土壤剖面CO2梯度监测系统(分析仪法)

1：系统介绍

植物根系呼吸和土壤微生物对有机质的氧化分解是土壤CO2的主要来源。土壤CO2形成之后，部分通过土壤呼吸作用排放到大气中，部分则参与土壤化学反应或者向下扩散到地下水中。碳循环的研究表明土壤呼吸是土壤碳库和大气碳库之间碳流通的主要的方式，据估计土壤CO2排放量在68PgCyr-1～100PgCyr-1之间。研究表明影响土壤CO2排放量的因素包括温度、湿度、植被类型、地表植被和地下微生物种群、土地利用方式变化或者外因（比如火灾）对土地利用方式的扰动和土壤有机碳含量。土壤CO2排放是CO2气体在土壤中形成后通过扩散作用像大气运移的过程。目前对土壤CO2浓度变化和土壤CO2排放量变化之间的关系的研究是科研关注的重点和热点。

The Carbon Balance碳循环

土壤剖面CO2浓度的分析研究：

土壤空气中CO2主要来源于土壤呼吸,其浓度主要决定于生物因素(植物根系、土壤微生物活性等)和环境因素(土壤温度、含水量等。研究了解土壤空气CO2浓度剖面分布、季节动态及其影响因素,有助于人们认识土壤中CO2产生、累积、输运以及向大气排放的生物和物理过程,制定和实施合理的农作措施以改善作物生长环境和减少土壤向大气排放的CO2。

土壤CO₂通量研究很多，但这些监测并不足以解释土壤CO₂生产过程，土壤剖面CO₂垂直梯度研究越来越成为土壤呼吸乃至生态系统碳循环研究的热点。土壤不同层面（深度）CO₂生产的持续监测对于理解土壤CO₂动态极为重要，可以阐明由土壤到大气CO₂通量随季节、光照、温度、湿度及土壤特性的变化特征。

分析仪/泵吸式传感器吸气多路分析法：利用一个多路控制器，通过抽气防水，把多层数据抽入分析仪进行分析

2：系统优点：

l 使用一个分析仪分析多层数据,没有系统误差。

l 可以更换其他测量要素分析仪,如果:N₂O,CH₄等梯度测量内容,更灵活的实验。

l 精度高,使用维护简单.整机比土壤呼吸系统简洁方便使用。

3：分析仪测法系统组成：

数据采集单元CR1000X

CO2/H20分析仪：LI840A分析仪/SBA-5分析仪

SDMCD16AC多路阀及循环泵控制器

过滤装置、抽气泵

通讯单元、数据处理软件

4：系统主要设备介绍

LI-840A CO₂/H₂O分析仪

技术指标

SBA-5 CO₂气体监测仪

技术指标:

1. 分析仪：非色散红外线气体分析仪与微芯片控制的线形化微处理器。红外仪具有PP SYSTEMS公司的“自动调零“砖利技术，当外界环境变化引起仪器零点有漂移时，仪器便自动进行校正，无需手动校正。

2. CO₂测量范围：八个量程供选择（用户需选择一个测量范围），读数根据温度与压强自动更正。

标准量程：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精准度：1000ppm±0.1%，2000ppm±0.1%，，5000ppm±0.5%，程范围内，优于读数的1%

4. CO₂线性规整度：量程范围内，优于读数的1%

5. 压力补偿：80 kPa -115kPa

6. 稳定性：定期自动调零，纠正样品室由于空气污染、光源和监测器老化等引起的非人为误差，具有自动选择放大器增益功能。

7. 预热时间：5-15分钟（根据外界环境温度）。

8. 响应时间：显示/模拟输出小于1.0秒。

9. 采样泵及频率：整合式空气采样泵，通过编程实现动态以及静态采样；10Hz，采样数据每1.6秒平均后输出。

10. 气体流速：100-500cc/min， 推荐流速范围300-350cc/min（cc/min与ml/min等值单位）。

11. 接线端口：12针输入与输出采用接口。

12. 模拟输出：双0-5V（CO2与H2O）；4-20mA（仅CO2）。

13. 数字输出： USB（Mini型）以及针式RS232（报头与接口）。

14. 环境传感器输入：单路传感器输入通道（0-1V）。

15. 电源供应：6-18V直流。

16. 电能电耗：预热阶段8W（8V@1.0A）；正常运行1.3W（12V@0.2A）。

17. 电路连接：USB（Mini-B型），12针可插拔接头，2针电源输入以及0.1英寸插针（12针）。

18. 主机气路连接：两路尖嘴接头进气与出气接头，可接驳1/8英寸(0.125英寸)内径管路。

19. PCB类型归类：FR-4

20. 操作环境：-20到50℃，非冷凝；在大气环境较差地区，需要外部空气过滤器。

21. 尺寸：12 cm L x3.5 cm H x 7.5 cm W（仅PCB主板）；

          13 cm L x4.5 cm H x8 cm W（含外壳）。

22. 重量：小于 0.2Kg（仅PCB主板）；

          小于 0.4Kg（含外壳）

控制箱

5：系统运行原理图:

     6：带自标定功能的土壤CO2廓线流量图

分析仪测法系统优点：

相较于人工法及传感器分层埋入法，该系统具有如下优点：

*使用一个分析仪分析多层数据,没有系统误差

*可以更换其他测量要素分析仪,如果:N2O,CH4等梯度测量内容,更灵活的实验.

*精度高,使用维护简单.整机比土壤呼吸系统简洁方便使用.

7:土壤CO2通量计算-菲克**定律

根据菲克**定律(Fick’s first law)，在（稳态扩散的情况下）单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比。土壤剖面CO₂通量（μmol CO2 m⁻²s⁻¹）即根据该定律求出，具体计算公式为：

J= -D(dC/dx)

其中D为CO2在土壤中的扩散系数(单位为m²/s，与土壤温度、土壤体积含水量及土壤空隙度有关)，C为深度为x（单位为m）的CO2浓度，dC/dx为浓度梯度，“–"号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散由高浓度区向低浓度区扩散。

系统的特点：

l 非扰动原位持续测量土壤剖面CO₂、水分、温度（标准配置为3-8层可选），可通过菲克**定律求出土壤CO₂通量（土壤呼吸），从而实现连续稳定原位监测土壤呼吸

l 土壤三参数智能传感器，精准测量土壤水分和温度和盐度

l 透明或非透明土壤呼吸室法（备选）测量表层土壤呼吸，可用于补充、校准或对比分析土壤剖面CO₂梯度测量数据

l 无线数据传输，可随时上网在线浏览、下载数据

l 交流蓄电池供电或太阳能供电。

8：案例介绍

锡林浩特观象台土壤CO2实验

试验地概况

锡林浩特气候属大陆性半干旱气候，年平均气温为1.5℃，一月份平均气温-18.3℃，七月份平均气温18.7℃，*高温度35.9℃，*低气温-36.6℃，夏季凉爽宜人，是避暑的好地方。全年降雨量为365.1毫米，而且主要集中在7、8、9月份，约占全年降雨量的80%-90%。全年的无霜期104天，冬天有180天的冰雪期。

研究方法

锡林浩特观象台采用泵吸式传感器吸气多路分析法采样深度设置在10cm、20cm、30cm、50cm。通过数采控制抽气管路将4个采样点的气体抽入至GMP343传感器进行分析测得CO2气体浓度，同时设置高精度的低，高两个量程传感器进行数据对比，结合土壤温度数据及其它气象数据分析对比研究。

数据处理与分析

本次数据处理截取7月中旬至9月初数据进行处理分析，主要从以下几点进行分析：

土壤剖面CO2浓度分布特征

土壤剖面CO2浓度的季节动态

土壤剖面CO2浓度昼夜分布特征

土壤剖面CO2浓度与土壤温度相关性分析

土壤剖面CO2浓度变化与土壤CO2通量变化分析

土壤剖面CO2浓度分布特征

结论分析

观测期间，土壤剖面CO2浓度的动态变化如上图所示。一般情况下，剖面CO2浓度呈现比较规律的上低下高分布特征，表层10cm处*低，随着土层加深而明显增加，50cm处通常比10cm处高将近2倍。

表层土壤孔隙发达，作物根系呼吸和微生物呼吸产生的CO2能够快速扩散、逸出土壤，而深层土壤容重大、孔隙度小限制了CO2扩散，使其在较深土层积累较多，从而形成了土壤CO2浓度上地下高的剖面分布特征。

土壤剖面CO2浓度的季节动态

结论分析

观测期间，可以看出7月中旬至8月初土壤CO2浓度整体上升趋势，至8月7日达到*高峰，然后呈现缓慢下降趋势

8月初是试验地雨水充足，牧草生长*好，气温*高的时间也是一个节点，充足的雨水，高温，促使牧草生长良好，植被根系发达，根系呼吸多，同时也是土壤微生物大量繁殖生长的时间，微生物呼吸叶显著提高造成8月初土壤CO2浓度达到一个。

土壤剖面CO2浓度昼夜分布特征

结论分析

随机选取8月31日凌晨至9月2日凌晨的数据我们不难发现如下规律：

土壤剖面CO2浓度变化趋势基本一致，气体浓度在白天12点附近达到*低值，然后逐渐升高，并在凌晨0点左右达到*高峰。同时不同土层的峰值时间又细微差价，随着土层深度增加，土壤CO2浓度到达极值的时间会略微推后，10cm的CO2浓度相比20cm的CO2浓度在上升阶段（12点至零点）会稍高，这是由于腐质层微生物呼吸在物候增强的一种体现。

土壤剖面CO2浓度与土壤温度相关性分析：

结论分析：

由上图可知，土壤剖面CO2浓度随土壤温度的升高而呈现递减趋势，整体来看，**中，土壤温度升高阶段（上午9点至16点）的CO2浓度低于土壤温度降低阶段（下午16点至次日8点）。

土壤CO2浓度主要来源于牧草根系呼吸排放的CO2，由此得出根系呼吸与土壤温度呈现反相关，即土壤温度对植物根系呼吸起到一定的抑制作用。

土壤剖面CO2浓度变化与土壤CO2通量变化分析：

结论分析

由上图可知，土壤CO2排放量与土壤CO2浓度呈现正相关关系，随着CO2浓度升高而增加，随着CO2浓度降低而减少。这说明监测土壤剖面CO2浓度有着重要的意义，可以验证生态系统C循环中土壤根系呼吸及微生物呼吸的贡献率。

9：参考文献

 [ 1] 杨玉盛, 董 彬, 谢锦升, 等. 森林土壤呼吸及其对变化的

响应[ J] . 生态学报, 2004, 24( 3) : 583-591.

[ 2] Widen B, Majdi H. Soil CO2 efflux and root respirat ion at three sites

in a mixed pine and spruce forest: seasonal and diurnal variat ion[ J] .

Canadian Journal of Forest Research-Revue Canadienne De Recherche

Forest iere, 2001, 31: 786-796.