SCG土壤剖面CO2梯度监测系统

                SCG土壤剖面CO2梯度监测系统

    土壤呼吸是陆地生态系统的主要碳源，据报道，欧洲通量项目EUROFLUX 18个森林类型的平均年土壤呼吸占其总初级生产力的49%（Janssens et al., 2001），Law等（Law et al. 2001）研究发现，土壤呼吸约占整个生态系统呼吸的四分之三。土壤碳库细微的变化都将对大气CO2浓度造成重大影响，因此研究土壤碳动态及其CO2排放对于预测大气CO2浓度变化成为迫切的重要课题。有关土壤表层CO2通量（土壤总呼吸）研究很多，但这显然并不足以阐释土壤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。另外，土壤垂直梯度CO2监测可以与广泛使用的涡度相关监测比较，从而定量研究分析生态系统的碳交换。近几年国外进行了一系列创造性技术方法研究，SCG土壤剖面CO2梯度监测系统即是根据上述研究而研发集成的原位CO2持续监测系统。

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。

SCG土壤剖面CO2梯度监测系统由土壤剖面不同埋深的CO2传感器、O2传感器（备选）、土壤温度传感器、土壤水分传感器、土壤表层呼吸室（备选）、数据采集器及地面气象站组成，土壤表层呼吸室分透明和非透明两种，其中透明呼吸室用于测量土壤呼吸与植物光合作用的净呼吸。

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层），可通过菲克定律求出土壤CO2通量（土壤呼吸），从而实现高时间解析度原位监测土壤呼吸

l  Vaisala气象传感器，自动测量记录空气温湿度、气压、降雨量、风速风向等

l  可进行土壤孔隙度测量以确定CO2扩散系数，土壤透气性测量以确定土壤透气性与土壤水分及气体通量的关系

l  土壤水分智能传感器，精确测量土壤水分和温度

l  可选配单通道或多通道荧光光纤土壤剖面氧气原位监测模块

l  可选配包裹式植物茎流监测模块或THB树干茎流监测模块，用于监测茎流与原位CO2的动态关系

l  ACE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  选配4G无线传输模块，可随时上网在线浏览、下载数据，兼容EDGE和GPRS等传输，确保在没有3G和4G偏远地区也可以正常工作。

l  可选配微根窗根系动态监测系统

l  蓄电池供电或太阳能供电

主要技术指标：

1. 土壤水分测量：

a.  土壤水分传感器：测量范围，0-60%体积含水量，±3％VWC工厂校准@在0-50%VWC矿物土盐分~8ds/m ±1％VWC@土壤特定校准。

b.  土壤温度测量范围：，-40℃-80℃，精度±0.2℃，满量程的±0.4℃。分辨率0.01℃，

c.  土壤电介常数范围：1-80 ，分辨率0.01。

2. 土壤CO2测量：非色散单束双波长红外技术（NDIR），测量范围0-5000ppm、0-7000ppm、0-10000ppm、0-20000 可选，精度±1.5%，响应时间30妙；

3. 标准配置为3层（SCG-3）土壤剖面CO2、土壤水分和土壤温度监测

4. 单通道或多通道土壤剖面氧气测量模块（选配），荧光光纤O2测量技术，高稳定性、零氧耗，响应时间5秒，测量范围0-50%，精度优于0.4%

5. 标配16通道数据采集器（可选配32通道以监测3层以上的CO2浓度、土壤水分及土壤温度等）：

a.  可存储220000组带时间戳的数据，16比特分辨率，± 20 mV up to ± 2.5 V 8范围输入，精确度0.03%；

b.  测量间隔3秒4小时可调，数据平均间隔3秒4小时；

c.  电压6.5－15VDC，待机耗电150μA，测量耗电15mA重量140g；

d.  锂电备用电池，3V，可使用5年以上；

e.  操作温度­-20－60°C；

f.  专业数据下载分析软件，可进行数据下载、数据在线观测、统计分析（如每小时平均、每日平均、总计、小值、值、数据相关分析）与图表展示及系统设置等；

6. 土壤孔隙度测量：压力室容积为1000ml，压力范围-1～3bar，气压分辨率1mbar

7. 原位表层土壤透气性测量：测量范围0.003－3cm／s，测量压力1－3hPa，水势测量范围0－800hPa，土壤体积含水量0-70%

8. 包裹式茎流监测模块：SHB加热技术，用于监测5-20mm的茎杆液流

9. 树干茎流监测模块：THB加热技术，树干内部加热，用于10cm以上的树干茎流监测

10. 呼吸室法监测土壤表层CO2通量（选配）：标准配置为ACE土壤呼吸监测仪，有封闭式和开放式两种模式供选择，每种模式又有透明或非透明呼吸室供选配，测量范围为 40.0 mmols m-3（0-896ppm）, 分辨率为1ppm，带有自动零校准装置

11. 气象监测：气温监测范围-52℃～60℃，精确度±0.3℃；大气压监测范围600～1100hPa，精确度±0.5hPa；空气相对适度监测范围0～100%，精确度±3%；降雨量输出分辨率0.01mm，精确度5%

12. 4G全网通无线数据传输模块（选配），在线浏览下载数据，三重数据备份永不丢失（数据采集器内置存储、外置8G MicroSD卡、云端服务存储），向下兼容EDGE和GPRS传输模式。

13. 根系生态观测（选配）：微根管、微根管镜及分析软件组成，标配微根管直径44mm（内径42mm），高透明度、高韧性、防雨水，微根管镜长度有17英寸、22英寸、28英寸、37英寸可选，微根管成像单元，1/4”彩色 CCD，像素768 x 494，信噪比48DB，可选配手持式高分辨率成像单元，1/3”彩色CCD，分辨率可达1600 x 1200像素；通过USB和电脑通讯、图像抓取，操作简单      

上图为夏秋季不同土壤剖面深度（5cm、12.5cm、35cm）CO2通量R（上）和CO2浓度（下）的变化情况，降雨情况参见右纵坐标（摘自Z.Nagy等,2011)。研究表明，涡动法测量低估了CO2通量（特别是在通量较低的情况下），干旱区草原在暴雨后往往会发生CO2由大气向土壤的逆向通量。

产地：欧洲