1. 观测系统介绍
“地气间物质交换通量静态箱法自动观测系统（CASF）”共分成观测箱，以及环境因子测量、分析、主控和供电单元五个部分。
第一部分：观测箱，主要包括箱体（12个）、箱盖（12个）、电动推杆（12个）和配套基座（24~36个，每个静态箱配备2~3个基座）。箱体和箱盖由有机玻璃构成框架，主体为高透过率的聚碳酸酯材料，箱体和箱盖通过直流电动推杆固定连接，电动推杆的伸、缩实现箱盖的开关动作，每个箱体配套2~3个基座，箱体定期（3~15天）在不同基座位置上轮换。
第二部分：环境因子测量单元，主要包括：翻斗式雨量计（1个）、空气温度传感器（5个）、防辐射罩（5个，1个标准防辐射罩用于测量本底空气温度，4个简易防辐射罩用于测量箱内气温）、光合有效辐射传感器（5个）、土壤温度传感器（9个）和土壤湿度传感器（9个），以上设备可测定大气本底降雨量、空气温度和光合有效辐射，观测箱内空气温度和光合有效辐射，以及三个田间处理的土壤温度和土壤湿度（每个处理3个重复）。
第三部分：分析单元，主要包括：气相色谱仪（Agilent 7890A，1台）和二氧化碳/水汽分析仪（LI-COR 840A，1台），依据测定物质需要还可增加其它检测仪器，但应注意破坏性检测仪器（改变样品成分或浓度的检测器）应置于下气路或不同气路中，以免对后续仪器检测结果造成影响。气相色谱仪以3分钟每个样品的频率测定标准气体（3次测定）和样品气体（每个观测箱5轮次进样）氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）的浓度；二氧化碳/水汽分析仪分别以1赫兹的频率测定样品气体二氧化碳（CO2）和水汽的含量。
第四部分：主控单元，主要包括：工业控制计算机（1台）、隔离RS-232 到 RS-422/485转换器（2个）、模拟量输入模块（8个）、继电器输出模块（17个）、雨量计数器（1个）、低压直流中间继电器（24个 ）、两位两通电磁阀（14个）、两位三通电磁阀（3个）、游标刻度针阀（1个）、隔膜泵（1个）、电子除水器（1个）、标准气体和配套减压阀、聚四氟乙烯空心管线（内、外径：1.6~2和3.2~4毫米）若干、RS-485和RS-232串行总线若干、色谱运行与图谱处理软件（Agilent 2070A，商业软件）、系统控制与数据采集程序（CAS-Flux，MCGS组态软件，自主软件）和地气交换通量及环境因子数据处理程序（IAP-Flux，R编译，自主软件）。一对中间继电器实现对一个电动推杆的正、反向直流供电（24伏特），以驱动电动推杆的伸缩动作进而实现箱盖的开关。隔膜泵用于采集气体样品，通过旋调游标刻度针阀调节气体样品采集流速（400~600毫升/分钟）。电子除水器去除低流速管路中（气相色谱进样气路）气体样品中过饱和的水汽。标准气体钢瓶内的标准气体和密闭式静态箱内的样品气体通过两位两通和两位三通电磁阀切换，经不同气路分别进入气相色谱仪和二氧化碳/水汽分析仪。标准气体和样品气体进样间歇期，使用环境空气为电子除水器排水并清洗管路。模拟量输入模块用于采集温度、湿度和光合有效辐射传感器以及二氧化碳/水汽分析仪电压或电流信号值。继电器输出模块用于控制气相色谱触发与停止、中间继电器通断电、环境因子测量传感器通断电、两位两通和两位三通电磁阀通断电。雨量计数器高频实时采集翻斗式雨量计的开关量信号。隔离RS-232 到 RS-422/485转换器能够将RS-232信号转换为RS-485信号。Agilent 2070A属于购买的商业软件，用于控制色谱分析条件和图谱信号采集。CAS-Flux和IAP-Flux属于自主开发软件系统，分别用于系统控制、环境因子和二氧化碳/水汽分析仪电信号采集（CAS-Flux），以及地气交换通量和环境因子数据的自动计算与质量控制（IAP-Flux）。
第五部分：供电单元，主要包括：空气开关（7个）、开关电源（10个）、防水防尘接线箱（6个）和电源线若干（0.5~2平方电线）。防水防尘接线箱作为室外控制终端机箱，内安装有供电部分的空气开关和开光电源，以及主控单元部分模拟量输入和继电器输出模块。1个空气开关为主控单元的开关，其余6个为防水防尘接线箱的开关。开关电源将交流电转为低压直流电（12和24伏特）为温湿度传感器（12伏特），以及电动推杆、电磁阀、二氧化碳/水汽分析仪、翻斗式雨量计加热带和各种工业化模块供电（24伏特）；其余设备如：电子除水器、隔膜泵、气相色谱仪和计算机采用交流供电方式（220伏特）。
图1：CASF系统各部分串联关系
“地气间物质交换通量静态箱法自动观测系统”中的“三路”，第一路“电路”，包括供电单元的空气开关、开关电源和若干种电源线（0.5~2平方电线），环境因子测量单元的各种传感器供电线，以及主控单元的低压直流中间继电器。“电路”起到类似人体血液的功能，为箱体开关、气体样品采集和分析、冷凝除水提供驱动电力，系统维修维护时要特别注意“电路”部分接线是否正确，要确保在断电情况下进行“电路”维修维护，“电路”短路或反接可能造成仪器设备和元器件的严重损毁。第二路“气路”，包括主控单元的两位两通电磁阀、两位三通电磁阀、游标刻度针阀、隔膜泵、电子除水器和若干种聚四氟乙烯空心管线（内、外径：1.6~2和3.2~4毫米），以及分析单元的黄铜和不锈钢管线，“气路”起到类似人体呼吸系统的功能，主要起到采集传输标准气体和样品气体至分析单元，以及为分析单元的气相色谱提供载气（氮气）、燃烧气（氢气）、助燃气和驱动气（空气），“气路”维修维护主要注重气密性的检查。第三路“信息路”，包括主控单元的工业控制计算机、隔离RS-232 到 RS-422/485转换器、模拟量输入模块、继电器输出模块、雨量计数器、RS-485和RS-232串行总线若干、色谱运行与图谱处理软件（Agilent 2070A，商业软件）、系统控制与数据采集程序（CAS-Flux，MCGS组态软件，自主软件），以及分析单元气相色谱与工业控制计算机通讯网线，“信息路”起到类似人体神经系统的功能，起到传输控制信息（控制箱体开关和电磁阀状态）和电信号（传感器电压值和雨量筒开关量）的作用，“信息路”维修维护的关键是确保模块和雨量计数器供电线和485线连接正确，所有模块和雨量计数器通过MCGS或ADAM4050软件可以识别到。
2. 观测系统技术特点
- (1) 通过自主设计的气压平衡装置，解决了观测过程对箱内气压的干扰；
- (2) 全箱体采用高透过率材料，减少了罩箱对温度和辐射的影响；
- (3) 采用电动推杆驱动箱体开关，适用于极端环境，拓展了系统适用范围；
- (4) 开发了智能化降雨保护技术和气样电子冷阱除水技术；
- (5) 确保精度前提下，气相色谱单次进样完成三种气体（CH4、N2O和CO2）同步测定的时间缩短至三分钟；
- (6) 该系统具备了直接测量蒸散通量的功能。
“地气间物质交换通量静态箱法自动观测系统”解决或大幅降低长期关箱测量对环境条件的影响（采样对箱内大气压力，关箱对箱内辐射、气温、土壤气体浓度梯度、水分和植物生理生长状况等），显著提升地气交换通量测量结果准确性和代表性，能够高频率（1轮次/4小时）连续观测分布于非均匀下垫面生态系统中12个点位多种碳氮气体的净交换通量及主要环境参数，观测系统全时域和地域各类生态系统适用，集成度和可视化程度高，便于野外运行与普及推广。
图2：多年冻土区湿地生态系统温室气体地气交换通量长周期野外连续观测