LI-8100土壤碳通量测量系统

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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)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.Consistentland-andatmosphere-basedU.S.carbonsinkestimates.Science292:2316-2320)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,etal.,2000.SoilCO2fluxinamixedforest:...GlobalChangeBiol6:907)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一、土壤呼吸研究背景大纲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(initialrate)；二、土壤呼吸测量LI-8100CO2IncreasewithTime380390400410420430440020406080100120140160Time(s)CO2(ppm)tCSVFCO2LI-8100方法估算初始斜率)''('00CCadtdCxtttCTRSWVPFoooCO')15.273()10001(102Initialrate=slopeatC′=C′000ttaxxeCCCtC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缺陷：无法解决文氏管效应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。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）。Initialrate=slopeatC′=C′0)''('00CCadtdCxtt00ttaxxeCCCtCFittoC′(watervapordilutioncorrectedCO2concentration)vs.timeFinalequationtCTRSWVPFoooCO')15.273()10001(102Requirements:CO2-chamber=CO2-airThefluxatthetimewhenCO2-chamber=CO2-airLI-8100设计的独特之处数据分析模型——指数拟合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设计的独特之处气室基座多孔设计——避免CO2累积PerforatedBaseplate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。◆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◇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。红色=低通量速率；蓝色=高通量速率大纲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LI-8100自动土壤CO2通量测量系统——主机四、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——四种气室8100-102Surveychamber8100-104long-termchamber8100-103SurveychamberLI-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自动土壤CO2通量测量系统——辅助传感器接口注意：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。硬件连接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；•IRGAReady-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IRGAReady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。•Active-当LI-8100开始测量时，此灯亮；•LowBattery-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MeasurementConfiguration，出现SingleChamberConfiguration对话框。测量chamberoffsetSurveychamberLongtermchamber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•应提前埋置soilcollar，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soilcollar不移动，且不存在漏气；•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，surveychamber一般露出2~3cm，longtermchamber露出3~4cm。土壤collar埋置注意事项使用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；10cm短期调查室–LI-CORp/n8100-102;20cm短期调查室–LI-CORp/n8100-103;长期测量室–LI-CORp/n8100-101;长期测量室–LI-CORp/n8100-104。2、点击Observation标签，设置测定时间测定时间中各项时间的解释可通过设定ObservationCount，在相同的参数条件下做几次重复观测，每个观测被ObservationDelay(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。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DeadBand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Type1记录都将记录下来。但是，直到测量室关闭前，过去时间(ElapsedTime，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。ObservationLengthDeadBand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。DeadBand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DeadBand设定为10~60s，可提供足够的混合。但是，可能有些情况下，需要将DeadBand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(FileViewer)程序，使用更长(或更短)的DeadBands重计算。ObservationCount选中‘StopObservationifRHreaches’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。ObservationDelay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ObservationDelay。当一个观测完成后，测量室将自动升起离开土壤collar，如果ObservationCount(above)被设定为2以上，ObservationDelay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，ObservationDelay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。PurgeTimePurgeTime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PurgeTime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PurgeTime是足够的。StopObservationifRHreaches…3、数据记录输出数据记录要选中通量计算4、流量调整5、土壤水分传感器设置6、在ConfigurationCategories列表中点击Repeat，查看Repeat窗口。RepeatMeasurement栏目，容许您按照一定的时间间隔，对已定义的测量方案重复测量，这些功能对于无人职守的长期测量非常有用。例如，设定Obs.Length:90s，Deadband:45s，Obs.Delay:2min和Obs.Count:3次。然后将这个方案以每小时间隔重复，共进行240小时(1