土壤表層CO2通量研究很多,但這些監(jiān)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(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點。土壤不同層面(深度)CO2生產的持續(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。
土壤垂直梯度CO2監(jiān)測可以與廣泛使用的渦動相關監(jiān)測比較,從而定量研究分析生態(tài)系統(tǒng)的碳交換。
目前土壤梯度有2種方法:
1、把CO2傳感器直接埋入土壤.分梯度監(jiān)測各層濃度分布,使用簡單,有2種精度的傳感器可選擇,
GMP343和GMP22X系列:
| GMP343 | GMP22X |
測量方法: | 擴散式和泵吸式 | 擴散式和泵吸式 |
測量范圍: | 0 ... 1000 ppm, 0 ...2 000 ppm | GMP221探頭 0 ... 2 %, 0 ... 3 %, 0 ... 5 %, 0 ... 10%, 0 ... 20 % CO2 |
精度: | 0 ... 1000 ppm :± (3 ppm + 1 %的讀數(shù)) 0 ... 2000 - 0 ... 2 % :± (5 ppm + 2 %的讀數(shù)) | ±(1.5%量程+2.0%讀數(shù)) |
工作溫度: | -40~60°C | -20~60°C(探頭) |
工作濕度: | 0~ | 0~ |
外殼: | 電鍍鋁,PC 塑料 IP66/IP67 | PC 塑料 IP66/IP67 |
2、使用紅外分析儀在線多層分析土壤濃度數(shù)據(jù)
系統(tǒng)優(yōu)點:
v 使用一個分析儀分析多層數(shù)據(jù),沒有系統(tǒng)誤差
v 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
v 精度高,使用維護簡單.整機比土壤呼吸系統(tǒng)簡潔方便使用
CO2/H2O分析儀技術指標
| CO2分析器 | H2O分析器 | |||
量程 | 0~20,000 μmol/mol | 0~60 mmol/mol | |||
準確度 | 優(yōu)于讀數(shù)的1% | 優(yōu)于讀數(shù)的1.5 % | |||
校準漂移 | 零點漂移 | <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 | ||
標準 | CO2 | 世界氣象組織標準 | 電源 | 12~30 V DC | |
H2O | LI-610便攜式發(fā)生器NIST標準 | ||||
壓力補償范圍 | 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個模擬電壓輸出,2個電流輸出 | 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 | |||
內部光腔體積 | 14.5mL | 電源要求 | 12~30 V DC,預熱時為14 W,穩(wěn)定時為3.6W |
根據(jù)菲克**定律(Fick’s first law),在(穩(wěn)態(tài)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(jù)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(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),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(qū)向低濃度區(qū)擴散。
系統(tǒng)的特點:
1、非擾動原位持續(xù)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(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定原位監(jiān)測土壤呼吸。
2、土壤三參數(shù)智能傳感器,測量土壤水分和溫度和鹽度。
3、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(shù)據(jù)。
4、無線數(shù)據(jù)傳輸,可隨時上網(wǎng)在線瀏覽、下載數(shù)據(jù)。
5、交流蓄電池供電或太陽能供電。
主要技術指標:
1、土壤水分測量:
· 測量范圍0-體積含水量,度±1%,重復精度±0.2%,;
· 土壤溫度測量范圍:-40℃~70℃,測量精度:±0.2℃
2、土壤CO2測量:非色散單束雙波長紅外技術(NDIR),測量范圍0-5000ppm、0-7000ppm、0-10000ppm、0-20000 可選,精度±1.5%,響應時間3妙;
3、標配16通道數(shù)據(jù)采集器(可選配32通道以監(jiān)測3層以上的CO2濃度、土壤水分及土壤溫度等):
· 可存儲220000組帶時間戳的數(shù)據(jù),16比特分辨率,± 20 mV up to ± 2.5 V 8范圍輸入,度0.03%;
· 測量間隔3秒至4小時可調,數(shù)據(jù)平均間隔3秒至4小時;
4、無線數(shù)據(jù)傳輸,通過軟件終端瀏覽、下載數(shù)據(jù),并可對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。