1：系統(tǒng)介紹
植物根系呼吸和土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的氧化分解是土壤CO2的主要來源。土壤CO2形成之后，部分通過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和大氣碳庫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)）對土地利用方式的擾動和土壤有機(jī)碳含量。土壤CO2排放是CO2氣體在土壤中形成后通過擴(kuò)散作用像大氣運(yùn)移的過程。目前對土壤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)動態(tài)及其影響因素,有助于人們認(rèn)識土壤中CO2產(chǎn)生、累積、輸運(yùn)以及向大氣排放的生物和物理過程,制定和實(shí)施合理的農(nóng)作措施以改善作物生長環(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)測并不足以解釋土壤CO2生產(chǎn)過程，土壤剖面CO2垂直梯度研究越來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)測對于理解土壤CO2動態(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),沒有系統(tǒng)誤差。
l 可以更換其他測量要素分析儀,如果:N2O,CH4等梯度測量內(nèi)容,更靈活的實(shí)驗(yàn)。
l 精度高,使用維護(hù)簡單.整機(jī)比土壤呼吸系統(tǒng)簡潔方便使用。
3：分析儀測法系統(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信號過濾 | <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 | 相對濕度范圍 | 0~95%（非冷凝) | ||
| 輸出信號 | 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)，儀器便自動進(jìn)行校正，無需手動校正。
2. CO2測量范圍：八個(gè)量程供選擇（用戶需選擇一個(gè)測量范圍），讀數(shù)根據(jù)溫度與壓強(qiáng)自動更正。
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：定期自動調(diào)零，糾正樣品室由于空氣污染、光源和監(jiān)測器老化等引起的非人為誤差，具有自動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，通過編程實(shí)現(xiàn)動態(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：單路傳感器輸入通道（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),沒有系統(tǒng)誤差
*可以更換其他測量要素分析儀,如果:N2O,CH4等梯度測量內(nèi)容,更靈活的實(shí)驗(yàn).
*精度高,使用維護(hù)簡單.整機(jī)比土壤呼吸系統(tǒng)簡潔方便使用.
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 非擾動原位持續(xù)測量土壤剖面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)測土壤呼吸
l 土壤三參數(shù)智能傳感器，精準(zhǔn)測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梯度測量數(shù)據(jù)
l 無線數(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能供電。
8：案例介紹
錫林浩特觀象臺土壤CO2實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)地概況
錫林浩特氣候?qū)俅箨懶园敫珊禋夂颍昶骄鶜鉁貫?/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%。全年的無霜期104天，冬天有180天的冰雪期。
研究方法
錫林浩特觀象臺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)對比，結(jié)合土壤溫度數(shù)據(jù)及其它氣象數(shù)據(jù)分析對比研究。
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
觀測期間，土壤剖面CO2濃度的動態(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)動態(tài)
結(jié)論分析
觀測期間，可以看出7月中旬至8月初土壤CO2濃度整體上升趨勢，至8月7日達(dá)到*高峰，然后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢
8月初是試驗(yàn)地雨水充足，牧草生長*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，整體來看，**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。這說明監(jiān)測土壤剖面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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