作用扩展至冠层层面时，引入sellers等人开发的方法，该方法描述了光在冠层中的衰减过程，随着冠层深度的增加，光在冠层深度中的表达式为：il＝i1e-klai，i1冠层之上的光照数据，il为从冠层往下深度为l处的光照数据，使f(l)＝e-klai，f(l)描述了冠层对光的衰减作用。消光系数k的计算公式能反应消光系数在时空上的变化特征。
作为优选，所述步骤s5包括以下步骤：
采用如下公式计算出气孔导度gs：
其中，gl和d0(kpa)为经验常数，d为水蒸汽压强限制(kpa)，es是饱和蒸气压，
水蒸气压强限制d通过空气温度(tk)和湿度(rh)(％)计算。
作为优选，
所述步骤s6包括以下步骤：
采用如下公式计算出最终光合速率ac：
其中，an为顶部叶层的碳流入量。
作为优选，所述步骤s7包括以下步骤：
采用如下公式计算出生态系统呼吸速率reco：
其中，
本发明的有益效果是：在森林不同冠层位置布置数据采集模块采集温度数据、湿度数据、光照数据和co2浓度数据，计算出测量区域内的碳通量值，能很好的表示测量区域内碳通量时空分布特征，设备简单，能很好的普及大范围应用。
附图说明
图1是实施例的电路原理连接框图；
图2是实施例的流程图。
图中：1、数据处理终端，2、无线数据转发模块，3、数据采集模块，4、温度传感器，5、湿度传感器，6、光照传感器，7、二氧化碳传感器，8、无线通讯模块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种森林碳通量计量系统，如图1所示，包括数据处理终端1和数据采集装置，数据采集装置包括无线数据转发模块2和位于树木冠层中不同高度的五个数据采集模块3，最高处的数据采集模块位于树木冠层的最高点，数据采集模块3包括温度传感器4、湿度传感器5、光照传感器6、二氧化碳传感器7和无线通讯模块8，无线通讯模块8分别与温度传感器4、湿度传感器5、光照传感器6、二氧化碳传感器7电连接，无线通讯模块8通过无线网络与无线数据转发模块2无线连接，无线数据转发模块2通过无线网络与数据处理终端1无线连接。
在本方案中，多个数据采集模块分布于树木冠层中不同高度，采集不同高度的温度数据、湿度数据、光照数据和二氧化碳数据，将采集的数据无线发送到无线数据转发模块，无线数据转发模块将采集的数据无线发送到数据处理终端，数据处理终端根据接收到的数据计算出森林碳通量。无线数据传输模块为dtu设备。
相对于昂贵的通量塔设备，数据采集模块体积小、价格便宜等优点满足了其可以在森林环境中进行大范围采集具有代表性的环境数据并应用到生态系统模型当中。因此，使用分布式无线传感器网络实现研究区域的碳通量模拟就显得十分重要。对研究碳循环机理过程、了解区域内的碳通量时空变异情况具有重大意义。
利用数据采集模块节点在通量塔下部署数据采集网络，收集光、热、水汽及二氧化碳浓度数据，将其作为驱动参数输入碳通量计量模型，这样，可计算出测量区域内的碳通量值。无线传感器网络的分布式特点，可获得测量区域内监测数据的时空分布情况，以此为驱动的通量模型计算出的碳通量值也具有很强的时空分布特征。对比通量塔计算出的碳通量值，基于无线传感器网络的碳通量计量模型计算出的碳通量可分析出对于整个区域，部署传感器的测量区域在整体碳通量中的贡献值，并且有助于分析通量塔下碳通量的时空异质性。另外，多种因子可与通量值结合分析，探究它们之间的内在规律。
本实施例的一种森林碳通量计量方法，用于上述的一种森林碳通量计量系统，如图2所示，包括以下步骤：
s1：获取分布于树木冠层中不同高度的五个数据采集模块采集的数据，数据采集模块采集的数据包括温度数据、湿度数据、光照数据和co2浓度数据，最高处的数据采集模块位于树木冠层的最高点；
s2：根据温度数据和co2浓度数据计算出光合作用羧化速率jc；
s3：根据光照数据、温度数据和co2浓度数据计算出光电子传输速率je；
s4：根据光合作用羧化速率jc和光电子传输速率je计算出冠层的光合作用速率a；
s5：计算出气孔导度gs；
s6：计算出最终光合速率ac；
s7：计算出生态系统呼吸速率reco；
s8：计算出碳通量nee＝reco-ac。
所述步骤s2包括以下步骤：
采用如下公式计算出光合作用羧化速率jc：
其中，ci是叶内部co2浓度(μmolco2mol-1air)，
步骤s3包括以下步骤：
采用如下公式计算出光电子传输速率je：
其中，i1为最高的数据采集模块采集的光照数据(即冠层之上的光照数据)(μmolm-2s-1)，αq是光子捕获的量子效率(molmol-1光子)，jm是最大电子传输速率(μmolco2m-2s-1)(jm取决于温度)，
步骤s4包括以下步骤：
采用如下公式计算出冠层的光合作用速率a：
a＝min(ωc，ωe)，
ωe＝jef(l)，
f(l)＝e-klai，
其中，k为消光系数，
将叶片光合作用扩展至冠层层面时，引入sellers等人开发的方法，该方法描述了光在冠层中的衰减过程，随着冠层深度的增加，光在冠层深度中的表达式为：il＝i1e-klai，i1冠层之上的光照数据，il为从冠层往下深度为l处的光照数据，使f(l)＝e-klai，f(l)描述了冠层对光的衰减作用。消光系数k的计算公式能反应消光系数在时空上的变化特征。
步骤s5包括以下步骤：
采用如下公式计算出气孔导度gs：
其中，gl和d0(kpa)为经验常数，d为水蒸汽压强限制(kpa)，es是饱和蒸气压，
步骤s6包括以下步骤：
将气孔导度gs与叶片光合作用相结合，从而计算出顶部叶层的碳流入量an：
然后计算出最终光合速率ac：
步骤s7包括以下步骤：
使用van′thoff方程将生态系统呼吸构建为与温度相关的函数：
其中，
上述公式中的部分参数采用的数值如表一所示：
表一
术语介绍：
碳通量：碳循环研究中一个最基本的概念，表述生态系统通过某一生态断面的碳元素的总量。
总初级生产力(gpp)：指在单位时间和单位面积上，绿色植物通过光合作用所固定的有机碳总量。
净生态系统碳交换(nee)：nee表示了一个系统与大气之间的净co2交换量。
生态系统呼吸：生物通过呼吸作用，消耗有机物，释放二氧化碳的过程。
光合作用羧化速率：绿色植物利用二磷酸核酮糖羧化酶的催化剂来使二氧化碳转化为有机物的速率。
光电子传输速率：光合作用中，参与光合作用的nadph分子和atp受光激发推动的电子从h2o到辅酶ii(nadp )的转化速率。
活化能：指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。
气孔导度：表示的是气孔张开的程度，它是影响植物光合作用，呼吸作用及蒸腾作用的主要因素。
消光系数：指被测溶液对光的吸收大小值，本方案中认为冠层是均匀溶质，表示冠层对光的吸收。
1.一种森林碳通量计量系统，其特征在于，包括数据处理终端(1)和数据采集装置，所述数据采集装置包括无线数据转发模块(2)和位于树木冠层中不同高度的多个数据采集模块(3)，所述数据采集模块(3)包括温度传感器(4)、湿度传感器(5)、光照传感器(6)、二氧化碳传感器(7)和无线通讯模块(8)，所述无线通讯模块(8)分别与温度传感器(4)、湿度传感器(5)、光照传感器(6)、二氧化碳传感器(7)电连接，所述无线通讯模块(8)通过无线网络与无线数据转发模块(2)无线连接，所述无线数据转发模块(2)通过无线网络与数据处理终端(1)无线连接。
2.一种森林碳通量计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
si：获取分布于树木冠层中不同高度的n个数据采集模块采集的数据，数据采集模块采集的数据包括温度数据、湿度数据、光照数据和co2浓度数据；
s2：根据温度数据和co2浓度数据计算出光合作用羧化速率jc；
s3：根据光照数据、温度数据和co2浓度数据计算出光电子传输速率je；
s4：根据光合作用羧化速率jc和光电子传输速率je计算出冠层的光合作用速率a；
s5：计算出气孔导度gs；
s6：计算出最终光合速率ac；
s7：计算出生态系统呼吸速率reco；
s8：计算出碳通量nee＝reco-ac。
3.根据权利要求2所述的一种森林碳通量计量方法，其特征在于，所述步骤s2包括以下步骤：
采用如下公式计算出光合作用羧化速率jc：
其中，ci是叶内部co2浓度，
4.根据权利要求3所述的一种森林碳通量计量方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：
采用如下公式计算出光电子传输速率je：
其中，i1为最高的数据采集模块采集的光照数据，αq是光子捕获的量子效率，jm是最大电子传输速率，
5.根据权利要求4所述的一种森林碳通量计量方法，其特征在于，所述步骤s4包括以下步骤：
采用如下公式计算出冠层的光合作用速率a：
a＝min(ωc，ωe)，
ωe＝jef(l)，
f(l)＝e-klai，
其中，k为消光系数，
6.根据权利要求5所述的一种森林碳通量计量方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：
采用如下公式计算出气孔导度gs：
其中，gl和d0为经验常数，d为水蒸汽压强限制，es是饱和蒸气压，
7.根据权利要求6所述的一种森林碳通量计量方法，其特征在于，所述步骤s6包括以下步骤：
采用如下公式计算出最终光合速率ac：
其中，an为顶部叶层的碳流入量。
8.根据权利要求7所述的一种森林碳通量计量方法，其特征在于，所述步骤s7包括以下步骤：
采用如下公式计算出生态系统呼吸速率reco：
其中，
