1：系統(tǒng)介紹
植物根系呼吸和土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的氧化分解是土壤CO2的主要來(lái)源。土壤CO2形成之后，部分通過(guò)土壤呼吸作用排放到大氣中，部分則參與土壤化學(xué)反應(yīng)或者向下擴(kuò)散到地下水中。碳循環(huán)的研究表明土壤呼吸是土壤碳庫(kù)和大氣碳庫(kù)之間碳流通的主要的方式，據(jù)估計(jì)土壤CO2排放量在68PgCyr-1～100PgCyr-1之間。研究表明影響土壤CO2排放量的因素包括溫度、濕度、植被類型、地表植被和地下微生物種群、土地利用方式變化或者外因（比如火災(zāi)）對(duì)土地利用方式的擾動(dòng)和土壤有機(jī)碳含量。土壤CO2排放是CO2氣體在土壤中形成后通過(guò)擴(kuò)散作用像大氣運(yùn)移的過(guò)程。目前對(duì)土壤CO2濃度變化和土壤CO2排放量變化之間的關(guān)系的研究是科研關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
The Carbon Balance碳循環(huán)
土壤剖面CO2濃度的分析研究：
土壤空氣中CO2主要來(lái)源于土壤呼吸,其濃度主要決定于生物因素(植物根系、土壤微生物活性等)和環(huán)境因素(土壤溫度、含水量等。研究了解土壤空氣CO2濃度剖面分布、季節(jié)動(dòng)態(tài)及其影響因素,有助于人們認(rèn)識(shí)土壤中CO2產(chǎn)生、累積、輸運(yùn)以及向大氣排放的生物和物理過(guò)程,制定和實(shí)施合理的農(nóng)作措施以改善作物生長(zhǎng)環(huán)境和減少土壤向大氣排放的CO2。
土壤CO2通量研究很多，但這些監(jiān)測(cè)并不足以解釋土壤CO2生產(chǎn)過(guò)程，土壤剖面CO2垂直梯度研究越來(lái)越成為土壤呼吸乃至生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)。土壤不同層面（深度）CO2生產(chǎn)的持續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)于理解土壤CO2動(dòng)態(tài)極為重要，可以闡明由土壤到大氣CO2通量隨季節(jié)、光照、溫度、濕度及土壤特性的變化特征。
分析儀/泵吸式傳感器吸氣多路分析法：利用一個(gè)多路控制器，通過(guò)抽氣防水，把多層數(shù)據(jù)抽入分析儀進(jìn)行分析
2：系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：
l 使用一個(gè)分析儀分析多層數(shù)據(jù),沒(méi)有系統(tǒng)誤差。
l 可以更換其他測(cè)量要素分析儀,如果:N2O,CH4等梯度測(cè)量?jī)?nèi)容,更靈活的實(shí)驗(yàn)。
l 精度高,使用維護(hù)簡(jiǎn)單.整機(jī)比土壤呼吸系統(tǒng)簡(jiǎn)潔方便使用。
3：分析儀測(cè)法系統(tǒng)組成：
數(shù)據(jù)采集單元CR1000X
CO2/H20分析儀：LI840A分析儀/SBA-5分析儀
SDMCD16AC多路閥及循環(huán)泵控制器
過(guò)濾裝置、抽氣泵
通訊單元、數(shù)據(jù)處理軟件
4：系統(tǒng)主要設(shè)備介紹
LI-840A CO2/H2O分析儀
技術(shù)指標(biāo)
|
| CO2分析器 | H2O分析器 | |||
| 量程 | 0~20,000 μmol/mol | 0~60 mmol/mol | |||
| 準(zhǔn)確度 | 優(yōu)于讀數(shù)的1% | 優(yōu)于讀數(shù)的1.5 % | |||
| 校準(zhǔn)漂移 | 零點(diǎn)漂移 | <0.15 μmol/mol/℃ | <0.003 mmol/mol/℃ | ||
| 跨度漂移 | <0.03 %/℃ | <0.03 %/℃ @ 10 mmol/mol | |||
| 總漂移 | <0.4 μmol/mol/℃ @ 370 μmol/mol | <0.009 mmol/mol/℃ @ 10 mmol/mol | |||
| RMS噪聲 | 1 s信號(hào)過(guò)濾 | <1 μmol/mol@370 μmol/mol | <0.01 mmol/mol@10 mmol/mol | ||
| 靈敏度 | CO2 | —— | <0.0001 mmol/mol H2O/ μmol/mol CO2 | ||
| H2O | <0.1 μmol/mol CO2/ m mol/mol H2O | —— | |||
| 測(cè)量原理 | 非色散紅外分析 | 光源壽命 | ~18,000 h | ||
| 標(biāo)準(zhǔn) | CO2 | 世界氣象組織標(biāo)準(zhǔn) | 電源 | 12~30 V DC | |
| H2O | LI-610便攜式露點(diǎn)發(fā)生器NIST標(biāo)準(zhǔn) | ||||
| 壓力補(bǔ)償范圍 | 15~115 kPa | 工作溫度范圍 | -20~45℃ | ||
| *大氣流速率 | 1 L/min | 相對(duì)濕度范圍 | 0~95%（非冷凝) | ||
| 輸出信號(hào) | 2個(gè)模擬電壓輸出，2個(gè)電流輸出 | 體積 | 22.2 L×15.3 W×7.6 H cm | ||
| 數(shù)字輸出：TTL（0~5 V）或開(kāi)集電路 | 重量 | 1 kg | |||
| 內(nèi)部光腔體積 | 14.5mL | 電源要求 | 12~30 V DC，預(yù)熱時(shí)為14 W，穩(wěn)定時(shí)為3.6W | ||
SBA-5 CO2氣體監(jiān)測(cè)儀
技術(shù)指標(biāo):
1. 分析儀：非色散紅外線氣體分析儀與微芯片控制的線形化微處理器。紅外儀具有PP SYSTEMS公司的“自動(dòng)調(diào)零“磚利技術(shù)，當(dāng)外界環(huán)境變化引起儀器零點(diǎn)有漂移時(shí)，儀器便自動(dòng)進(jìn)行校正，無(wú)需手動(dòng)校正。
2. CO2測(cè)量范圍：八個(gè)量程供選擇（用戶需選擇一個(gè)測(cè)量范圍），讀數(shù)根據(jù)溫度與壓強(qiáng)自動(dòng)更正。
標(biāo)準(zhǔn)量程：0~1000 ppm（µmol mol-1），0~2000 ppm（µmol mol-1），0~5000 ppm（µmol mol-1），
0~10000 ppm（µmol mol-1），0~20000 ppm（µmol mol-1），0~30000 ppm（µmol mol-1）
高 量 程：0~50000 ppm（µmol mol-1），0~100000 ppm（µmol mol-1）
3. CO2精準(zhǔn)度：1000ppm±0.1%，2000ppm±0.1%，，5000ppm±0.5%，程范圍內(nèi)，優(yōu)于讀數(shù)的1%
4. CO2線性規(guī)整度：量程范圍內(nèi)，優(yōu)于讀數(shù)的1%
5. 壓力補(bǔ)償：80 kPa -115kPa
6. 穩(wěn)定性：定期自動(dòng)調(diào)零，糾正樣品室由于空氣污染、光源和監(jiān)測(cè)器老化等引起的非人為誤差，具有自動(dòng)選擇放大器增益功能。
7. 預(yù)熱時(shí)間：5-15分鐘（根據(jù)外界環(huán)境溫度）。
8. 響應(yīng)時(shí)間：顯示/模擬輸出小于1.0秒。
9. 采樣泵及頻率：整合式空氣采樣泵，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)采樣；10Hz，采樣數(shù)據(jù)每1.6秒平均后輸出。
10. 氣體流速：100-500cc/min， 推薦流速范圍300-350cc/min（cc/min與ml/min等值單位）。
11. 接線端口：12針輸入與輸出采用接口。
12. 模擬輸出：雙0-5V（CO2與H2O）；4-20mA（僅CO2）。
13. 數(shù)字輸出： USB（Mini型）以及針式RS232（報(bào)頭與接口）。
14. 環(huán)境傳感器輸入：?jiǎn)温穫鞲衅鬏斎胪ǖ溃?/span>0-1V）。
15. 電源供應(yīng)：6-18V直流。
16. 電能電耗：預(yù)熱階段8W（8V@1.0A）；正常運(yùn)行1.3W（12V@0.2A）。
17. 電路連接：USB（Mini-B型），12針可插拔接頭，2針電源輸入以及0.1英寸插針（12針）。
18. 主機(jī)氣路連接：兩路尖嘴接頭進(jìn)氣與出氣接頭，可接駁1/8英寸(0.125英寸)內(nèi)徑管路。
19. PCB類型歸類：FR-4
20. 操作環(huán)境：-20到50℃，非冷凝；在大氣環(huán)境較差地區(qū)，需要外部空氣過(guò)濾器。
21. 尺寸：12 cm L x3.5 cm H x 7.5 cm W（僅PCB主板）；
13 cm L x4.5 cm H x8 cm W（含外殼）。
22. 重量：小于 0.2Kg（僅PCB主板）；
小于 0.4Kg（含外殼）
控制箱
5：系統(tǒng)運(yùn)行原理圖:
6：帶自標(biāo)定功能的土壤CO2廓線流量圖
分析儀測(cè)法系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：
相較于人工法及傳感器分層埋入法，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
*使用一個(gè)分析儀分析多層數(shù)據(jù),沒(méi)有系統(tǒng)誤差
*可以更換其他測(cè)量要素分析儀,如果:N2O,CH4等梯度測(cè)量?jī)?nèi)容,更靈活的實(shí)驗(yàn).
*精度高,使用維護(hù)簡(jiǎn)單.整機(jī)比土壤呼吸系統(tǒng)簡(jiǎn)潔方便使用.
7:土壤CO2通量計(jì)算-菲克**定律
根據(jù)菲克**定律(Fick’s first law)，在（穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的情況下）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量Diffusion flux，用J表示）與該截面處的濃度梯度(Concentration gradient)成正比。土壤剖面CO2通量（μmol CO2 m?2s?1）即根據(jù)該定律求出，具體計(jì)算公式為：
J= -D(dC/dx)
其中D為CO2在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)(單位為m2/s，與土壤溫度、土壤體積含水量及土壤空隙度有關(guān))，C為深度為x（單位為m）的CO2濃度，dC/dx為濃度梯度，“–”號(hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较?，即擴(kuò)散由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。
系統(tǒng)的特點(diǎn)：
l 非擾動(dòng)原位持續(xù)測(cè)量土壤剖面CO2、水分、溫度（標(biāo)準(zhǔn)配置為3-8層可選），可通過(guò)菲克**定律求出土壤CO2通量（土壤呼吸），從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定原位監(jiān)測(cè)土壤呼吸
l 土壤三參數(shù)智能傳感器，精準(zhǔn)測(cè)量土壤水分和溫度和鹽度
l 透明或非透明土壤呼吸室法（備選）測(cè)量表層土壤呼吸，可用于補(bǔ)充、校準(zhǔn)或?qū)Ρ确治鐾寥榔拭?/span>CO2梯度測(cè)量數(shù)據(jù)
l 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，可隨時(shí)上網(wǎng)在線瀏覽、下載數(shù)據(jù)
l 交流蓄電池供電或太陽(yáng)能供電。
8：案例介紹
錫林浩特觀象臺(tái)土壤CO2實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)地概況
錫林浩特氣候?qū)俅箨懶园敫珊禋夂?，年平均氣溫?/span>1.5℃，一月份平均氣溫-18.3℃，七月份平均氣溫18.7℃，*高溫度35.9℃，*低氣溫-36.6℃，夏季涼爽宜人，是避暑的好地方。全年降雨量為365.1毫米，而且主要集中在7、8、9月份，約占全年降雨量的80%-90%。全年的無(wú)霜期104天，冬天有180天的冰雪期。
研究方法
錫林浩特觀象臺(tái)采用泵吸式傳感器吸氣多路分析法采樣深度設(shè)置在10cm、20cm、30cm、50cm。通過(guò)數(shù)采控制抽氣管路將4個(gè)采樣點(diǎn)的氣體抽入至GMP343傳感器進(jìn)行分析測(cè)得CO2氣體濃度，同時(shí)設(shè)置高精度的低，高兩個(gè)量程傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合土壤溫度數(shù)據(jù)及其它氣象數(shù)據(jù)分析對(duì)比研究。
數(shù)據(jù)處理與分析
本次數(shù)據(jù)處理截取7月中旬至9月初數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析：
土壤剖面CO2濃度分布特征
土壤剖面CO2濃度的季節(jié)動(dòng)態(tài)
土壤剖面CO2濃度晝夜分布特征
土壤剖面CO2濃度與土壤溫度相關(guān)性分析
土壤剖面CO2濃度變化與土壤CO2通量變化分析
土壤剖面CO2濃度分布特征
結(jié)論分析
觀測(cè)期間，土壤剖面CO2濃度的動(dòng)態(tài)變化如上圖所示。一般情況下，剖面CO2濃度呈現(xiàn)比較規(guī)律的上低下高分布特征，表層10cm處*低，隨著土層加深而明顯增加，50cm處通常比10cm處高將近2倍。
表層土壤孔隙發(fā)達(dá)，作物根系呼吸和微生物呼吸產(chǎn)生的CO2能夠快速擴(kuò)散、逸出土壤，而深層土壤容重大、孔隙度小限制了CO2擴(kuò)散，使其在較深土層積累較多，從而形成了土壤CO2濃度上地下高的剖面分布特征。
土壤剖面CO2濃度的季節(jié)動(dòng)態(tài)
結(jié)論分析
觀測(cè)期間，可以看出7月中旬至8月初土壤CO2濃度整體上升趨勢(shì)，至8月7日達(dá)到*高峰，然后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)
8月初是試驗(yàn)地雨水充足，牧草生長(zhǎng)*好，氣溫*高的時(shí)間也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，充足的雨水，高溫，促使牧草生長(zhǎng)良好，植被根系發(fā)達(dá)，根系呼吸多，同時(shí)也是土壤微生物大量繁殖生長(zhǎng)的時(shí)間，微生物呼吸葉顯著提高造成8月初土壤CO2濃度達(dá)到一個(gè)。
土壤剖面CO2濃度晝夜分布特征
結(jié)論分析
隨機(jī)選取8月31日凌晨至9月2日凌晨的數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：
土壤剖面CO2濃度變化趨勢(shì)基本一致，氣體濃度在白天12點(diǎn)附近達(dá)到*低值，然后逐漸升高，并在凌晨0點(diǎn)左右達(dá)到*高峰。同時(shí)不同土層的峰值時(shí)間又細(xì)微差價(jià)，隨著土層深度增加，土壤CO2濃度到達(dá)極值的時(shí)間會(huì)略微推后，10cm的CO2濃度相比20cm的CO2濃度在上升階段（12點(diǎn)至零點(diǎn)）會(huì)稍高，這是由于腐質(zhì)層微生物呼吸在物候增強(qiáng)的一種體現(xiàn)。
土壤剖面CO2濃度與土壤溫度相關(guān)性分析：
結(jié)論分析：
由上圖可知，土壤剖面CO2濃度隨土壤溫度的升高而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，整體來(lái)看，**中，土壤溫度升高階段（上午9點(diǎn)至16點(diǎn)）的CO2濃度低于土壤溫度降低階段（下午16點(diǎn)至次日8點(diǎn)）。
土壤CO2濃度主要來(lái)源于牧草根系呼吸排放的CO2，由此得出根系呼吸與土壤溫度呈現(xiàn)反相關(guān)，即土壤溫度對(duì)植物根系呼吸起到一定的抑制作用。
土壤剖面CO2濃度變化與土壤CO2通量變化分析：
結(jié)論分析
由上圖可知，土壤CO2排放量與土壤CO2濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著CO2濃度升高而增加，隨著CO2濃度降低而減少。這說(shuō)明監(jiān)測(cè)土壤剖面CO2濃度有著重要的意義，可以驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)中土壤根系呼吸及微生物呼吸的貢獻(xiàn)率。
9：參考文獻(xiàn)
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