林业科学  2011, Vol. 47 Issue (9): 153-157   PDF    
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高峻, 韩光鲁, 黄彬香, 施生锦, 贾长荣, 任迎丰
Gao Jun, Han Guanglu, Huang Binxiang, Shi Shengjin, Jia Changrong, Ren Yingfeng
多通道土壤呼吸长期自动测量系统的集成与性能测试
Integration and Performance Test of an Automatic Multi-channel Long-term Soil Respiration Measurement System
林业科学, 2011, 47(9): 153-157.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(9): 153-157.

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收稿日期:2010-04-08
修回日期:2011-07-25

作者相关文章

高峻
韩光鲁
黄彬香
施生锦
贾长荣
任迎丰

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1, 韩光鲁2, 黄彬香2, 施生锦2, 贾长荣3, 任迎丰3    
1. 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 100091;
2. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100094;
3. 河南省济源市国有大沟河林场 济源 454650
关键词:多通道    土壤呼吸    长期自动观测    
Integration and Performance Test of an Automatic Multi-channel Long-term Soil Respiration Measurement System
Gao Jun1, Han Guanglu2, Huang Binxiang2, Shi Shengjin2, Jia Changrong3, Ren Yingfeng3    
1. Research Institute of Forestry, CAF Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration Beijing 100091;
2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University Beijing 100094;
3. Dagouhe National Forest Farm of Jiyuan, Henan Province Jiyuan 454650
Abstract: On the basis of international research of soil respiration monitoring technology, an automatic eight-channel long-term soil respiration measurement system was developed by integrating dynamic chamber and infrared gas analyzer. The reliability of the automatic multi-channel chamber system was comparatively tested with LI-8100 in a Robinia pseudoacacia stand at the Xiaolangdi Forest Ecosystem Research Station. The results showed that: The air-tightness, stability and reliability of this system meet the design requirements. The system was able to be used to make automatic, continuous and multi-points measurements that were influenced in significanthy by natural environments. The tendency of diurnal variation of soil respiration rate tested by the automatic multi-channel chamber system was similar with that measured by LI-8100, The measured results of different chambers still had differences. It's possibly due to spatial heterogeneity of soil respiration.
Key words: multi-channel    soil respiration    automatic long-term observation    

全球气候变化已成为公众和科学界关注的热点。CO2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80. 4 PgC·a- 1,仅次于海洋释放到大气的CO2通量,是化石燃料燃烧释放CO2的13倍(方精云等,2007; 于贵瑞等,2006)。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2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(ATP)含量来推算土壤呼吸速率,认为土壤呼吸速率对数与ATP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3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(Bekku et al., 1997)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(900 L·h- 1)内土壤呼吸速率与气流速率呈正比(Reiners,1968; Schwartzkopf,1978),但也有研究认为2者不相关甚至负相关(Kanemasu et al., 1974; Edwards et al., 1973),同时该方法所需设备比较昂贵。微气象法测定CO2通量不受生态系统类型的限制,适合测定较大尺度内CO2的排放,但该法要求土壤表面和地形条件要相对一致,其准确度很大程度上受到大气、土壤表面和仪器设备的影响(Baldocchi,2003)。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(Duan et al., 2005)。最近美国Li-cor公司在6400-09土壤呼吸室和LI-8100开路式土壤碳通量测量系统基础上,成功研发了LI-8150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(Steduto et al., 2002; Drewitt et al., 2002; Bubier et al., 2002; Naishen et al., 2003),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,2007),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LI-8100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。

1 系统构成及运行机制

系统由数据采集/控制中心和呼吸室2部分组成,气路设置采用闭路系统动态箱法。数据采集/控制中心包括数据采集器、红外CO2气体分析器、气体过滤器和气泵(图 1); 使用1个红外CO2气体分析器连接8个土壤呼吸室,即8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1 ~ 16个)。在一个时间循环内(如30 min),通过数据采集器程序控制依次切换8个土壤呼吸室的开闭,自动测定8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 1 系统构成示意图 Figure 1 Schematic diagram of the system structure

分析器使用LI-840二氧化碳红外气体分析器(美国Li-cor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CO2和H2O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CO2和H2O浓度范围分别为0 ~ 3 000 μmol·mol- 1和0 ~ 80 mmol·mol- 1; CO2浓度为370 μmol·mol- 1时噪音<1 μmol·mol- 1,H2O浓度为10 000 nmol·mol- 1时的噪音<0.01 nmol·mol- 1; 操作温度为- 20 ~ 45℃。

呼吸室上部分(开启部分)使用直径为180 mm、高120 mm的不锈钢圆柱状容器,壁厚0.8 mm。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 1)。为了使气室内部累积的CO2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6和4 mm,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,用于测定室内气压和湿度。呼吸室下部分(土壤内基座部分)为2个相套的PVC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。PVC管的管壁厚度均为8 mm,其外管的外径和内径分别为200和192 mm,内管的外径和内径分别为160和152 mm,在2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80 mm,入土深度50 ~ 60 mm,内环高30 mm,入土深度10 mm。

整套气路系统分为主气路和支气路2部分,主气路使用气泵做抽气动力,连接一个红外CO2分析器作为全部通道的CO2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(1 ~ 8通道),实现在不同时间段内测定不同气路通道CO2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 2

图 2 气路循环示意 Figure 2 Schematic diagram of the gas cycle path

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CO2浓度恢复到环境中CO2浓度的时间选择土壤呼吸计算的起止点。土壤呼吸速率FC (μmol·m- 2 s- 1)计算公式为(LI-8100 CO2 Gas Analyzer Instruction Manual) :

式中: V为气路体积(cm3),P0为内部气压(kPa),W0为气路内部水汽浓度(mmol·mol- 1),S为气室覆盖面积(cm2),T0为温度(℃),为CO2浓度随时间的变化率(μmol·mol- 2 s- 1),R为理想气体常数(8.314 Pa·m3 K- 1 mol- 1)。

2 土壤呼吸系统性能测试 2.1 室内测试

红外气体分析器零点测定  在室温(22 ℃左右)条件下,连通标准浓度的氮气(99.999%),系统记录气路内CO2的浓度变化。从图 3中可以看出,通过标准浓度的氮气后,在2.5 h内,红外气体分析仪CO2浓度变幅为± 0.8 μmol·mol- 1,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。

图 3 红外气体分析仪零点检测曲线 Figure 3 Testing curve of zero for infrared CO2

红外气体分析器标准气体检测  在室温(22 ℃左右)条件下,采用496 μmol·mol- 1的CO2标准气体(无水汽),流量为1 L·min- 1,压力为1 000 hPa,仪器气室内保持压力和温度恒定(稳定在51.5 ℃),系统记录气路内的CO2浓度变化。从图 4中可以看出,红外气体分析仪CO2浓度变化范围为496 ± 1 μmol·mol- 1,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。

图 4 红外气体分析仪标准气体检测曲线 Figure 4 Testing curve of standard gas for infrared CO2 analyzer

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1 000 μmol·mol- 1的CO2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CO2的浓度变化,根据一定时间内CO2的浓度变化情况来分析气路的密闭性。图 5是向气室注入1 000 μmol·mol- 1浓度的CO2气体平衡一段时间后,选用的5 min的CO2浓度变化情况。可以看出,在5 min内气体浓度变化了± 0.5 μmol·mol- 1。一般在测定土壤呼吸时通道闭合时间即测定时间小于5 min,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CO2的浓度累积值(≥20 μmol·mol- 1),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 5 气路系统气密性检测曲线 Figure 5 Testing curve of air-tightness for the gas flow path
2.2 田间测试

以LI-8100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(112°28'E,35°01'N)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12.4 ~ 14.3 ℃,全年日照时数2 367.7 h,年日照率为54%,≥0 ℃的多年平均积温为5 282 ℃,历年平均降水量641.7 mm,6—9月多年平均降水量438.0 mm,占全年降水量的68.3%。试验区林分以人工林为主,侧柏(Platycladus orientalis)、栓皮栎(Quercus variabilis)和刺槐(Robinia pseudoacacia)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14年,林分密度1 455株·hm- 1,平均株高7.2 m,平均胸径10.3 cm,郁闭度0.8,平均土层厚度60 cm。

2009年3月25日到4月15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8个通道分成2组,分别装在2个测定区,2个测区间距6 m,每个测区安装4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4个LI-8100呼吸室,作为参照,呼吸室闭合时间均为5 min。呼吸室安装10天后开始测量。

图 6可以看出,即使装在同一测定区的4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LI-8100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 6 各呼吸室土壤呼吸速率 Figure 6 Soil respiration rate of the various chambers
3 结论与讨论

本文介绍了一套自制8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Li-cor公司生产的LI-8100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LI-8100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: 1)系统具有很好的扩展性一方面本系统的通道数量可在1至16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,用于测定环境因子(如温度、湿度等)变化; 2)呼吸室反应速度快5 min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(Bekku et al., 1997; Schwartzkopf,1978); 3)国产化程度高,经济适用该系统除CO2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LI-8100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(References)
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