農業、林地、淡水等生態系統的服務功能因氣候變化、生物多樣性減少及土地使用改變面臨威脅，為了保護或改善生態系統服務功能，需要了解和預測生態系統對目前和未來變化的反應，如新的措施和潛在的環境轉變點。沒有充分了解生態系統和環境之間的敏感依存關系，將無法評估影響、控制風險或有效利用生態系統結構和功能的預期變化帶來的收益。

Eco-Cell 生態倉觀測模擬系統提供的重復實驗單元可內置特定的生態系統，在環境因子可控的條件下，實時、在線測量生態系統過程。

Eco-Cell因提供精確的環境控制和在線測量各種尺度的生物、生態系統的狀態及活動（flux），該設施在復雜的自然狀態研究和簡化的實驗室試驗之間搭建了橋梁。因將生態系統內置在一個實驗箱中，它可以利用這個限制優勢，精確地測量不同生態系統單元中的分子交換信息，包括和大氣的交換信息。

該系統常用于研究生態過程及其機理。可實現對多種痕量氣體在生態系統和大氣中的交換過程的連續監測和采樣。此外，還可監測土壤和水的其它參數。配合其復雜的土壤灌溉和大氣環境分析系統，可控制CO2、溫度、RH等，同時連續監測土壤中生物質循環和微生物過程。

還用于監測溫室氣體平衡，大氣中溫室氣體的增加被認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）系統設計

       Eco-Cell 生態倉觀測模擬系統一般由多個重復的實驗單元組成，可實現多因子、多梯度水平的平行實驗。

       每個實驗單元由圓錐狀的環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，并可計算土壤水分通量，還可收集土壤溶液，用于分析土壤養分淋溶等。

每一個實驗單元的環境參數可以調整至與外界環境一致。數據可自動無線傳輸。

（二）環境控制

      

生態倉內的大氣溫度、大氣濕度可連續、自動控制。自動灌溉系統可控制土壤水分在預設值。生態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，不影響生態系統的光合作用。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℃

控制系統采用PID變頻控制系統，可以在操作界面任意設定目標溫度

整個土柱可以分段控制（分成2-3段）

b．        透明罩體內環境溫度控制
溫度控制范圍0～40℃

溫度控制精度±1℃

溫度測量分辨率0.1℃

使用熱泵空調原理直接氣體熱交換，風扇攪拌

控制系統采用PID變頻控制系統，可以在操作界面任意設定目標溫度

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

采用冷卻凝結的方法去除環境空氣中的水分，降低空氣濕度（冷凝式抽濕機）

高壓霧化增濕系統

控制系統采用PID變頻控制系統，可以在操作界面任意設定目標濕度，通過我們專門研發的溫度濕度解耦算法，限度的節省電力消耗。

d．       自動灌溉控制

灌溉方式：

電動閥控制自動滴灌系統

灌溉控制方式：

1.            可以手動設置灌溉量

2.            可以根據土壤耗水量定時自動補充灌溉

3.            可以根據土壤含水量恒定控制灌溉（動態跟蹤）

2、大氣化學控制

       生態倉內CO₂濃度水平在白天和晚上可控制預定水平。可通過注入¹³CO2得到¹³C富集。

       內置的可調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，實現<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。

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CO2氣，由電磁閥通斷控制CO2釋放，多點噴射，風扇攪拌混合均勻，CO2分析儀實時監測，結合PID控制器，根據設定值與實測值的比較，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

   可實時、在線測量蒸散量、生態系統CO₂凈交換量、凈CH₄交換量、凈N₂O交換量。

每個生態倉可測量凈CO₂通量中的¹³C，或N₂O、NH₃中的¹⁵N。

若幾個生態倉同時測量，測量頻次可按比例遞減。

土壤剖面水分、溫度、電導率、熱通量、CO₂等。隨季節不同，蒸滲儀內的溫度控制單元可調整土壤溫度，確保熱通量與野外情況相符。

（四）系統組成

    Eco-Cell 生態倉觀測模擬系統分土建工程及科學研究設備2部分。土建部分的建造需要有國家建筑資格證的單位設計、建造，其中水、電、氣的設計需要滿足科學實驗的要求，本文造價不含土建部分。

    科學研究設備部分由如下組成：

1、生態倉頂部

采用透明材料，帶遮光系統及氣體注入回路。

2、生態倉下部

2.1 生態倉下部：安裝蒸滲儀及環境控制單元，需要配置水、電、照明系統。

3、環境控制設備

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

4、蒸滲儀系統

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，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

    調諧紅外雙激光直接吸收光譜儀測量生態系統CO₂、N₂O、NH₃氣體交換，若需要區分冠層和土壤排放

    光合熒光儀同時測量生態倉內的CO2交換和熒光。

iChamber自動冠層箱和調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。

生態倉內的光照、溫度、濕度、風速可自動在線測量。

6、數據采集和設備監控

    在線監測設備，實時采集數據。

7、數據管理和監控

    Eco-Cell生態倉觀測控制實驗系統的數據平臺可實時檢查數據質量，管理數據平臺的使用。

8、公用測量設備

    生態倉、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。植物生態參數如葉面積、冠層結構、植物水勢也可采用公用設備。

（五）系統組成

目前國際上有2個這種生態模擬控制實驗設施。是法國建造的，目前還在使用，另外一個是比利時Hasselt大學建造的，總結了法國系統的優點，2018使用。

Eco-Cell生態倉觀測控制實驗系統集合了法國和比利時系統的設計思路，并在測量技術上采用了目前更*的儀器，彌補了國外2套系統的不足。

其中溫室氣體CO₂、N₂O、NH₃和同位素測量采用了更*的技術，測量精度和分辨率遠遠高于國外系統采用的設備。

土壤CO₂、N₂O、NH₃、HONO等含氮氣體的剖面測量是國外系統沒有實現的，這對研究土壤硝化、反硝化過程提供直接的幫助，將生態系統氮循環過程研究手段的空白。