土壤剖面CO2梯度監測系統(分析儀法)

1：系統介紹

植物根系呼吸和土壤微生物對有機質的氧化分解是土壤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反應或者向下擴散到地下水中。碳循環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，據估計土壤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）對土地利用方式的擾動和土壤有機碳含量。土壤CO2排放是CO2氣體在土壤中形成后通過擴散作用像大氣運移的過程。目前對土壤CO2濃度變化和土壤CO2排放量變化之間的關系的研究是科研關注的重點和熱點。

The Carbon Balance碳循環

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、季節動態及其影響因素,有助于人們認識土壤中CO2產生、累積、輸運以及向大氣排放的生物和物理過程,制定和實施合理的農作措施以改善作物生長環境和減少土壤向大氣排放的CO2。

土壤CO₂通量研究很多，但這些監測并不足以解釋土壤CO₂生產過程，土壤剖面CO₂垂直梯度研究越來越成為土壤呼吸乃至生態系統碳循環研究的熱點。土壤不同層面（深度）CO₂生產的持續監測對于理解土壤CO₂動態極為重要，可以闡明由土壤到大氣CO₂通量隨季節、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：利用一個多路控制器，通過抽氣防水，把多層數據抽入分析儀進行分析

2：系統優點：

l 使用一個分析儀分析多層數據,沒有系統誤差。

l 可以更換其他測量要素分析儀,如果:N₂O,CH₄等梯度測量內容,更靈活的實驗。

l 精度高,使用維護簡單.整機比土壤呼吸系統簡潔方便使用。

3：分析儀測法系統組成：

數據采集單元CR1000X

CO2/H20分析儀：LI840A分析儀/SBA-5分析儀

SDMCD16AC多路閥及循環泵控制器

過濾裝置、抽氣泵

通訊單元、數據處理軟件

4：系統主要設備介紹

LI-840A CO₂/H₂O分析儀

技術指標

SBA-5 CO₂氣體監測儀

技術指標:

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“自動調零“磚利技術，當外界環境變化引起儀器零點有漂移時，儀器便自動進行校正，無需手動校正。

2. CO₂測量范圍：八個量程供選擇（用戶需選擇一個測量范圍），讀數根據溫度與壓強自動更正。

標準量程：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精準度：1000ppm±0.1%，2000ppm±0.1%，，5000ppm±0.5%，程范圍內，優于讀數的1%

4. CO₂線性規整度：量程范圍內，優于讀數的1%

5. 壓力補償：80 kPa -115kPa

6. 穩定性：定期自動調零，糾正樣品室由于空氣污染、光源和監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. 預熱時間：5-15分鐘（根據外界環境溫度）。

8. 響應時間：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，通過編程實現動態以及靜態采樣；10Hz，采樣數據每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. 數字輸出： USB（Mini型）以及針式RS232（報頭與接口）。

14. 環境傳感器輸入：單路傳感器輸入通道（0-1V）。

15. 電源供應：6-18V直流。

16. 電能電耗：預熱階段8W（8V@1.0A）；正常運行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. 主機氣路連接：兩路尖嘴接頭進氣與出氣接頭，可接駁1/8英寸(0.125英寸)內徑管路。

19. PCB類型歸類：FR-4

20. 操作環境：-20到50℃，非冷凝；在大氣環境較差地區，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：系統運行原理圖:

     6：帶自標定功能的土壤CO2廓線流量圖

分析儀測法系統優點：

相較于人工法及傳感器分層埋入法，該系統具有如下優點：

*使用一個分析儀分析多層數據,沒有系統誤差

*可以更換其他測量要素分析儀,如果:N2O,CH4等梯度測量內容,更靈活的實驗.

*精度高,使用維護簡單.整機比土壤呼吸系統簡潔方便使用.

7:土壤CO2通量計算-菲克**定律

根據菲克**定律(Fick’s first law)，在（穩態擴散的情況下）單位時間內通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質流量（稱為擴散通量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）即根據該定律求出，具體計算公式為：

J= -D(dC/dx)

其中D為CO2在土壤中的擴散系數(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)，C為深度為x（單位為m）的CO2濃度，dC/dx為濃度梯度，“–"號表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散由高濃度區向低濃度區擴散。

系統的特點：

l 非擾動原位持續測量土壤剖面CO₂、水分、溫度（標準配置為3-8層可選），可通過菲克**定律求出土壤CO₂通量（土壤呼吸），從而實現連續穩定原位監測土壤呼吸

l 土壤三參數智能傳感器，精準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，可用于補充、校準或對比分析土壤剖面CO₂梯度測量數據

l 無線數據傳輸，可隨時上網在線瀏覽、下載數據

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實驗

試驗地概況

錫林浩特氣候屬大陸性半干旱氣候，年平均氣溫為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置在10cm、20cm、30cm、50cm。通過數采控制抽氣管路將4個采樣點的氣體抽入至GMP343傳感器進行分析測得CO2氣體濃度，同時設置高精度的低，高兩個量程傳感器進行數據對比，結合土壤溫度數據及其它氣象數據分析對比研究。

數據處理與分析

本次數據處理截取7月中旬至9月初數據進行處理分析，主要從以下幾點進行分析：

土壤剖面CO2濃度分布特征

土壤剖面CO2濃度的季節動態

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

結論分析

觀測期間，土壤剖面CO2濃度的動態變化如上圖所示。一般情況下，剖面CO2濃度呈現比較規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。

表層土壤孔隙發達，作物根系呼吸和微生物呼吸產生的CO2能夠快速擴散、逸出土壤，而深層土壤容重大、孔隙度小限制了CO2擴散，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濃度的季節動態

結論分析

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日達到*高峰，然后呈現緩慢下降趨勢

8月初是試驗地雨水充足，牧草生長*好，氣溫*高的時間也是一個節點，充足的雨水，高溫，促使牧草生長良好，植被根系發達，根系呼吸多，同時也是土壤微生物大量繁殖生長的時間，微生物呼吸葉顯著提高造成8月初土壤CO2濃度達到一個。

土壤剖面CO2濃度晝夜分布特征

結論分析

隨機選取8月31日凌晨至9月2日凌晨的數據我們不難發現如下規律：

土壤剖面CO2濃度變化趨勢基本一致，氣體濃度在白天12點附近達到*低值，然后逐漸升高，并在凌晨0點左右達到*高峰。同時不同土層的峰值時間又細微差價，隨著土層深度增加，土壤CO2濃度到達極值的時間會略微推后，10cm的CO2濃度相比20cm的CO2濃度在上升階段（12點至零點）會稍高，這是由于腐質層微生物呼吸在物候增強的一種體現。

土壤剖面CO2濃度與土壤溫度相關性分析：

結論分析：

由上圖可知，土壤剖面CO2濃度隨土壤溫度的升高而呈現遞減趨勢，整體來看，**中，土壤溫度升高階段（上午9點至16點）的CO2濃度低于土壤溫度降低階段（下午16點至次日8點）。

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反相關，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：

結論分析

由上圖可知，土壤CO2排放量與土壤CO2濃度呈現正相關關系，隨著CO2濃度升高而增加，隨著CO2濃度降低而減少。這說明監測土壤剖面CO2濃度有著重要的意義，可以驗證生態系統C循環中土壤根系呼吸及微生物呼吸的貢獻率。

9：參考文獻

 [ 1] 楊玉盛, 董 彬, 謝錦升, 等. 森林土壤呼吸及其對變化的

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