不同深度土壤CO2通量的原位测定方法及装置

不同深度土壤CO2通量的原位测定方法及装置1
高程达1，孙向阳1，石凤翎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：本研究介绍了一种不同深度土壤二氧化碳通量的原位测定方法及装置。

鉴于土壤与空气之间的对流和扩散原理，利用标有尺度的钻杆，由土壤表面垂直向下钻眼，借助于样杆，从不同土壤深度中取得二氧化碳样品，直接通往仪器，根据红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，定时测定不同深度土壤放出或吸收二氧化碳的浓度。

将不同深度土壤所测得CO2浓度值，代入计算公式，即可求得标准大气压下，某一土壤深度单位面积、单位时间内的二氧化碳通量值。

本研究可用于土壤不同深度CO2通量的观测、不同深度土壤层CO2存储量的估测、土地利用变化引起土壤CO2释放量变化的测算和估计，以及植被或地力恢复速率的评价，如工业废弃物、垃圾、采矿迹地的处理和恢复等。

关键词：土壤CO2通量;方法和装置; 原位测定; 不同深度
0. 引言
在地球陆地生态系统中，伴随者漫长的土壤形成、发育过程，土壤CO2成为土壤空气的主要气体组成成分[1，3，6，9，13，15]。

由于工业革命的兴起，引起人类地球家园的环境恶化。

科学家已经证实：温室效应是气候变暖的主要原因，其中CO2气体扮演主要角色。

在全球碳循环过程中，大气CO2通过初级生产者生产和固定到陆地土壤，又从土壤不断溢出回到大气中，因此，土壤CO2是全球碳循环的重要形式和环节，是陆地生态系统中碳循环的重要驱动者[5 ]，也是大气主要温室气体的重要来源或碳存储库[4，16，20]。

土壤CO2通量作为陆地与大气界面温室气体交换的重要度量指标,不仅反映了土壤物理、土壤化学、土壤生物性质，也反映了人类对土地利用、地下矿产资源[12，18]、岩溶[14，17]状况，土壤CO2通量还可用于植被或地力恢复速率的评价，如工业废弃物、垃圾、采矿迹地的处理和恢复的程度。

土壤CO2对全球气候变化的贡献和影响之大，已经受到世界各个国家的关注和重视。

为了进行陆地生态系统的碳核算，对土壤CO2做系统的观测、测定是必要的和具有重要意义的[2，8，10，16，19]。

不同深度土壤CO2通量的原位测定是指在野外对不同深度土壤层的单位时间、单位面积所放出二氧化碳多少的测定，是土壤二氧化碳通量测定中的表面（水平）和土层（垂直）两个方向二氧化碳通量测定的其中之一。

土壤表面二氧化碳通量的原位测定方法及装置已有报道[11]。

但是，对于不同土壤深度CO2通量的测定方法和装置，国内未见报道，国外研究很少。

国外曾有人用取样探针（gas sampling probes）和气密注射器（gastight syringes）从野外取样，再拿到实验室注入气相色谱（gas chromatography），测得该深度土壤二氧化碳浓度[7]，这种测定方法有以下不足：1）非原位测定，所使用的取样方法限制和干扰了二氧化碳正常扩散溢出，影响了测定结果的准确性；2）仪器设备的购置费用和维护费用比较昂贵，难以推广应用。

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.
为了预测土地利用变化引起的从土壤到大气的二氧化碳释放量，估算一定深度土壤的二氧化碳存储量大小，观测土壤不同深度CO2通量，解决上述提及的测定结果的准确性和降低成本费用等问题，我们设计了本测定技术路线，研制出相关测定方法和装置，并应用于野外观测。

1. 方法原理
本测定方法是基于土壤与空气之间的对流和扩散的原理，利用标有尺度的钻杆，由土壤表面垂直向下钻眼，借助于样杆，从不同土壤深度中取得二氧化碳样品，直接通往仪器，根据红外线对二氧化碳气体具有特殊吸收的物理性质，定时测定不同深度土壤放出或吸收二氧化碳的浓度值。

将不同深度土壤条件下测得CO2浓度值，代入计算公式，即可求得标准大气压下，某一深度单位时间、单位面积土壤的二氧化碳通量值。

2. 装置构成
本装置由三大部分组成：仪器1、样杆2和钻杆3（具体见图1.装置图）。

1为便携式红外线分析仪。

在仪器1上设有进气孔11和出气孔12。

用进气胶管13将仪器1与样杆2连接。

样杆2由八部分组成：杆头21、取样孔22、土档23、接口24（杆）、刻度25（杆）、挡头26（杆）、把柄27、接管孔28。

钻杆3由五部分组成：钻头31、接口32（钻）、刻度33（钻）、把柄34（钻）、挡头35（钻）。

13
图1. 装置图
图2. 测定图
3. 操作步骤
3.1 不同深度土壤二氧化碳通量的连续测定
预先将仪器1与样杆2用胶管连接起来，打开仪器，首先测定土壤表面的二氧化碳浓度值X0，并记录时间T0, 同时将钻3的钻头31放到待测土壤表面，手握把柄34向下用力按或用斧头打挡头35，当钻进入土壤一定深度时，取出钻3，轻轻将样杆2放入所钻孔里，然后测定这个深度的土壤二氧化碳浓度值X1，并记录拿出钻到测定的时间T1；再将钻3放入原来的孔中，继续用手握住把柄34向下用力按或用斧头打挡头35，当钻进入一定深度时，取出钻2，将样杆2放入所钻孔里，测定该深度的土壤二氧化碳浓度值X2，同样记录拿出钻到测定的时间T2，这样，依次钻孔、放样杆、测定、记时间，重复进行，测定n次，即可测定最大深度达200公分处的土壤二氧化碳通量。

3.2 某一深度土壤二氧化碳通量的测定
预先将仪器1与样杆2用胶管连接起来，打开仪器，首先测定土壤表面的二氧化碳浓度值X0，并记录时间T0；将钻3直接打到某一深度（小于等于200公分），抽出钻3，放入样杆2，测定这个深度的土壤二氧化碳浓度值X n，并记录拿出钻3到测定的时间T n。

3.3 同一深度土壤二氧化碳通量的连续时间测定
如需要从某一时间开始做连续测定，即可将钻3打到一定深度后取出，再把样杆2插入，固定到这一土壤深度，在仪器上设定采集数据的间隔时间，观测和持续纪录这一土壤深度的二氧化碳通量随时间的变化情况。

综上述，一台便携式红外线分析仪可以测量不同土壤深度0—200公分（每10公分一个刻化单位）的n=20个样点值；也可以测定任意深度（小于等于200公分）土壤二氧化碳的
通量，以及测定同一深度土壤二氧化碳在一段时间内的连续观测值。

4. 结果计算
设土壤二氧化碳通量为F(mg/m 2. hr), 某一深度H (m) 的柱状孔体积为V(m 3)、表面积为S(m 2),时间为△T(hr),则：
F h
(mg/m 2·hr) = k ·△X = k ·△X ·
= k·△X (1)
本装置的钻杆直径是0.03米，所以代入(1)式，得：
F h (mg/m 2.hr)= k ·△X (2)
式中k 为换算系数为1.80(25℃,1个标准大气压)
△X = X n-1-X n
S= S 1 +S 2, 其中S 1为孔的底面积，S 2为孔壁面积
5. 案例
某一草原土壤样地的测量数据见表1.
表1. 实际测量数据表 单位：ppm 样点1 样点2 样点3 样点4 样点5 深度cm
8:00 8:15 8:30 8:50 9:05 求和 平均值 0
430 460 480 490 510 2370 474 10
460 550 640 660 650 2960 592 20
510 590 680 730 710 3220 644 30
600 660 750 790 760 3560 712 40
670 760 800 860 810 3900 780 50
760 820 880 950 880 4290 858 60
840 890 960 1050 1000 4740 948 70 1190 1270 1100 1400 1370 6330
1266
每10公分深的测定间隔时间△T = 1分钟，打钻时间1分钟/个
根据给定的计算公式（2），计算地下60-70公分深度的土壤二氧化碳通量如下：
F 60-70 (mg/m 2.hr) = k ·△X =1.8×（1266-948）× × 60 0.015H （0.015+2H ）·T △ V S · T △
R 2π · H
(R 2π+2R π·H) · T △ R · H (R+2·H) · T △ 0.015H
（0.015+2H ）·T △ 0.015×0.1 （0.015+2×0.1）× 1
= 239.6（mg/m 2.hr ）
如果计算地下0-70公分深度的土壤二氧化碳通量，可根据公式（2）得：
F 0-70 (mg/m 2.hr) = k ·△X
= 1.8×（1266-474） × 60
= 45.3（mg/m 2.hr ）
6. 结论
本研究设计了一套不同深度土壤CO 2 通量原位测定的技术路线、方法和装置，介绍了使用该装置测定CO 2 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，可进行区域内、自然状况下多地点、多样地（点）、0—200mm 土壤深度二氧化碳通量的原位测定，具有花费小、易操作、省时、便携和测定数据可靠、直接、快速等优点，用于土壤不同深度CO 2通量的观测、不同深度土壤层CO 2存储量的估测、土地利用变化引起土壤CO 2释放量变化的测算和估计，以及植被或地力恢复速率的评价，如工业废弃物、垃圾、采矿迹地的处理和恢复等。

7. 致谢
在研究过程中，北京林业大学土壤教研组的老师们给予了方便和支持，在此表示感谢！
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[21]GB/T18204.24-2000
A Method and its Apparatus of Measuring CO2 Flux from
Various Soil Depths In Situ
Gao Cheng-Da1，Sun Xiang-Yang1，Shi Feng-Ling2，Tang Qing-Yun3
1.Beijing Forestry University，Beijing （100083）
2.Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot （010019）
3.Beijing Huayun Analytical Instrument Institute，Beijing （100035）
Abstract
The study has introduced a measuring method and its apparatus for CO2 fluxes from depths known of soil in situ.
The apparatus consists of three parts: an analyzer, a drilling pole and a probe pole. The Infrared CO2 Gas Analyzer was connected with the probe by soft pipe. According to a principle of convection and diffusion between soil air and atmosphere, a drilling pole, on which dimensions was marked, has been drive from soil surface into any depths vertically. The sample of CO2 from soil is obtained in the different depths of the soil and measured by the Infrared CO2 Gas Analyzer with the probe pole, which based on the physical property of infrared ray absorption for CO2 specially. The CO2 fluxes from the different depths of soil are carried out by a formula given finally.
The method and apparatus are helpful to measure CO2 fluxes in the different soil depths in situ, to estimate the CO2 storage in soil, to measure the changes of CO2 released from soil by Land Use Change, and to evaluate the potential of land productivity recuperated and vegetation recovered.
Keywords：soil CO2 flux，method and apparatus，in situ，various soil depths
作者简介：
高程达，博士生，高级工程师，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，博士生导师，教授，主要从事森林土壤和营养学方面的研究。