一种土壤CO2通量原位测定方法及装置

一种土壤CO2通量原位测定方法及装置1
高程达1，孙向阳1，曹吉鑫1，张强1，栾亚宁1，郝虎东2，李泽江2，唐青云3 1北京林业大学水土保持学院，北京（100083）
2内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特（010019）
3北京市华云分析仪器研究所有限公司，北京（100035）
E-mail：gaochd@
摘要：本文介绍了一种土壤CO2通量原位测定的方法及装置：改装具有仲裁效力的大气二氧化碳红外线气体分析仪到土壤CO2通量原位测定，连接自制的二氧化碳收集容器，对陆地生态系统土壤二氧化碳的释放或吸收做定量测定。

该方法和装置可用于自然状况下多地点、多样地（点）土壤表层二氧化碳通量测定，具有便于携带、操作简单、省时间、经济、测定数据直接、快速可靠等优点。

关键词：土壤二氧化碳通量，原位测定，方法，装置
0.引言
土壤二氧化碳是土壤空气的主要气体成分[2，11，13，21，27]，也是大气主要温室气体的重要来源或存储库[12，30，37]。

土壤二氧化碳通量作为陆地与大气界面温室气体交换量的重要度量指标,反映了土壤物理、化学、生物性质和人类对土地利用、地下矿产资源[35，25]、岩溶[33，28]等状况，由于对全球气候变化的贡献和影响很大，已经受到世界各个国家的关注和重视。

为了准确地进行陆地生态系统的碳核算，实施《联合国气候变化框架公约》，履行《京都议定书》义务，对土壤表面二氧化碳通量做比较精确的测定，具有实质而重要的意义[3，20，24，30，34]。

土壤二氧化碳的测定方法经历了一个比较长的历史。

最早的报道可追溯到Boussingault 和Lewy于1853年所发表的文章，他们采用了氢氧化钡溶液吸收土壤空气中二氧化碳的化学方法，在其后的一百多年的历史中，测定方法主要依靠在此基础上的化学吸收和物理气压计量测定，尽管在土壤化学和土壤生物化学方面进行了努力，其灵敏度问题仍然无法克服。

到二十世纪五十年代末，气相色谱（GC）方法的发明以及在土壤学方面的广泛应用，极大地提高了土壤二氧化碳测定的灵敏度[15，4]；相继发明了以涡度相关技术为核心的微气象学方法[22]、静态和动态箱法等方法[5-10，19，23]，随着现代科学技术的发展，土壤二氧化碳测定从单一化学方法，到化学-物理-生态学的多方位、多角度的测定方法，都有实足的进展。

在诸多的测定方法和设备装置中，应用比较广泛的土壤二氧化碳通量原位测定方法为微气象学方法和箱法。

Oswald[18]、Mosier[17]、Jennifer and James[14]等人先后对不同的测定方法作了比较分析和研究。

微气象学测定方法（micrometeorological method）是建立在气象学基础上的微型化气象测定方法。

它根据气温、地温、风向、风速、太阳辐射、降雨量等气象因子来推算土壤二氧化碳通量，要求建立观测站，包括观测塔和相关的气象观测仪器和设备，代价昂贵，需要维护，适于大范围、中长期定位观测，对于土壤二氧化碳通量的测定相对比较间接[16]。

箱法测定（chamber method）包括静态(static)和动态(dynamic)箱法两种。

静态箱法又分作静态箱—碱液吸收法和静态箱—气相色谱法。

静态箱—碱液吸收法是一种应用最早的化学方法。

在该法测定时，先把盛有碱溶液的容器敞口置于一个下端开口的样品箱里，快速密封
1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20050022014），国家自然基金（30671660）和教育部新
世纪优秀人才支持计划的资助。

样品箱，扣在待测样地上，一段时间后拿出做酸碱滴定，然后计算土壤二氧化碳通量。

该方法简单、易行，技术成熟，不要求昂贵的仪器设备，可以多点、长时间测定，但在野外不大方便，测定结果常常偏低[14]。

静态箱—气相色谱法即用密封的箱子在野外收集二氧化碳，用注射器采集气体样品，在实验室用气相色谱(GC)测定二氧化碳的浓度，进而推算此时此地的土壤二氧化碳通量。

该方法的优点是结果稳定，重现性良好，缺点是需要配备价格昂贵、保养困难、专业操作的气相色谱仪，同时比较间接，需要将样品从野外拿到实验室分析，不方便[1，32]。

动态箱法是通过测定所覆盖箱体进出口二氧化碳的浓度差，以及流速和箱体覆盖面积，计算出土壤二氧化碳通量。

动态箱法通常包括动态密闭箱法和动态开放箱法。

动态开放箱法的优点在于比较客观而真实，缺点是容易受箱体内外气压差的影响造成较大的误差，一般需要校正；动态密闭箱法一般不需要校正。

动态开放箱法目前被认为是比较理想的方法[14，26]，但是，仪器设备昂贵，主要靠国外进口；加之微电脑控制，操作复杂，需要经过培训，一个主机最多可控制16个样点箱，仅能做一个样地的监测，不便移动；需要供电，在野外测定受到限制。

目前国内测定土壤二氧化碳通量多使用静态箱-碱液吸收法和静态箱-气相色谱法，未见有类似成熟的动态箱法技术和仪器设备。

本研究针对这个问题，利用国内现有技术、设备力量，设计制作一套土壤二氧化碳通量原位测定的技术方法和装置，试图解决同类方法和仪器中价格昂贵、操作复杂、测定数据间接、携带不方便等问题和困难。

1.方法原理
土壤二氧化碳产生于土壤动物、土壤微生物和植物根系新陈代谢（土壤呼吸）和土壤有机质分解、碳酸盐的矿化或沉积，受土壤温度、土壤湿度、土壤孔隙度、土壤结构、土壤质地等土壤物理、化学和生物性质以及地上植被、大气、人类利用方式等因素的影响，随时间、空间分布而发生变化。

本研究利用密闭的可以移动的箱体，盖在所选样地上，根据红外线对二氧化碳气体特殊吸收的物理性质，测定土壤在一定时间内放出或吸收二氧化碳的动态变化，根据公式计算出土壤二氧化碳通量。

具体为：在提前放置好的一定面积的底圈上（剪去圈内植物），盖上具有一定体积大小、连通接管的密封盖子，接管通向CO2红外线测定仪，形成一个闭合回路，定时测量箱体内的CO2浓度变化，根据理想气体计算公式将实地测定的数值转换为标准状况下数值，即可得到标准状态下单位面积和单位时间的土壤二氧化碳通量值。

2.装置构成
本装置由两大部分组成：仪器部分和密封容器部分（具体见图1.简易装置构造图）。

1为仪器—便携式红外线分析仪（北京市华云分析仪器研究所有限公司生产），用2和8胶管与容器连接。

容器又分做三个小部分：3底圈、6大盖和7小盖。

3底圈是土壤和容器连接的媒介体，需要提前固定到待测土壤表层（见图2。

剖面图），6大盖上镶有5进气管和10出气管管头与2、8胶管连接，与3底圈密封结合；7小盖由9微型风扇、7小盖和4电池组成，与6大盖以丝口（带橡胶垫片）形式装卸和固定而成。

图1简易装置构造图
图2.剖面图
3.操作步骤
提前固定底圈到待测量土壤表面，尽可能避免干扰所测量范围，去除底圈内的活植物体。

底圈的个数根据需要而定，一般一台便携式红外线分析仪可以在3-4hr内测量20~50个样点。

测量时，首先用胶管将仪器和大盖按照进气和出气方向对应连接起来，把大盖盖到底圈上，密封起来，这时，打开泵开关，二氧化碳初始浓度值（X1）即在显示器上读出来；然后，尽快将装有微型风扇和电池的小盖拧紧到大盖上。

立即记录时间，持续3-5min时，在显示器上所读数值即为该时间二氧化碳的即时浓度值(X2),此时，第一个样点的土壤二氧化碳通量测量完毕，可以逆组装顺序依次卸下小圈、大圈，移向下一个样点进行测量。

4.结果计算
设土壤二氧化碳通量为F(mg.m-2.hr-1),容器的高为H(m)，测定时间变化为∆t(hr), 根据理想气体方程得：
F=α×(X2-X1)×H /∆t (1)
式中α为换算系数为1.80(25℃,1个标准大气压)
5.案例
某一森林土壤样地的实际测量数据如下表1。

表1 实际测量数据表（单位：ppm）项目样点1 样点2 样点3 总和平均值
初始值X1 480 460 500 1440 480
即时值X2570 520 550 1640 550
测定时间为∆t =3分钟
根据给定的计算公式（1）计算如下
F(mg.m-2.hr-1)= K×(X2-X1)×H /∆t
=1.8×(550-480) ×0.045×60/3
=113.4(mg.m-2.hr-1)
即该样地此时的土壤二氧化碳通量是向大气中释放113.4 CO2 mg.m-2.hr-1。

6.结论
本研究设计了一套土壤CO2 通量原位测定的装置，介绍了使用该装置测定CO2 通量的原理、方法、步骤、计算公式，并给出了运用该装置和方法测定的数据计算案例，可用于自然状况下多地点、多样地（点）土壤表层二氧化碳通量的原位测定，具有花费小、便于携带、易操作、省时和测定数据可靠、直接、快速等优点。

7.致谢
在研究过程中，北京林业大学土壤学科的老师们给予了方便和支持，在此表示感谢！
参考文献
[1] Anderson,J.P.E.; 1982 Soil respiration, In: Page,A.L., and et al., 1982. Methods of soil analysis, Madison, Wisconsin USA, 831-871
[2] Bremner,J.M.; Blackmer, A.M., 1982. Composition of soil atmospheres, In: Page, A.L., and et. Al., 1982. Methods of soil Analysis, Madson, Wisconsin USA. 873-874
[3] Bouwman,A.F., 1990. Soil and the greenhouse effect, John Wiley & Sons 195-223
[4] Castro, M. S.; Peterjohn, W.T.; Melillo, J. M.; Steudler, P. A. 1994. Effects of nitrogen fertilization on the fluxes of NO2, CH4, and CO2 from soils in a Florida slash pine plantation. Cannadian Journal of Forst Research. 24:9-13
[5] Cropper, W. P.; Ewel, K. C,; Raich, J. W. 1985. The measurement of soil CO2 evolution in situ. Pedobiologia. 28:35-40
[6] Davidson, S., and et al. 2002. Minimizing artifacts and biases in chamber-based measurements of soil respiration, A gricultural and Forest Meteorology, 113:21-37
[7] Edwards, N. T. 1982. The use of soda-lime for measuring respiration rate in terrestrial ecosystems. Pedobiologia. 23:321-330
[8] Edwards, N. T.; Sollins, P. 1973. Continuous measurement of carbon dioxide evolution from partitioned forest floor components. Ecology. 54:406-412
[9] Garrett, H. E.; Cox, G. S. 1973. Carbon dioxide evolution from the forest floor of an oak-hickory forest. Soil Science Society of America Journal. 37:641-644
[10]Hanson,P.J.; Wullschleger, S.D. et.al.,1993. Seasonal and Topographic Patterns of Forest CO2 Efflux from an upland oak forest. Tree Physiology. 13:1-15
[11]Harold, J.L.; Robert, F.C, 1946 Forest soils, John Wiley &sons,257-260
[12]Harrison,A.F.; Howard, P.J.A.; and et al.,1995. carbon storage in forest soils, forestry, 68(4):335-347
[13]Jeffrey,D.W., 1987. Soil-Plant relationships an ecological approach, Croom Helm,129-132
[14]Jennifer, D.K. and James, M.V., 2002. quantitative comparison of in situ soil CO2 flux measurement methods, Forest service, United States Department of Agriculture(USDA),1-10
[15]Keith A. Smith, 1983. Gas Chromatographic Analysis of the soil Atmosphere, In: Keith A. Smith, 1983. Soil Analysis. Marcel Dekker, 408
[16]Mosier, A.R., 1990. Gas flux measurement techniques with special reference to techniques suitable for measurements over large ecologically uniform areas In: Bouwman A.F., 1990. soil and the greenhouse effect, John wiley and sons, 289-301
[17]Mosier,A.R., 1990. Gas flux measurement techniques with special reference to techniques suitable for measurements over large ecologically uniform areas, In: Bouwman,A.F., 1990. soils and greenhouse effect, John Wiley & Sons, 289-301
[18]Oswald,V.C.; Pascal, B. 2002. Greenhouse gas fluxes, Measurement of. In: Rattan, L., 2002, Encyclopedia of soil science, 626-629
[19]Raich,J.W.; Bowden, R. D.; Steuder, P. A.,1990, comparison of two static chamber techniques for determining carbon dioxide efflux from forest soils. Soil Science Society of America Journal. 54:1754-1757
[20]Raich,J.W.; Schlesinger,W.S. 1992. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate. Tellus. 44D:81-99
[21]Shukla,M.K.; Lal,R., 2006. Air permeability of soil, In: Lal, R., 2006.encyclopedia of soil science, Taylor & Francis,60-63
[22]Swinbank E C. 1951. Measurement of vertical transfer of heat and water vapor by eddies in the lower atmosphere. J. Meteorol, 8:135-145
[23]Vose,J.M.; Elliott, K. J.; and et. Al., 1995. Effects of elevated CO2 and N fertilization on soil respiration from ponderosa pin. Canadian Journal of Forest Research. 25:1243-1251
[24]陈泮勤，黄耀，于贵瑞等，2004. 地球系统碳循环，北京：科学出版社，221
[25]贾国相，陈远荣，张美娣，2003，土壤二氧化碳方法找矿效果与前景，南方国土资源，（8）：36-40
[26]李凌浩，陈佐忠. 1998. 草地群落的土壤呼吸，生态杂志，17：45-51
[27]李学柱，1961.耕地土壤空气组成及土壤呼吸强度的测定方法，土壤通报，（4）：61-65
[28]梁福源，宋林华等，2000.路南石林地区土壤空气中CO2浓度分布规律与地下溶蚀形态研究，中国岩溶，19（2）：180-187
[29]刘绍辉，方精云，1997.土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响，生态学报，17（5）：469-476
[30]孙向阳，1999，森林土壤和大气间的温室效应气体交换，世界林业研究，12（2）：38-43
[31]孙向阳，乔杰，谭笑，2001.温带森林土壤中的CO2排放通量，东北林业大学学报，29（1）：34-39
[32]于贵瑞，李海涛，王绍强，2003. 全球变化与陆地生态系统碳循环和碳积累，北京：气象出版社，372-375
[33]俞锦标，李春华等?，1985.贵州普定县岩溶地区土壤空气中CO2含量分布及岩溶作用的研究，中国岩溶，（4）：325-331
[34]张万儒，许本彤，1984. 森林土壤定位研究方法，北京：中国林业出版社，66-76
[35]张美娣，1996.二氧化碳找矿方法及其应用，矿产与地质，10（5）：336-345
[36]周存宇等，2004，鼎湖山森林地表CO2通量及其影响因子的研究，中国科学D 辑地球科学，34（增）：
175-182
[37]曾荣树，孙枢等?，2004。

减少二氧化碳向大气层排放——二氧化碳地下储存研究，中国科学基金，196-200
[38]GB/T18204.24-2000
A Method and Apparatus of Measuring CO2 Flux from Soil
In Situ.
Gao Chengda1, Sun Xiangyang1, Cao Jixin1, Zhang Qiang1, Luan Yaning1, Hao
Hudong2, Li Zejiang2, Tang Qingyun3
1 Beijing Forestry University, Beijing, P. R..China. (100083)
2 Inner Mongolia Agricultural University, Huhehaote, P. R. China (010019).
3 Beijing Huayun Analytical Instrument Institute, Beijing, P. R. China (100035).
Abstract
The paper has introduced a measuring method and it’s apparatus for CO2 flux from known areas of soil surface in situ. The apparatus consists of two Parts: an analyzer and an chamber. The Infrared CO2 Gas Analyzer was connected with the closed chamber by soft pipe. The apparatus was specifically designed to provide fast, convenient repeatable, portable survey measurement with adequate spatial and temporal sampling.
Keywords: soil CO2flux , method, apparatus, measuring in situ,
作者简介：
高程达，高级工程师，博士，主要从事生态环境工程和土地资源利用方面的研究；
孙向阳，教授，博士生导师，主要从事森林土壤和营养学方面的研究。