SCG土壤剖面CO2梯度監(jiān)測系統(tǒng)

    土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳源，據(jù)報道，歐洲通量項目EUROFLUX 18個森林類型的平均年土壤呼吸占其總初級生產(chǎn)力的49%（Janssens et al., 2001），Law等（Law et al. 2001）研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸約占整個生態(tài)系統(tǒng)呼吸的四分之三。土壤碳庫細(xì)微的變化都將對大氣CO2濃度造成重大影響，因此研究土壤碳動態(tài)及其CO2排放對于預(yù)測大氣CO2濃度變化成為迫切的重要課題。有關(guān)土壤表層CO2通量（土壤總呼吸）研究很多，但這顯然并不足以闡釋土壤CO2生產(chǎn)過程，土壤剖面CO2垂直梯度研究越來越成為土壤呼吸乃生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點。土壤不同層面（深度）CO2生產(chǎn)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。另外，土壤垂直梯度CO2監(jiān)測可以與廣泛使用的渦度相關(guān)監(jiān)測比較，從而定量研究分析生態(tài)系統(tǒng)的碳交換。近幾年國外進(jìn)行了一系列創(chuàng)造性技術(shù)方法研究，SCG土壤剖面CO2梯度監(jiān)測系統(tǒng)即是根據(jù)上述研究而研發(fā)集成的原位CO2持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)菲克定律(Fick’s first law)，在（穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的情況下）單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)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(kuò)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(guān))，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(kuò)散方向為濃度梯度的反方向，即擴(kuò)散由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。

SCG土壤剖面CO2梯度監(jiān)測系統(tǒng)由土壤剖面不同埋深的CO2傳感器、O2傳感器（備選）、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、土壤表層呼吸室（備選）、數(shù)據(jù)采集器及地面氣象站組成，土壤表層呼吸室分透明和非透明兩種，其中透明呼吸室用于測量土壤呼吸與植物光合作用的凈呼吸。

系統(tǒng)的特點：

l  非擾動原位持續(xù)測量土壤剖面CO2、水分、溫度（標(biāo)準(zhǔn)配置為3層），可通過菲克定律求出土壤CO2通量（土壤呼吸），從而實現(xiàn)高時間解析度原位監(jiān)測土壤呼吸

l  Vaisala氣象傳感器，自動測量記錄空氣溫濕度、氣壓、降雨量、風(fēng)速風(fēng)向等

l  可進(jìn)行土壤孔隙度測量以確定CO2擴(kuò)散系數(shù)，土壤透氣性測量以確定土壤透氣性與土壤水分及氣體通量的關(guān)系

l  土壤水分智能傳感器，精確測量土壤水分和溫度

l  可選配單通道或多通道熒光光纖土壤剖面氧氣原位監(jiān)測模塊

l  可選配包裹式植物莖流監(jiān)測模塊或THB樹干莖流監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測莖流與原位CO2的動態(tài)關(guān)系

l  ACE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(bǔ)充、校準(zhǔn)或?qū)Ρ确治鐾寥榔拭鍯O2梯度測量數(shù)據(jù)

l  選配4G無線傳輸模塊，可隨時上網(wǎng)在線瀏覽、下載數(shù)據(jù)，兼容EDGE和GPRS等傳輸，確保在沒有3G和4G偏遠(yuǎn)地區(qū)也可以正常工作。

l  可選配微根窗根系動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

l  蓄電池供電或太陽能供電

主要技術(shù)指標(biāo)：

1. 土壤水分測量：

a.  土壤水分傳感器：測量范圍，0-60%體積含水量，±3％VWC工廠校準(zhǔn)@在0-50%VWC礦物土鹽分~8ds/m ±1％VWC@土壤特定校準(zhǔn)。

b.  土壤溫度測量范圍：，-40℃-80℃，精度±0.2℃，滿量程的±0.4℃。分辨率0.01℃，

c.  土壤電介常數(shù)范圍：1-80 ，分辨率0.01。

2. 土壤CO2測量：非色散單束雙波長紅外技術(shù)（NDIR），測量范圍0-5000ppm、0-7000ppm、0-10000ppm、0-20000 可選，精度±1.5%，響應(yīng)時間30妙；

3. 標(biāo)準(zhǔn)配置為3層（SCG-3）土壤剖面CO2、土壤水分和土壤溫度監(jiān)測

4. 單通道或多通道土壤剖面氧氣測量模塊（選配），熒光光纖O2測量技術(shù)，高穩(wěn)定性、零氧耗，響應(yīng)時間5秒，測量范圍0-50%，精度優(yōu)于0.4%

5. 標(biāo)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）：

a.  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，精確度0.03%；

b.  測量間隔3秒4小時可調(diào)，數(shù)據(jù)平均間隔3秒4小時；

c.  電壓6.5－15VDC，待機(jī)耗電150μA，測量耗電15mA重量140g；

d.  鋰電備用電池，3V，可使用5年以上；

e.  操作溫度--20－60°C；

f.  專業(yè)數(shù)據(jù)下載分析軟件，可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)在線觀測、統(tǒng)計分析（如每小時平均、每日平均、總計、小值、值、數(shù)據(jù)相關(guān)分析）與圖表展示及系統(tǒng)設(shè)置等；

6. 土壤孔隙度測量：壓力室容積為1000ml，壓力范圍-1～3bar，氣壓分辨率1mbar

7. 原位表層土壤透氣性測量：測量范圍0.003－3cm／s，測量壓力1－3hPa，水勢測量范圍0－800hPa，土壤體積含水量0-70%

8. 包裹式莖流監(jiān)測模塊：SHB加熱技術(shù)，用于監(jiān)測5-20mm的莖桿液流

9. 樹干莖流監(jiān)測模塊：THB加熱技術(shù)，樹干內(nèi)部加熱，用于10cm以上的樹干莖流監(jiān)測

10. 呼吸室法監(jiān)測土壤表層CO2通量（選配）：標(biāo)準(zhǔn)配置為ACE土壤呼吸監(jiān)測儀，有封閉式和開放式兩種模式供選擇，每種模式又有透明或非透明呼吸室供選配，測量范圍為 40.0 mmols m-3（0-896ppm）, 分辨率為1ppm，帶有自動零校準(zhǔn)裝置

11. 氣象監(jiān)測：氣溫監(jiān)測范圍-52℃～60℃，精確度±0.3℃；大氣壓監(jiān)測范圍600～1100hPa，精確度±0.5hPa；空氣相對適度監(jiān)測范圍0～100%，精確度±3%；降雨量輸出分辨率0.01mm，精確度5%

12. 4G全網(wǎng)通無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（選配），在線瀏覽下載數(shù)據(jù)，三重數(shù)據(jù)備份永不丟失（數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置存儲、外置8G MicroSD卡、云端服務(wù)存儲），向下兼容EDGE和GPRS傳輸模式。

13. 根系生態(tài)觀測（選配）：微根管、微根管鏡及分析軟件組成，標(biāo)配微根管直徑44mm（內(nèi)徑42mm），高透明度、高韌性、防雨水，微根管鏡長度有17英寸、22英寸、28英寸、37英寸可選，微根管成像單元，1/4”彩色 CCD，像素768 x 494，信噪比48DB，可選配手持式高分辨率成像單元，1/3”彩色CCD，分辨率可達(dá)1600 x 1200像素；通過USB和電腦通訊、圖像抓取，操作簡單      

上圖為夏秋季不同土壤剖面深度（5cm、12.5cm、35cm）CO2通量R（上）和CO2濃度（下）的變化情況，降雨情況參見右縱坐標(biāo)（摘自Z.Nagy等,2011)。研究表明，渦動法測量低估了CO2通量（特別是在通量較低的情況下），干旱區(qū)草原在暴雨后往往會發(fā)生CO2由大氣向土壤的逆向通量。

產(chǎn)地：歐洲