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SCG-N土壤剖面CO2梯度监测系统

SCG-N土壤剖面CO2梯度监测系统
  • 发布时间: 2018-11-14 09:33
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SCG-N土壤剖面CO2梯度监测系统

image.png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至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-3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。

根据菲克第一定律(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 m2s1)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),可通过菲克第一定律求出土壤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  TRIME-PICO32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  image.png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  无线数据传输,可随时上网在线浏览、下载数据

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. TRIME-PICO32智能传感器,TDR测量技术,测量范围0-100%体积含水量,精确度±1%,重复精度±0.2%,测量体积250ml(可选配PICO64,测量体积为1250ml,可以精确反映含砂砾土壤的含水量);

b. 土壤温度测量范围:-20~50,测量精度:±0.2

c. 防水等级IP68

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秒至4小时可调,数据平均间隔3秒至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、最小值、最大值、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 40.0 mmols m-30-896ppm, 分辨率为1ppm带有自动零校准装置

11. 气象监测:Vaisala气象传感器,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. 无线数据传输,通过软件终端浏览、下载数据,并可对数据进行统计分析

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,分辨率最高可达1600 x 1200像素;通过USB和电脑通讯、图像抓取,操作简单

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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

 


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