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(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擴(kuò)散作用像大氣運(yùn)移的過程。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(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(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)

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(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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