LI-8100土壤碳通量测量系统

土壤呼吸在整个生态系统呼吸中所占比例十分巨大

如山毛榉林为 92±15% (Longdoz, et al., 2000. Soil CO2 flux in a mixed forest:... Global Change Biol 6:907)
一、土壤呼吸研究背景
土壤CO2 通量的十分不确定性
•根系的分布是多变的... •凋落物的分布是多变的... •动物的数量分布是多变的...
•土壤的结构是多变的...
因此，土壤表面的CO2 扩散 随时间和空间的变化是非常大
的
一、土壤呼吸研究背景
土壤呼吸要求：足够多的取样
•
空间上的变异
采用短期调查室快速测量
•
时间上的变异
使用长期测量时对某一地点随着时间的过去自动连 续取样测量
大纲

一、土壤呼吸研究背景 二、土壤呼吸测量 三、LI-8100设计的独特之处 四、LI-8100的硬件与软件操作 介绍
开 机 面 板
电源 开关
仪器 状态 指示 灯
• Power-当按ON/OFF按钮打开电源时，此灯亮，指示已给仪器供电；
• Ready-当仪器已准备好和电脑或PDA连接时，此灯亮；
• IRGA Ready-当IRGA已达到操作温度时，此灯亮。这要求开机后可能 需要 花费约10分钟预热。在IRGA Ready灯亮以前，仪器可以运行，但是，在光 路板达到操作温度前，不应该进行测量。
LI-8100 自动土壤 CO2 通量测量系统 ——辅助传感器接口
硬件连接
注意：如果您要将长期测量室和短期调查室进行更换，必须先关机， 再开机，因为系统启动时分析器控制单元将进行测量室识别。
辅助接口连线图形显示
辅助传感器接口
连接土壤温度和土壤水分传感器
• •
土壤水分传感器应全部埋置土壤中 温度传感器一般插入5~10cm深

碳的排放量十分巨大

土壤碳通量是10x 石油 燃料和采伐森林资源的总和 (Pacala, S. W. et. al. 2001. Consistent land- and atmosphere-based U.S. carbon sink estimates. Science 292: 2316-2320)
Purge Time Purge Time是指测量完成后，测量室开始打开时，气体继续在测量室流通的时间。 在某些情况下，环境因子可能影响导气管中CO2或水分的量时，这是非常重要的。 例如，在热且潮湿的条件下，可能需要增加Purge Time确保采样导气管中的水分被 清除，以免下次测量时，使用此测量室可能产生冷凝。在大多数情况下， 大约45s 的Purge Time 是足够的。 Stop Observation if RH reaches… 选中 ‘Stop Observation if RH reaches’ 复选框，输入一个相对湿度值(假设湿度是 涉及测量地点)。这样，在测量期间任何时候，如果测量室内相对湿度超过设定值， 观测将被终止。如果观测被终止，一条信息将被记录到记录文件中，在下次测量时观 测将继续。
土壤 CO2 从哪里来?
• • • • 植物根系和微生物的自养呼吸 土壤微生物费解土壤有机质和植物凋落物的异养呼吸 土壤的动物呼吸 土壤碳酸盐的水解
一、土壤呼吸研究背景
土壤CO2 通量研究的重要性?

土壤碳储藏量十分巨大

2x 大气碳, 3x 陆地植物, 0.3x 全部石油燃料储量 (Schlesinger, 1991)
•
Collar露出地面部分，一般不要太高，否则会影响 collar内土壤的水分(风吹、阳光照射)状况，survey chamber一般露出2~3cm，long term chamber露出 3~4cm。
使用 Chamber 下拉菜单，选择正在使用的测量室类型。包括：
自制测量室 – 用户自己制作的测量室，或用来做剖面 廓线研究的导气管； 10 cm短期调查室 – LI-COR p/n 8100-102; 20 cm短期调查室 – LI-COR p/n 8100-103; 长期测量室 – LI-COR p/n 8100-101; 长期测量室– LI-COR p/n 8100-104。
测量chamber offset
Survey chamber
土壤表面到 collar的上 缘口的距离
土壤表面到 collar的上 缘口与测量 室底座到 collar的上 缘口的距离 差
Long term chamber
土壤collar埋置注意事项
• • 应提前埋置soil collar，一般前一天埋好，使之充分平 衡； 埋置深度应根据土质不同而变化，沙质等轻质土壤需 要埋深一些，重质土壤埋浅一些，应保证放置测量室 时soil collar不移动，且不存在漏气；
二、土壤呼吸测量
LI-8100 方法

闭路式——关闭测量室，室内CO2 开始增加； 专用数学模型——在测量室内CO2 累积前，估 算出CO2增加的初始速度(initial rate)；
LI-8100 方法
LI-8100 CO2 Increase with Time
440 430
FCO 2
V C S t
Observation Delay 当做重复测量时，需要一个延迟时间，容许测量室在进行下一个观测循环前， 重新恢复到周围环境条件。这个延迟就叫作Observation Delay。当一个观测 完成后，测量室将自动升起离开土壤collar，如果Observation Count (above) 被设定为2以上，Observation Delay设定时间即为测量室打开时间。在很安 静条件下，测量室气体恢复到与周围环境条件平衡，可能需要花费2分多钟。 在有风条件下，测量室CO2浓度要恢复到环境水平可能只需要20 ~ 30s。注 意：只要测量室开始打开，Observation Delay就开始计算。因此，可能设定 延迟时间太短，测量室在再次关闭前，可能不能完全打开。
LI-8100设计的独特之处
特殊的气室驱动机制——减少对环境的扰动
104呼吸室
气室在测定过程中以较缓慢的速度打开或关闭，尽 可能减少了对周边大气环境的扰动，消除了对CO2 通量测定的影响。 8100-101 长期监测室以垂直驱动机制带动气室开合， 适宜测定垄间或垄内土壤CO2通量； 8100-104 长期监测室有六个张开角度，适合低矮冠 层或有障碍物的环境。
LI-8100 自动土壤 CO2 通量测量系统 ——四种气室
8100-102 Survey chamber
8100-103 Survey chamber
8100-104 long-term chamber
LI-8100 自动土壤 CO2 通量测量系统 ——LI-8150多通道测定系统
LI-8100 自动土壤 CO2 通量测量系统 ——PDA掌上电脑
LI-8100设计的独特之处
数据分析模型——指数拟合
Requirements: CO2-chamber = CO2-air Fit to C′ (water vapor dilution corrected CO2 concentration) vs. time
C t C x C0 C x e a t t0
三、LI-8100设计的独特之处
压力通风口 ——保持气室内外压力平衡（发明专利，LI-COR独有！）
气室顶部压力通风口的横截面为锥形，气室内外气压在静滞环境和 大风环境下均能够保持平衡，使得风向对气室内部空气的扰动最小， LI-8100 气室的通风口设计在真正意义上消除了文氏管效应（文氏 管效应导致管内出现负压，驱使土壤中的高浓度CO2气体快速扩散 到气室中来，导致最后的测定结果比正常值显著增高）。
◇多孔基座（下图）通过外露 孔间CO2的扩散克服了抑制 作用，使得测量更为准确。
大纲

一、土壤呼吸研究背景 二、土壤呼吸测量 三、LI-8100设计的独特之处 四、LI-8100的硬件与软件操作 介绍
四、LI-8100的硬件与软件操作 介绍
LI-8100 自动土壤 CO2 通量测量系统 ——主机
Initial rate = slope at C′ = C′0
dC' dt
t t 0
a(C x 'C0 ' )
Final equation
FCO 2
Wo ) 1000 C ' RS (To 273 .15) t 10VPo (1
The flux at the time when CO2-chamber = CO2-air
CO2 (ppm)
420 410 400
390 380 0 20 40 60 80 100 120 140 160
Time (s)
估算初始斜率
C t C x C0 C x e a t t0
Initial rate = slope at C′= C′0
LI-8100设计的独特之处
气室基座多孔设计——避免CO2累积
Perforated Baseplate
◆无孔基座（上图）由于 基座下部CO2 富集，抑制 附近土壤CO2的扩散 红色=低通量速率；蓝色=高 通量速率
气室基座的多孔设计大大减小了气室周边环 境（光照、降水、风等）扰动对气室内部测 定的影响，并有助于消除基座下部CO2浓 度梯度的改变，而无孔基座常常导致对土壤 CO2释放的抑制。
2、
点击 Observation 标签，设置测定时间
测定时间中各项时间的解释
Observation Length
测量室关闭时起到测量室再次开始打开时之间的时间周期，包括Dead Band 周期。在中等或低 CO2通量时，设定观察长度为90~120s通常是足够的。注 意：当测量室被开动并开始关闭时，LI-8100开始记录数据。整个观测期间的 原始记录，或Type 1记录都将记录下来。 但是，直到测量室关闭前，过去时 间(Elapsed Time，在数据输出中被标记为Etime的时间)不会增加。当测量室 正在关闭时，Etime 记录为-1。 Dead Band 从测量室完全关闭时开始，到完成稳定混合开始测量前的时间周期。Dead Band的 变化取决于测量室的形状、系统流速、collar特性和测量地点的特点。LI-COR测试 结果显示，将 Dead Band设定为 10~60 s，可提供足够的混合。但是，可能有些情 况下，需要将Dead Band 设定为更长的时间。注意：如果原始记录被收集，收集 数据可利用LI-8100数据分析 (File Viewer) 程序，使用更长(或更短)的Dead Bands 重计算。 Observation Count 可通过设定Observation Count，在相同的参数条件下做几次重复观测，每个观测被 Observation Delay (below)分隔开。注意：从科学的或统计学角度，在大多数情况下， 可能更需要多个观测样点而非同一个观测点的重复数据。
• Active-当LI-8100开始测量时，此灯亮；
• Low Battery-当输入电压低于厂家设定的域值(大约10.94伏)时，此灯亮。如 果电压低于10.5伏，仪器将关闭。
Windows操作界面
LI-8100 与电脑成功连接后，软件显示实时参数
1、在Setup 菜单选择 Measurement Configuration，出现Single Chamber Configuration 对话框。
dC' dt
t t 0
a(C x 'C0 ' )
FCO 2
Wo ) 1000 C ' RS (To 273 .15) t 10VPo (1
大纲

一、土壤呼吸研究背景 二、土壤呼吸测量 三、LI-8100设计的独特之处 四、LI-8100的硬件与软件操作 介绍
三、LI-8100设计的独特之处
1、气室内外压力平衡问题的解决
——压力通风口的独特设计
2、数据分析模型——指数拟合 3、特殊的气室驱动机制——减少对环境的扰动
4、气室基座多孔设计——避免CO2累积
传统的压力通风口
文氏管效应
缺陷：无法解决文氏管效应
文氏管效应
文丘管效应的原理 则：是当风吹过阻 挡物时，在阻挡物 的背风面上方端口 附近气压相对较低 ，从而产生吸附作 用并导致空气的流 动。 文氏管的原 理其实很简单，它 就是把气流由粗变 细，以加快气体流 速，使气体在文氏 管出口的后侧形成 一个“真空”区。
土壤碳通量测量
基因有限公司农业环境科学部
北京力高泰科技有限公司
2008-9-08
大纲
Байду номын сангаас
一、土壤呼吸研究背景 二、土壤呼吸测量 三、LI-8100设计的独特之处 四、LI-8100的硬件与软件操作 介绍
一、土壤呼吸研究背景
源与库/全球碳循环
单位：10亿吨碳
一、土壤呼吸研究背景
一、土壤呼吸研究背景