全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
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多通道土壤呼吸长期自动测量系统的集成与性能测试
高<峻&<韩光鲁$<黄彬香$<施生锦$<贾长荣=<任迎丰=
"&2中国林业科学研究院林业研究所<国家林业局林木培育重点试验室<北京 &%%%#&#
$2中国农业大学资源与环境学院<北京 &%%%#!# =2河南省济源市国有大沟河林场<济源 !C!IC%$
关键词&<多通道# 土壤呼吸# 长期自动观测
中图分类号! ’"&!&’&C&2#<<<文献标识码!-<<<文章编号!&%%& F"!HH"$%&&#%# F%&C= F%C
收稿日期& $%&% F%! F%H# 修回日期& $%&& F%" F$C%
项目基金& *#!H+引进国际先进科学技术项目"$%%"@!@&"$ %
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W07:M7L0L9678 EL1:M@40M7:9E369LB3E37:9:D6:X3B3M7V1L37W38 M7 9MT7MVMW67:DZ[Z76:LB6137YMB07E37:95,D3:37837WZ0V
8MLB761Y6BM6:M07 0V90M1B394MB6:M07 B6:3:39:38 [Z:D36L:0E6:MWEL1:M@WD67731WD6E[3B9Z9:3E X699MEM16BXM:D :D6:
E369LB38 [Z.)@H&%%! ,D3E369LB38 B39L1:90V8MV3B37:WD6E[3B99:M1D68 8MV3B37W395):494099M[1Z8L3:0946:M61
D3:3B0T373M:Z0V90M1B394MB6:M075
;-< =’/1"&<<全球气候变化已成为公众和科学界关注的热
点% (n$ 作为一种重要的温室气体!其源(汇及通量
的精确测定备受重视% 全世界范围土壤呼吸高达
H%5! >T(’6F&!仅次于海洋释放到大气的 (n$ 通量!
是化石燃料燃烧释放 (n$ 的 &= 倍 "方精云等!
$%%"# 于贵瑞等!$%%I$% 可见!土壤呼吸在生物圈
和大气圈碳交换中起着重要作用%
测定土壤呼吸的方法多种多样!主要包括间接
测定和直接测定 $ 种% 间接测定通过测定其他相关
指标如土壤中的三磷酸腺苷"-,>$含量来推算土壤
呼吸速率!认为土壤呼吸速率对数与 -,>浓度对数
有较明显的线性关系!但这类方法的应用具有较大
的时间局限性!它所测定的结果也难以和其他方法
直接比较!大多用于模拟生态系统动态和全球变化
的众多模型中的土壤呼吸模块% 直接测定方法基本
可分为静态气室法(动态气室法和微气象法 = 种%
静态气室法包括静态密闭气室和静态碱液吸收法&
静态密闭气室法通过抽取呼吸室内气体来分析其成
分的变化!目前一般较少采用此方法# 静态碱液吸
收法虽操作简便!有利于多次重复!尤其适合空间异
质性大的土壤呼吸测定!但该法受碱液的浓度和用
量(碱液的吸收面积和测量面积等因素的影响!精度
不理想% 动态气室法"A3kkL ./0&F!&##"$的关键是
气流量的控制!空气流通速率和气室内外的压力差
会对测定造成负面影响!一些研究表明在一定气流
速率范围"#%% .’D F& $内土壤呼吸速率与气流速率
呈正比"J3M73B9!&#IH# ’WDX6B:fk04V!&#"H$!但也有
研究认为 $ 者不相关甚至负相关"i673E69L ./0&F!
&#"!# *8X6B89./0&F!&#"=$!同时该方法所需设备比
较昂贵% 微气象法测定 (n$ 通量不受生态系统类
型的限制!适合测定较大尺度内 (n$ 的排放!但该
法要求土壤表面和地形条件要相对一致!其准确度
林 业 科 学 !" 卷<
很大程度上受到大气(土壤表面和仪器设备的影响
"A6180WWDM!$%%=$% 此外!土壤呼吸测定还涉及各
分量的测定方法!如根系呼吸(土壤微生物呼吸和凋
落物分解的测定方法等%
目前!虽然动态气室法对气室内外压力差很敏
感!但一般认为它能较好地反映土壤呼吸的真实速
率% 利用动态气室结合红外气体分析仪开发多通道
土壤呼吸长期自动观测系统是今后发展的主导方向
"QL67 ./0&F!$%%C$% 最近美国 .M@W0B公司在 I!%%@
%# 土壤呼吸室和 .)@H&%% 开路式土壤碳通量测量系
统基础上!成功研发了 .)@H&C% 多通道土壤呼吸长
期自动观测系统% 国外已有较多全自动通量箱的观
测技术报道"’:38L:0./0&F!$%%$# QB3XM:./0&F!$%%$#
AL[M3B./0&F!$%%$# +6M9D37 ./0&F!$%%=$!但国内针对
该项技术的应用大多购买国外商品化仪器!仅有很
少科研人员进行类似仪器的开发 "张红星等!
$%%"$!更没有国产成型产品% 本研究在国内外已
有的基础上!自制土壤呼吸室和呼吸室自控系统!根
据红外气体分析原理集成了一台多通道土壤呼吸长
期自动观测系统!在野外与 .)@H&%% 开路式土壤碳
通量测量系统测试比较!以期为碳循环与碳平衡等
研究提供一种适用性的土壤呼吸观测系统%
>?系统构成及运行机制
系统由数据采集b控制中心和呼吸室 $ 部分组
成!气路设置采用闭路系统动态箱法% 数据采集b控
制中心包括数据采集器(红外 (n$ 气体分析器(气
体过滤器和气泵"图 &$# 使用 & 个红外 (n$ 气体分
析器连接 H 个土壤呼吸室!即 H 个通道"通道数量可
根据所用采集器的种类及其他附属元件的性能选
择!可为 & G&I 个 $% 在一个时间循环 内 "如
=% EM7$!通过数据采集器程序控制依次切换 H 个土
壤呼吸室的开闭!自动测定 H 个不同测点的土壤呼
吸速率% 同时!该系统亦可同时连接环境因子 "空
气温度(空气湿度(土壤温度(土壤湿度和气压等$
传感器记录测试点的气象因子%
图 &<系统构成示意图
M^T5&<’WD3E6:MW8M6TB6E0V:D39Z9:3E9:BLW:LB3
<<分析器使用 .)@H!% 二氧化碳红外气体分析器
"美国 .M@W0B公司$% 该分析器拥有一个单独的交
互光路通道和双波长红外检测系统!可用于各种环
境条件下 (n$ 和 R$n的连续观测!具有性能稳定(
精度高(能提供自动温度压力补偿(零点漂移(满度
漂移低(光路通道易于清洗(不需要重新校正(耗电
低(重量轻(集成度高(携带方便等特点% 其光路通
道可测量的 (n$ 和 R$n浓度范围分别为 % G
= %%% ’E01’E01F&和 % GH% EE01’E01F&# (n$ 浓度
为 ="% ’E01’E01F&时噪音 ?& ’E01’E01F&!R$n浓度
为 &% %%% 7E01’E01F&时的噪音 ?%2%& 7E01’E01F&#
操作温度为 F$% G!Cr%
呼吸室上部分"开启部分$使用直径为&H% EE(
高 &$% EE的不锈钢圆柱状容器!壁厚 %2H EE% 气
室开闭使用电机作为动力!传动为一侧旋转起落方
式% 使用不锈钢管和铝棒连接气室和电机!当通道
闭合时!气室和与之连接的钢管之间布置的弹簧受
压力而收缩!达到气室下缘与基座充分闭合从而使
接触面封闭"图 &$% 为了使气室内部累积的 (n$ 气
体不产生浓度梯度!在呼吸室内部布置绕内壁螺旋
弯曲的铜管!铜管外径和内径分别为 I 和 ! EE!与
气路进气口连接!铜管上有多个气孔!使呼吸室内气
体充分混合!出气管在顶部接入% 呼吸室开启部分
的顶部安装空气温度和湿度传感器!用于测定室内
!C&
<第 # 期 高<峻等& 多通道土壤呼吸长期自动测量系统的集成与性能测试
气压和湿度% 呼吸室下部分"土壤内基座部分$为 $
个相套的 >/(管!其下端插入土壤!上端承接呼吸
室下缘!与呼吸室开启部分密切接触形成闭路装置%
>/(管的管壁厚度均为 H EE!其外管的外径和内径
分别为 $%% 和 &#$ EE!内管的外径和内径分别为
&I% 和 &C$ EE!在 $ 管上部空隙中间填充三元乙丙
橡胶密封条!形成密封基座% 外环高 H% EE!入土深
度 C% GI% EE!内环高 =% EE!入土深度&% EE%
整套气路系统分为主气路和支气路 $ 部分!主
气路使用气泵做抽气动力!连接一个红外 (n$ 分析
器作为全部通道的 (n$ 浓度探测传感器!并在气体
进入分析器之前经过过滤器过滤!起到保护分析器
的作用% 支气路是将主气路分为多个支路!以连接
多个呼吸室通道!方法是从主气路上连接多个气阀!
通过气阀的开闭顺序切换!将主气路分别连接不同
支路通道"& GH 通道$!实现在不同时间段内测定不
同气路通道 (n$ 浓度累积变化的过程!从而计算多
个测点的土壤呼吸速率% 多通道气路循环见图 $%
图 $<气路循环示意
M^T5$<’WD3E6:MW8M6TB6E0V:D3T69WZW1346:D
系统根据数据采集器程序设定采集数据时间步
长!分析数据时根据各通道闭合后浓度的累积情况
和打开后 (n$ 浓度恢复到环境中 (n$ 浓度的时间
选择土壤呼吸计算的起止点% 土壤呼吸速率 9(
"’E01’EF$ 9F& $ 计算公式为 ".)@H&%% (n$ P69
-761Zf3B)79:BLW:M07 ;67L61$&
9? H
&%[!% & I
R%( )&%%%
2" D% W( )$"=2&C
J*?X
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式中& [为气路体积"WE= $!!% 为内部气压" k>6$!
R% 为气路内部水汽浓度"EE01’E01
F& $!" 为气室覆
盖面积"WE$ $!D% 为温度"r$! *?XO*/为 (n$ 浓度
随时间的变化率"’E01’E01F$9F&$!2为理想气体常
数"H2=&! >6’E=iF&E01F&$%
J?土壤呼吸系统性能测试
$2&<室内测试<红外气体分析器零点测定<在室
温 " $$ r 左右 $ 条件下!连通标准浓度的氮气
"##2###]$!系统记录气路内 (n$ 的浓度变化% 从
图 = 中可以看出!通过标准浓度的氮气后!在 $2C D
内! 红 外 气 体 分 析 仪 (n$ 浓 度 变 幅 为
w%2H ’E01’E01F&!测量值在误差允许范围内!零点
漂移较小!受外界环境温度和压力影响较小!稳定性
很好!能够满足系统连续测定要求%
红外气体分析器标准气体检测<在室温"$$ r
左右$条件下!采用 !#I ’E01’E01F&的 (n$ 标准气
体"无水汽$!流量为 & .’EM7 F&!压力为 & %%% D>6!
仪器气室内保持压力和温度恒定 "稳定在 C&2C
r$!系统记录气路内的 (n$ 浓度变化% 从图 ! 中
可以看出!红外气体分析仪 (n$ 浓度变化范围为
!#I w& ’E01’E01F&!测量值在误差允许范围内!稳
定性很好!不受外界环境温度和压力影响!能够满足
系统连续测定要求%
气路系统气密性检测<在外界通风的自然条件
下!向呼吸室内注入 & %%% ’E01’E01F&的 (n$ 气体!
同时将呼吸室压到呼吸室基座上!基座下端密闭!开
启气泵抽气!系统开始记录气路内 (n$ 的浓度变
化!根据一定时间内 (n$ 的浓度变化情况来分析气
路的密闭性% 图 C 是向气室注入 & %%% ’E01’E01F&
浓度的 (n$ 气体平衡一段时间后!选用的 C EM7 的
(n$ 浓度变化情况% 可以看出!在 C EM7 内气体浓
度变化了 w%2C ’E01’E01F&% 一般在测定土壤呼吸
时通道闭合时间即测定时间小于 C EM7!说明在短时
的气室闭合过程中产生的浓度衰减远远小于气室内
(n$ 的浓度累积值"&$% ’E01’E01
F&$!所以本系统
的气密性可以满足土壤呼吸的实际测定需要%
图 =<红外气体分析仪零点检测曲线
M^T5=<,39:M7TWLBY30Vf3B0V0BM7VB6B38 (n$
CC&
林 业 科 学 !" 卷<
图 !<红外气体分析仪标准气体检测曲线
M^T5!<,39:M7TWLBY30V9:6786B8 T69V0BM7VB6B38 (n$ 6761Zf3B
图 C<气路系统气密性检测曲线
M^T5C<,39:M7TWLBY30V6MB@:MTD:7399V0B:D3T69V10X46:D
$2$<田间测试<以 .)@H&%% 土壤呼吸观测系统测
定值为参考!在黄河小浪底森林生态定位研究站内
"&&$_$H‘*!=C_%&‘+$进行自制多通道土壤呼吸长期
自动观测系统性能的野外测试% 站区位于河南省济
源市境内!地貌类型属华北石质山区!气候属暖温带
大陆性季风气候!年平均气温 &$2! G&!2= r!全年
日照时数 $ =I"2" D!年日照率为 C!]!&% r的多
年平均积温为 C $H$ r!历年平均降水量I!&2" EE!
I)# 月多年平均降水量 !=H2% EE!占全年降水量
的 IH2=]% 试 验 区 林 分 以 人 工 林 为 主! 侧 柏
"!&0/:#&0143%,+.)/0&+3$(栓皮栎 "Z4.,#43*0,+0>+&+3$
和刺槐 "2%>+)+0 C3.41%0#0#+0$为该区代表性树种%
试验地块为刺槐林地!样地位于半阳坡中部的退耕
还林地!土壤类型为褐土!刺槐林龄为 &! 年!林分密
度 & !CC 株’DEF&!平均株高 "2$ E!平均胸径
&%2= WE!郁闭度 %2H!平均土层厚度 I% WE%
$%%# 年 = 月 $C 日到 ! 月 &C 日在黄河小浪底森
林生态定位研究站进行刺槐林地土壤呼吸速率研
究% 试验时!将 H 个通道分成 $ 组!分别装在 $ 个测
定区!$ 个测区间距 I E!每个测区安装 ! 个土壤呼
吸长期自动观测系统呼吸室!在每个测区中间位置
安装 ! 个 .)@H&%% 呼吸室!作为参照!呼吸室闭合时
间均为 C EM7% 呼吸室安装 &% 天后开始测量%
由图 I 可以看出!即使装在同一测定区的 ! 个
呼吸室的结果仍有差异!这可能受各呼吸室所测土
壤的质地(微生物活动强度及植物根系数量等因素
的影响!但自制系统各通道测定的土壤呼吸速率与
.)@H&%% 系统测定的土壤呼吸速率的日变化趋势一
致% 由于目前尚没有公认的便携式土壤呼吸仪野外
标定的方法!不同呼吸室内的土壤也存在空间变异
性!所以自制系统测定结果的准确性还有待进一步
试验验证%
图 I<各呼吸室土壤呼吸速率
M^T5I<’0M1B394MB6:M07 B6:30V:D3Y6BM0L9WD6E[3B9
L?结论与讨论
本文介绍了一套自制 H 通道土壤呼吸长期自动
观测系统!该系统可实现数据自动采集储存(多通道
呼吸室自动切换!室内进行的零点测定(标准气体检
测以及气路密闭性检测结果均表明该系统稳定% 在
野外刺槐林地与美国 .M@W0B公司生产的 .)@H&%% 土
壤呼吸观测系统进行的土壤呼吸速率对比测定结果
表明& 自制系统各通道测定的土壤呼吸速率与 .)@
H&%% 系统测定的土壤呼吸速率的日变化趋势较为
一致!数据比较可靠!能够实现土壤呼吸速率的自动
测定% 同时!该系统具有以下特点& &$系统具有很
好的扩展性<一方面本系统的通道数量可在 & 至
&I 间变动!测定土壤呼吸时!较多的通道数目可以
有效避免偶然现象造成的误差!能更好地反映土壤
呼吸的空间变异性!也方便比较研究!另一方面主机
上可以根据需要连接辅助传感器!用于测定环境因
IC&
<第 # 期 高<峻等& 多通道土壤呼吸长期自动测量系统的集成与性能测试
子"如温度(湿度等$变化# $$呼吸室反应速度快<
C EM7 内就可以完成对一个地点的测定!测定的连
续性也得到了很大的提高!同时避免了呼吸室的反
应速度慢(连续性差以及呼吸室内部温度升高的问
题"A3kkL ./0&F!&##"# ’WDX6B:fk04V!&#"H$# =$国产
化程度高!经济适用<该系统除 (n$ 红外分析仪
外!其他部件均为国产配件或自制完成!并且系统在
某些硬件方面以相对简捷的方式实现测定目的!有
效地降低了生产成本%
由于目前尚没有公认的便携式土壤呼吸仪测定
的标准方法或仪器!本研究中选用的对比仪器也是
当前使用较多的 .)@H&%% 土壤呼吸测定系统!所以
测定结果的准确性及精度问题还有待进一步试验验
证% 同时!本系统还有些方面需进一步改进!如在技
术成熟(性能参数允许的情况下!可采用国产红外气
体分析器!真正实现系统国产化%
参 考 文 献
方精云! 王<娓5$%%"2作为地下过程的土壤呼吸我们理解了多少5
植物生态学报!=&"=$ & =!C F=!"5
于贵瑞!孙晓敏5$%%I2陆地生态系统通量观测的原理与方法5北京&
高等教育出版社!$ F!5
张红星!王效科!冯宗炜!等5$%%"2用于测定陆地生态系统与大气间
(n$ 交换通量的多通道全自动通量箱系统5生态学报!$" "!$ &
&$"= F&$H$5
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!责任编辑<于静娴"
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