土(tu)壤剖面(mian)CO2梯(ti)度(du)監(jian)測系(xi)統(分析儀法)

1：系(xi)統介(jie)紹(shao)

植(zhi)物根(gen)系(xi)呼吸(xi)和土(tu)壤微生物對有機質的(de)氧(yang)化分解是(shi)土(tu)壤CO2的(de)主(zhu)要來源。土(tu)壤CO2形(xing)成(cheng)之後，部(bu)分通過土(tu)壤呼吸作(zuo)用排放(fang)到(dao)大氣(qi)中(zhong)，部(bu)分則參(can)與土(tu)壤化學(xue)反應(ying)或者向下(xia)擴散到(dao)地下水中(zhong)。碳循(xun)環的(de)研(yan)究表明(ming)土(tu)壤呼吸是(shi)土(tu)壤碳庫和(he)大(da)氣碳庫之間(jian)碳流(liu)通的(de)主(zhu)要的(de)方(fang)式(shi)，據估計(ji)土(tu)壤CO2排放(fang)量在(zai)68PgCyr-1～100PgCyr-1之間(jian)。研(yan)究表明(ming)影(ying)響土(tu)壤CO2排放(fang)量的(de)因素包括溫度(du)、濕(shi)度(du)、植被類(lei)型、地表植(zhi)被和(he)地下微(wei)生物種群(qun)、土(tu)地利用方(fang)式(shi)變(bian)化或(huo)者外(wai)因（比如(ru)火災）對土(tu)地利用方(fang)式(shi)的(de)擾動(dong)和土(tu)壤有機碳含量。土(tu)壤CO2排放(fang)是(shi)CO2氣(qi)體在(zai)土(tu)壤中(zhong)形(xing)成(cheng)後(hou)通(tong)過擴散作(zuo)用像(xiang)大(da)氣運(yun)移的(de)過程。目前(qian)對土(tu)壤CO2濃度(du)變(bian)化和(he)土(tu)壤CO2排放(fang)量變(bian)化之間(jian)的(de)關(guan)系(xi)的(de)研(yan)究是科研關(guan)註的(de)重點(dian)和(he)熱(re)點(dian)。

The Carbon Balance碳循(xun)環

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)的(de)分析研究：

土(tu)壤空氣中(zhong)CO2主(zhu)要來源於(yu)土(tu)壤呼吸,其濃度(du)主要決定於生(sheng)物因素(植(zhi)物根(gen)系(xi)、土(tu)壤微生物活(huo)性(xing)等(deng))和(he)環(huan)境因素(土(tu)壤溫度(du)、含水量等(deng)。研(yan)究了(le)解土(tu)壤空氣CO2濃度(du)剖面(mian)分布(bu)、季(ji)節(jie)動態及其影(ying)響因素,有(you)助(zhu)於人(ren)們(men)認(ren)識(shi)土(tu)壤中(zhong)CO2產(chan)生(sheng)、累積(ji)、輸(shu)運(yun)以及(ji)向大(da)氣(qi)排放(fang)的(de)生(sheng)物和(he)物理(li)過程,制(zhi)定和實施合(he)理(li)的(de)農(nong)作措(cuo)施以(yi)改善(shan)作物生(sheng)長(chang)環境(jing)和減少土(tu)壤向大氣(qi)排放(fang)的(de)CO2。

土(tu)壤CO₂通(tong)量研究很(hen)多，但(dan)這(zhe)些(xie)監(jian)測並不(bu)足(zu)以解釋土(tu)壤CO₂生(sheng)產(chan)過程，土(tu)壤剖面(mian)CO₂垂(chui)直梯度(du)研究越(yue)來越(yue)成為土(tu)壤呼吸乃(nai)至(zhi)生(sheng)態(tai)系(xi)統碳循(xun)環研(yan)究的(de)熱(re)點(dian)。土(tu)壤不(bu)同(tong)層面(mian)（深度(du)）CO₂生(sheng)產(chan)的(de)持(chi)續監(jian)測對於理(li)解(jie)土(tu)壤CO₂動(dong)態(tai)極為(wei)重要，可以(yi)闡(chan)明由土(tu)壤到大氣(qi)CO₂通(tong)量隨(sui)季(ji)節(jie)、光(guang)照(zhao)、溫度(du)、濕(shi)度(du)及土(tu)壤特(te)性(xing)的(de)變(bian)化特(te)征。

分析儀/泵吸(xi)式(shi)傳感器(qi)吸氣(qi)多路(lu)分析法：利(li)用壹個多路(lu)控(kong)制器(qi)，通過抽氣(qi)防水，把(ba)多(duo)層數(shu)據抽(chou)入分析儀進(jin)行分析

2：系(xi)統優點(dian)：

l 使(shi)用壹個分析儀分析多層(ceng)數(shu)據,沒(mei)有系(xi)統誤差(cha)。

l 可(ke)以(yi)更換其他(ta)測量要素分析儀,如(ru)果:N₂O,CH₄等(deng)梯(ti)度(du)測量內容,更(geng)靈活(huo)的(de)實驗(yan)。

l 精(jing)度(du)高,使用維護(hu)簡(jian)單(dan).整(zheng)機比土(tu)壤呼吸系(xi)統簡潔方(fang)便使用。

3：分析儀測法(fa)系(xi)統組成(cheng)：

數(shu)據采集單(dan)元(yuan)CR1000X

CO2/H20分析儀：LI840A分析儀/SBA-5分析儀

SDMCD16AC多(duo)路(lu)閥及循(xun)環泵(beng)控(kong)制器(qi)

過濾裝(zhuang)置、抽氣(qi)泵

通(tong)訊(xun)單(dan)元(yuan)、數(shu)據處(chu)理(li)軟(ruan)件(jian)

4：系(xi)統主要設備介(jie)紹(shao)

LI-840A CO₂/H₂O分析儀

技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)

SBA-5 CO₂氣(qi)體監(jian)測儀

技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao):

1. 分析儀：非色(se)散紅(hong)外(wai)線氣體分析儀與微(wei)芯(xin)片(pian)控(kong)制的(de)線形(xing)化微(wei)處理(li)器(qi)。紅(hong)外(wai)儀具有(you)PP SYSTEMS公(gong)司(si)的(de)“自(zi)動(dong)調零(ling)“磚(zhuan)利(li)技(ji)術(shu)，當(dang)外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)變(bian)化引(yin)起儀器(qi)零(ling)點(dian)有(you)漂移時，儀器(qi)便自動(dong)進(jin)行校正(zheng)，無(wu)需(xu)手動(dong)校(xiao)正(zheng)。

2. CO₂測量範圍(wei)：八個量程供選(xuan)擇(ze)（用戶需選擇(ze)壹個測量範圍(wei)），讀數(shu)根(gen)據溫度(du)與壓強(qiang)自動(dong)更(geng)正(zheng)。

標(biao)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(gao) 量 程：0~50000 ppm（µmol mol^-1），0~100000 ppm（µmol mol^-1）

3. CO₂精(jing)準度(du)：1000ppm±0.1%，2000ppm±0.1%，，5000ppm±0.5%，程範圍(wei)內，優(you)於(yu)讀數(shu)的(de)1%

4. CO₂線性(xing)規(gui)整(zheng)度(du)：量程範圍(wei)內，優(you)於(yu)讀數(shu)的(de)1%

5. 壓(ya)力(li)補償(chang)：80 kPa -115kPa

6. 穩(wen)定性(xing)：定期自(zi)動(dong)調零(ling)，糾正樣(yang)品(pin)室(shi)由(you)於空(kong)氣(qi)汙染、光(guang)源(yuan)和監(jian)測器(qi)老化等(deng)引(yin)起(qi)的(de)非(fei)人(ren)為(wei)誤差(cha)，具有(you)自(zi)動(dong)選擇(ze)放(fang)大器(qi)增益(yi)功能。

7. 預(yu)熱(re)時間(jian)：5-15分鐘（根據外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)溫度(du)）。

8. 響(xiang)應(ying)時間(jian)：顯示(shi)/模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)小於1.0秒。

9. 采樣(yang)泵及(ji)頻(pin)率：整合式(shi)空(kong)氣(qi)采樣(yang)泵，通(tong)過編程實現(xian)動態(tai)以及(ji)靜態采樣(yang)；10Hz，采樣(yang)數(shu)據每(mei)1.6秒平均(jun)後輸(shu)出(chu)。

10. 氣(qi)體流(liu)速：100-500cc/min， 推薦(jian)流速範圍(wei)300-350cc/min（cc/min與ml/min等(deng)值(zhi)單(dan)位(wei)）。

11. 接線端口(kou)：12針(zhen)輸(shu)入與輸(shu)出(chu)采用接口(kou)。

12. 模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)：雙(shuang)0-5V（CO2與H2O）；4-20mA（僅(jin)CO2）。

13. 數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)： USB（Mini型）以(yi)及(ji)針(zhen)式(shi)RS232（報(bao)頭(tou)與(yu)接口(kou)）。

14. 環(huan)境(jing)傳感器(qi)輸(shu)入：單(dan)路(lu)傳感器(qi)輸(shu)入通道(dao)（0-1V）。

15. 電(dian)源(yuan)供應(ying)：6-18V直(zhi)流。

16. 電(dian)能電(dian)耗(hao)：預(yu)熱(re)階段(duan)8W（[email protected]）；正(zheng)常(chang)運(yun)行1.3W（[email protected]）。

17. 電(dian)路(lu)連(lian)接：USB（Mini-B型），12針(zhen)可(ke)插拔接頭(tou)，2針(zhen)電(dian)源(yuan)輸(shu)入以及0.1英(ying)寸(cun)插針(zhen)（12針(zhen)）。

18. 主(zhu)機氣路(lu)連(lian)接：兩路(lu)尖嘴(zui)接頭(tou)進(jin)氣(qi)與出(chu)氣(qi)接頭(tou)，可接駁(bo)1/8英(ying)寸(cun)(0.125英(ying)寸(cun))內徑管(guan)路(lu)。

19. PCB類(lei)型歸類(lei)：FR-4

20. 操(cao)作環(huan)境(jing)：-20到(dao)50℃，非冷凝(ning)；在(zai)大氣(qi)環境較差地區，需(xu)要外(wai)部(bu)空(kong)氣過濾器(qi)。

21. 尺(chi)寸：12 cm L x3.5 cm H x 7.5 cm W（僅(jin)PCB主(zhu)板）；

          13 cm L x4.5 cm H x8 cm W（含外(wai)殼(ke)）。

22. 重量：小於 0.2Kg（僅PCB主(zhu)板）；

          小於 0.4Kg（含外(wai)殼(ke)）

控(kong)制箱(xiang)

5：系(xi)統運(yun)行原理(li)圖:

     6：帶(dai)自(zi)標(biao)定功能的(de)土(tu)壤CO2廓線流量圖

分析儀測法(fa)系(xi)統優點(dian)：

相較於(yu)人(ren)工(gong)法(fa)及(ji)傳感器(qi)分層埋(mai)入法(fa)，該系(xi)統具有(you)如(ru)下優點(dian)：

*使(shi)用壹個分析儀分析多層(ceng)數(shu)據,沒(mei)有系(xi)統誤差(cha)

*可(ke)以(yi)更換其他(ta)測量要素分析儀,如(ru)果:N2O,CH4等(deng)梯(ti)度(du)測量內容,更(geng)靈活(huo)的(de)實驗(yan).

*精(jing)度(du)高,使用維護(hu)簡(jian)單(dan).整(zheng)機比土(tu)壤呼吸系(xi)統簡潔方(fang)便使用.

7:土(tu)壤CO2通(tong)量計(ji)算(suan)-菲(fei)克(ke)**定律

根(gen)據菲(fei)克(ke)**定律(Fick’s first law)，在(zai)（穩(wen)態(tai)擴(kuo)散的(de)情(qing)況(kuang)下）單(dan)位(wei)時間(jian)內(nei)通(tong)過垂(chui)直於擴(kuo)散方(fang)向的(de)單(dan)位(wei)截面(mian)積的(de)擴(kuo)散物質流(liu)量（稱為(wei)擴(kuo)散通(tong)量Diffusion flux，用J表示(shi)）與(yu)該截面(mian)處的(de)濃度(du)梯度(du)(Concentration gradient)成(cheng)正(zheng)比。土(tu)壤剖面(mian)CO₂通(tong)量（μmol CO2 m⁻²s⁻¹）即(ji)根(gen)據該定律求(qiu)出(chu)，具體計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)為(wei)：

J= -D(dC/dx)

其中(zhong)D為(wei)CO2在(zai)土(tu)壤中(zhong)的(de)擴(kuo)散系(xi)數(shu)(單(dan)位(wei)為m²/s，與(yu)土(tu)壤溫度(du)、土(tu)壤體積(ji)含水量及土(tu)壤空隙(xi)度(du)有關(guan))，C為深度(du)為x（單(dan)位(wei)為m）的(de)CO2濃度(du)，dC/dx為(wei)濃度(du)梯度(du)，“–"號表示(shi)擴(kuo)散方(fang)向為(wei)濃度(du)梯度(du)的(de)反(fan)方(fang)向，即(ji)擴(kuo)散由(you)高濃度(du)區向低濃度(du)區擴散。

系(xi)統的(de)特(te)點(dian)：

l 非(fei)擾動(dong)原位持(chi)續測量土(tu)壤剖面(mian)CO₂、水分、溫度(du)（標(biao)準配置為3-8層(ceng)可選），可通(tong)過菲克(ke)**定律求(qiu)出(chu)土(tu)壤CO₂通(tong)量（土(tu)壤呼吸），從(cong)而實現(xian)連(lian)續穩(wen)定原位監(jian)測土(tu)壤呼吸

l 土(tu)壤三參數(shu)智(zhi)能傳感器(qi)，精(jing)準測量土(tu)壤水分和溫度(du)和鹽度(du)

l 透(tou)明或(huo)非透(tou)明土(tu)壤呼吸室(shi)法(fa)（備選(xuan)）測量表層(ceng)土(tu)壤呼吸，可(ke)用於(yu)補充(chong)、校準(zhun)或對比分析土(tu)壤剖面(mian)CO₂梯(ti)度(du)測量數(shu)據

l 無(wu)線數(shu)據傳輸(shu)，可隨(sui)時上(shang)網(wang)在(zai)線瀏覽、下載(zai)數(shu)據

l 交(jiao)流(liu)蓄電(dian)池(chi)供電(dian)或(huo)太(tai)陽(yang)能供電(dian)。

8：案(an)例介(jie)紹(shao)

錫(xi)林(lin)浩特(te)觀(guan)象(xiang)臺(tai)土(tu)壤CO2實驗(yan)

試(shi)驗(yan)地概況(kuang)

錫(xi)林(lin)浩特(te)氣候屬大(da)陸(lu)性(xing)半(ban)幹旱氣候，年(nian)平均(jun)氣溫為(wei)1.5℃，壹月份(fen)平均(jun)氣溫-18.3℃，七(qi)月(yue)份(fen)平均(jun)氣溫18.7℃，*高(gao)溫度(du)35.9℃，*低氣(qi)溫-36.6℃，夏(xia)季(ji)涼(liang)爽宜(yi)人(ren)，是(shi)避暑(shu)的(de)好(hao)地方(fang)。全年(nian)降雨(yu)量為365.1毫(hao)米(mi)，而且主(zhu)要集中(zhong)在(zai)7、8、9月(yue)份(fen)，約占全(quan)年(nian)降雨(yu)量的(de)80%-90%。全(quan)年(nian)的(de)無(wu)霜(shuang)期104天，冬天有180天的(de)冰(bing)雪期。

研(yan)究方(fang)法

錫(xi)林(lin)浩特(te)觀(guan)象(xiang)臺(tai)采用泵(beng)吸(xi)式(shi)傳感器(qi)吸氣(qi)多路(lu)分析法采樣(yang)深度(du)設置在(zai)10cm、20cm、30cm、50cm。通過數(shu)采控(kong)制抽(chou)氣管(guan)路(lu)將4個采樣(yang)點(dian)的(de)氣(qi)體抽(chou)入(ru)至GMP343傳感器(qi)進(jin)行分析測得(de)CO2氣(qi)體濃度(du)，同(tong)時設置高精(jing)度(du)的(de)低，高(gao)兩個量程傳感器(qi)進(jin)行數(shu)據對比，結合土(tu)壤溫度(du)數(shu)據及(ji)其它氣象(xiang)數(shu)據分析對比研(yan)究。

數(shu)據處(chu)理(li)與(yu)分析

本(ben)次數(shu)據處(chu)理(li)截(jie)取(qu)7月(yue)中(zhong)旬至(zhi)9月(yue)初(chu)數(shu)據進(jin)行處理(li)分析，主要從以(yi)下(xia)幾(ji)點(dian)進(jin)行分析：

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)分布(bu)特(te)征

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)的(de)季(ji)節(jie)動態

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)晝夜分布(bu)特(te)征

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)與土(tu)壤溫度(du)相關(guan)性(xing)分析

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)變(bian)化與(yu)土(tu)壤CO2通量變(bian)化分析

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)分布(bu)特(te)征

結論分析

觀(guan)測期間(jian)，土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)的(de)動(dong)態(tai)變(bian)化如(ru)上(shang)圖所示(shi)。壹般情況(kuang)下，剖面(mian)CO2濃度(du)呈現(xian)比較(jiao)規(gui)律(lv)的(de)上(shang)低下(xia)高(gao)分布(bu)特(te)征，表層(ceng)10cm處*低，隨(sui)著土(tu)層加深而明顯增加，50cm處(chu)通(tong)常比(bi)10cm處(chu)高將近(jin)2倍(bei)。

表層(ceng)土(tu)壤孔隙(xi)發(fa)達，作物根(gen)系(xi)呼吸(xi)和微(wei)生(sheng)物呼(hu)吸(xi)產生(sheng)的(de)CO2能夠(gou)快速擴散、逸(yi)出(chu)土(tu)壤，而深層土(tu)壤容重大、孔隙(xi)度(du)小限制了(le)CO2擴散，使(shi)其在(zai)較深土(tu)層積(ji)累較(jiao)多，從而形(xing)成(cheng)了(le)土(tu)壤CO2濃度(du)上(shang)地下高(gao)的(de)剖面(mian)分布(bu)特(te)征。

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)的(de)季(ji)節(jie)動態

結論分析

觀(guan)測期間(jian)，可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)7月(yue)中(zhong)旬至(zhi)8月初土(tu)壤CO2濃度(du)整體上(shang)升趨勢(shi)，至(zhi)8月7日達到*高峰，然後呈現(xian)緩慢(man)下降(jiang)趨勢(shi)

8月(yue)初(chu)是試(shi)驗(yan)地雨水充(chong)足(zu)，牧(mu)草生(sheng)長*好，氣溫*高(gao)的(de)時間(jian)也(ye)是(shi)壹個節點(dian)，充(chong)足(zu)的(de)雨(yu)水，高(gao)溫，促(cu)使(shi)牧(mu)草生(sheng)長良好，植(zhi)被根(gen)系(xi)發達，根系(xi)呼吸(xi)多，同(tong)時也(ye)是(shi)土(tu)壤微生物大(da)量繁(fan)殖生(sheng)長(chang)的(de)時間(jian)，微(wei)生(sheng)物呼(hu)吸(xi)葉(ye)顯著提高造(zao)成8月(yue)初(chu)土(tu)壤CO2濃度(du)達到壹個。

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)晝夜分布(bu)特(te)征

結論分析

隨(sui)機選取8月31日(ri)淩晨至(zhi)9月(yue)2日淩晨的(de)數(shu)據我(wo)們(men)不(bu)難(nan)發(fa)現(xian)如(ru)下規(gui)律(lv)：

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)變(bian)化趨勢(shi)基(ji)本(ben)壹致(zhi)，氣(qi)體濃度(du)在(zai)白天12點(dian)附近(jin)達到*低值(zhi)，然後逐(zhu)漸升高，並在(zai)淩晨0點(dian)左(zuo)右(you)達到*高峰。同(tong)時不(bu)同(tong)土(tu)層的(de)峰(feng)值(zhi)時間(jian)又(you)細(xi)微(wei)差(cha)價(jia)，隨(sui)著土(tu)層深度(du)增加，土(tu)壤CO2濃度(du)到達極值(zhi)的(de)時間(jian)會(hui)略微(wei)推(tui)後(hou)，10cm的(de)CO2濃度(du)相比20cm的(de)CO2濃度(du)在(zai)上(shang)升階段(duan)（12點(dian)至(zhi)零點(dian)）會(hui)稍高，這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)腐(fu)質層(ceng)微(wei)生(sheng)物呼(hu)吸(xi)在(zai)物候增強(qiang)的(de)壹種體現(xian)。

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)與土(tu)壤溫度(du)相關(guan)性(xing)分析：

結論分析：

由(you)上(shang)圖可知，土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)隨(sui)土(tu)壤溫度(du)的(de)升(sheng)高(gao)而呈現(xian)遞減(jian)趨勢(shi)，整(zheng)體來看(kan)，**中(zhong)，土(tu)壤溫度(du)升高階段(duan)（上(shang)午9點(dian)至(zhi)16點(dian)）的(de)CO2濃度(du)低於(yu)土(tu)壤溫度(du)降低階段(duan)（下午(wu)16點(dian)至(zhi)次日8點(dian)）。

土(tu)壤CO2濃度(du)主要來源於(yu)牧(mu)草根(gen)系(xi)呼吸(xi)排放(fang)的(de)CO2，由(you)此(ci)得(de)出(chu)根(gen)系(xi)呼吸(xi)與土(tu)壤溫度(du)呈現(xian)反相關(guan)，即(ji)土(tu)壤溫度(du)對植物根(gen)系(xi)呼吸(xi)起到(dao)壹定的(de)抑(yi)制(zhi)作(zuo)用。

土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)變(bian)化與(yu)土(tu)壤CO2通量變(bian)化分析：

結論分析

由(you)上(shang)圖可知，土(tu)壤CO2排放(fang)量與土(tu)壤CO2濃度(du)呈現(xian)正相關(guan)關(guan)系(xi)，隨(sui)著CO2濃度(du)升高而增加，隨(sui)著CO2濃度(du)降低而減少。這(zhe)說(shuo)明(ming)監(jian)測土(tu)壤剖面(mian)CO2濃度(du)有著重要的(de)意(yi)義(yi)，可(ke)以(yi)驗(yan)證生(sheng)態(tai)系(xi)統C循(xun)環中(zhong)土(tu)壤根系(xi)呼吸(xi)及微(wei)生(sheng)物呼(hu)吸(xi)的(de)貢(gong)獻(xian)率。

9：參(can)考文獻(xian)

 [ 1] 楊(yang)玉(yu)盛(sheng), 董 彬, 謝(xie)錦升(sheng), 等(deng). 森(sen)林(lin)土(tu)壤呼吸及(ji)其對變(bian)化的(de)

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

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