自动土壤呼吸监测系统

一、用途在自然环境下急速增加的CO2含量及其对未来环境的的影响测量越来越多地引起研究人员的兴趣，其中土壤呼吸作为土壤净CO2交换的表征值和土壤生物量的微生物降解值，极大程度上反映了土壤的”健康”情况。土壤呼吸实验可与许多其他研究应用领域相关，共同研究土壤各种生理生态变化碳平衡。土壤的呼吸可以定义为CO2的净产生和O2的净消耗。CO2气体交换的总量经常被看作是土壤微生物活性的指示。因为微生物是土壤中各种生化反应（腐烂、腐殖质的形成等等）的主体。土壤微生物的活性有时被看作土壤是否“健康”的标志。实际上土壤的呼吸是由土壤多种生物参与的，比如根、细菌、真菌、原生动物等。土壤的呼吸受多种因素影响，如生物含量、土壤湿度、土壤温度。?碳平衡?微生物生态学?土壤生物量?杀虫剂影响?生物治疗?涡度相关 二、工作原理 ACE开始测定前呼吸罩自动关闭，形成密闭的呼吸室。在呼吸室内，ACE具有一个高精度的CO2红外气体分析仪（IRGA）。由于红外分析仪直接内置于呼吸室内，其结构非常的紧凑，分析室与分开的分析仪之间无需长的连接管。分析仪紧凑的结构特点保证分析仪对CO2交换快速的响应，同时避免长气管通气过程中“气障”想象，仪器安装较为简单且便于田间应用。土壤呼吸室内存在压力释放阀和风扇设计，有效调节内部气体压力变化，满足测定起始点的设定压力要求。 三、系统特点 ACE是专业气体分析仪，可自动操作，且操作过程简便易行，不需外接PDA或电脑完全整合系统，可进行长期无人坚守的连续定点监测整个CO2分析仪都在土壤呼吸室内，结构紧凑，缩短响应时间可以单个单点使用，也可以多个组成网络系统使用可连接多达10个水分和温度传感器带有自动零校准装置各种呼吸室可自由更换(选配开放式) ACE系统是一个完整的系统，包括土壤呼吸室及与主机相连的呼吸臂。主机有较大的液晶显示屏，通过5个键选择菜单，实现所有功能的程序控制。ACE系统显示并记录气体交换数据、土壤通量的计算及其它传感器的测量数据，读数通过容易更换的闪存卡存储。ACE系统可通过电池、太阳能板或风轮供电，典型的40Ah汽车电池在ACE系统连续运行条件下，可用28天。ACE系统可实现开放式或者密闭式系统配置，密闭系统设计用于快速测量，而开放式呼吸室内的土壤更接近于自然暴露状态，基本上可以消除呼吸室内外的气压差，测定值更接近于真实值。开放式系统具有1L测量室，密闭式系统具有2.7L测量室，两种尺寸测量室均可采用铝材料或塑料制造。 多个ACE系统共同使用时，可通过一个中央控制主机统一控制系统，可以连接多达30个单机，每台单机可单独测量，将数据传回主机。连接方式较为简单，可快速连接ACE系统与主机，同时进行多个呼吸试验时，通过主机程序控制每个ACE系统的取样时间及循环时间。主机具备图表显示功能，可以得到实时的曲线图，可视化土壤呼吸的变化趋势，便于更直观地进行监测。网络系统：开放、闭路模式可选；每种模式网络系统有8台、16台、30台单机可选，也可单独选配。最长可达200m范围内。 三、系统组成 ACE单机，网络控制主机，外接土壤温度和土壤水分传感器 四、技术指标 *红外气体分析仪： 内置于土壤呼吸室，气路很短，响应时间短*CO2：测量范围： 标准范围0-896ppm， 分辨率：1ppm读数的稳定性：+/-读数的1％ACE使用的红外分析仪对水汽不敏感，可以精确测量CO2，所以不需要测量H2O。漂移： 0.6％PAR： 0-3000μmols m-2 s-1 硅光电池*土壤温度热电阻探头： 测量范围：-20～50℃，可接多达6个土壤温度探头*土壤水分探头SM300： 测定范围0～100vol％ ；精度3％（针对土壤进行标定后）；测量土体范围：55mm x 70mm；可接多达4个土壤水分探头*土壤水分探头Theta： 测量范围0-1.0 m3.m-3；精度±1％（特殊标定后）探头尺寸；探针60 mm 长，探头总长207mm；可接多达4个土壤水分探头呼吸室流量控制： 200-5000ml/min (137-3425 μmols sec-1)，精度：±流速的3％*呼吸室类型： 开放式和闭合式两种模式可选*呼吸室罩类型： 透明罩和不透明罩可选*仪器操作： 独立主机，不需要PC/PDA数据纪录： 1G移动存储卡（CF），可存储4000000万组数据*电源供应： 外用电池、太阳能板或风力供应，12v、40Ah蓄电池最长可持续供电28天，仅网络式有内部电池1.0AhRS232输出： 可选择波特率，最大19200波特率电子部分连接： 坚固，防水的3pin插口（头）程序： 界面友好，通过5键控制气体连接： 3 mm气路接头显示： 240×64点阵 LCD屏幕尺寸： 82×33×13cm密封室体积： 2.6 L开放室体积： 1.0 L土壤呼吸罩直径： 23 cm重量： 7.0 kg ACE网络系统技术特性：*网络系统组成： 1台网络主机，可连接多达30台单机；*测量区域范围： 直径可达200m；*网络系统测量模式： 开放和闭合模式可选，也可开放和闭合模式单机混合选配；*系统特性： 主机和单机均可独立运行，不需要PC和PDA； *单机特性： 每台单机都可独立运行，不需要PC和PDA；*网络系统中所有单机同时测量和传输数据；*红外分析仪内置于呼吸室，气路短，省电，响应时间短且降低了水汽冷凝和动物啮咬的风险；*主机数据管理功能强大：可在主机上同时查看多台单机的一个参数数据，可在主机上同时查看多台单机的所有参数数据，可在主机上查看一台单机某时的所有参数数据，可在主机上查看一台单机所有时刻所有参数的数据，………… 五、参考文献：(1)Ecosystem-scale biosphere–atmosphere interactions of a hemiboreal mixed forest stand at J?rvselja， Estonia. Forest Ecology and Management. Noe S. M.， Kimmel V.， Hüve K.， Copolovici L.， Portillo-Estrada M.， Püttsepp U.， J?giste K.， Niinemets U.， H?rtnagl L. and Wohlfa(2)李升东，王法宏，司纪升，孔令安，刘建军，冯波，张宾. 耕作方式对土壤微生物和土壤肥力的影响[J]生态环境学报.2009:18(5) 六、ACE自动土壤呼吸监测系统产地 英国 上一款仪器： 已到开始位置 下一款仪器： 已到结尾 相关应用案例 新疆地区技术服务 2011-12-28 水生呼吸代谢系统用于冷水鱼代谢研究 2011-08-29 相关文献 （ACE文献）Ecosystem-scale biosphere–atmosphere interactions of a hemiboreal mixed forest stand at J?rvselja， Estonia 2012-03-19 土壤硝化和反硝化作用研究方法进展 2012-01-29 基于BaPS系统的旱地土壤呼吸作用及其分量确定探讨 2012-01-29 BaPS系统的旱地土壤呼吸作用及其分量确定探讨 2012-01-29 陆地生态系统氮沉降增加的生态效应 2012-01-29 ADC碳交换监测仪器参考文献 2012-02-07 植物光合与土壤呼吸测量系统文献列表及摘要汇总(LCpro) 2012-01-10 库布齐沙地土壤呼吸研究 2012-01-29 气候变暖背景下森林土壤碳循环研究进展 2012-01-29 中国农田生态系统土壤呼吸作用研究与展望 2012-01-29 耕作方式对土壤微生物和土壤肥力的影响 2011-04-27 甘肃民勤绿洲-流沙过渡带植物群落光合和呼吸特征的比较研究 2012-01-29 希拉穆仁围封草原土壤呼吸通量研究 2011-04-27 陆地生态系统氮状态对碳循环的限制作用研究进展 2011-03-01 中国陆地生态系统通量观测研究网络的（ChinaFLUX）研究进展及其发展思路 2011-03-01 SBR系统中活性污泥内源呼吸速率的研究---北京澳作提供多功能活性污泥呼吸测量系统 2009-05-23

WSD-310全自动土壤呼吸室 土壤呼吸室是一种对于来自土壤的气体进行收集测量的土壤呼吸测量装置，可实现对土壤CO2通量的在线长期、连续监测。土壤呼吸室的动压平衡设计可最大化模拟真实环境。土壤呼吸系统总重约5.0 kg，装有便携式把手，可轻便携带。同时，该系统还可用于大气CO2、水蒸气廓线研究，也可通过连接其它环境传感器（如太阳辐射、土壤温度和土壤水分传感器等），研究环境条件变化与土壤CO2通量的相关性。主要特点l 特殊的动压平衡设计，最大化模拟真实环境l 可实现长期、连续工作l 结构紧凑，体积小，重量轻，携带方便l 曲线型设计，防水防尘效果好，适合野外测量l 航空插头，快捷、安全、精确l 手持式设备（手机、平板）远端操作，便捷科学技术参数生产厂家：唯思德科技

前言ACE土壤呼吸监测技术由英国ADC公司根据呼吸室法研制，ACE土壤呼吸监测仪（简称ACE）由可自动开/闭呼吸室、内置CO2分析仪的旋转臂及控制单元组成一个完整紧凑的野外监测仪器，有封闭式测量仪和开放式测量仪两种，包括封闭透明式、封闭非透明式、开放透明式、开放非透明式等所有呼吸室测量方法技术，可定点全自动连续监测土壤呼吸及土壤温度、土壤水分和PAR，整机防水防尘，数据自动存储到存储卡中，12V 40Ah蓄电池可在野外连续监测近1个月时间。ACE是目前世界上唯一可长期放置在野外进行土壤呼吸监测的高度集成仪器。 上图中研究人员分别使用开放式透明（左）和开放式非透明（右）两种呼吸室进行测量应用领域ü 全球碳收支平衡研究，为碳交易提供准确的数据来源ü 与气候变化数据相结合，研究温室气体排放对气候变化的影响ü 与涡度相关数据结合，对通量变化做出合理解释ü 对土壤呼吸的影响因子及调控机制进行研究ü 不同作物或耕作类型或杀虫剂对土壤呼吸的影响ü 微生物生态学ü 土壤污染的恢复研究ü 填埋垃圾场土壤呼吸状态研究工作原理ACE采用两种测量模式：封闭式和开放式。两种模式采用不同的工作原理。1：封闭式测量原理：开始测定前呼吸罩自动关闭，形成密闭的呼吸室。紧邻呼吸室的机械臂内，具有一个高精度的CO2红外气体分析器（IRGA）。每隔10s对呼吸室的气体进行分析，在测量结束后通过分析数据自动计算土壤表面通量（土壤呼吸值）。2：开放式测量原理：开始测量前呼吸罩自动关闭，测量过程中，呼吸室与环境气体相连，顶部设有压力释放装置，保持内外气压稳定。在一定流速下达到稳态后测量泵入和泵出气体的CO2浓度差Δc，自动计算出通量值。功能特点l 高度集成、全自动化、一体式土壤呼吸监测系统，自动开/闭呼吸室，CO2分析仪、数据采集器及操作系统集成在一起，便于携带移动，无需额外配置计算机等外部设备，无需管路连接等复杂耗时的安装过程l 内置微机五键式操作系统，大型240×64点阵LCD屏用于设置操作、数据浏览及诊断l 有封闭式和开放式供选配，在干旱区等土壤呼吸微弱的情况下，建议选配封闭式测量l 呼吸室面积达415cm2，有透明呼吸室和非透明呼吸室供选择，前者适合用于测量低矮草本或禾苗群落碳通量，或用于测量有大量光合海藻类（如蓝藻）、苔藓地衣类植物的土壤碳通量（既有光合作用又有呼吸作用）l 高精度、高灵敏度CO2分析仪，分辨率为1ppml 可连接6个土壤温度传感器，4个土壤水分传感器，以监测不同剖面土壤水分与温度l 供电方式可从太阳能、蓄电池、220V交流电中三选一l 可购买多个ACE进行多点监测，可选配几个透明呼吸室和几个非透明呼吸室用于监测分析土壤及地上光合生物（如生物结皮、苔藓、低矮植被等）总光合、净光合、总呼吸、净呼吸及其相互关系和昼夜动态变化格局等技术指标l 红外气体分析仪：内置于土壤呼吸室，气路很短，响应时间快l CO2：测量范围：标准范围0-896ppm（可定制大量程和范围） 分辨率：1ppml PAR：0-3000μmol m-2 s-1硅光电池l 土壤温度热电阻探头：测量范围：-20-50℃，可接多达6个土壤温度探头l 土壤水分探头SM300：测定范围0-100vol%；精度3％（针对土壤进行标定后）；测量土体范围：55mm x 70mm；可接多达4个土壤水分探头l 土壤水分探头Theta：测量范围0-1.0 m3.m-3；精度±1%（特殊标定后）探头尺寸；探针60 mm 长，探头总长207mm；可接多达4个土壤水分探头l 呼吸室流量控制：200-5000ml/min (137-3425 μmol sec-1)，精度：±流速的3%l 呼吸室类型：开放透明、开放非透明、封闭透明、封闭非透明四种呼吸室供选l 仪器操作：独立主机，不需要PC/PDAl 数据纪录：2G移动存储卡（SD），可存储800万组以上数据l 电源供应：外部电池、太阳能板或风力供应，12v、40Ah蓄电池最长可持续供电28天，仅网络式有内部电池1.0Ahl 数据下载：读取SD卡或使用USB连接l 电子部分连接：坚固、防水的3pin插口（头）l 程序：界面友好，通过5键控制l 气体连接：3 mm气路接头l 显示：240×64点阵 LCD屏幕l 尺寸：82×33×13cml 密封室体积：2.6 Ll 开放室体积：1.0 Ll 土壤呼吸罩直径：23 cml 重量：9.0 kg 上图左为预埋钢圈，右为ACE连接土壤水分和土壤度传感器实物图呼吸室的选配操作屏幕和结果 应用案例屈冉等（2010）在秦岭利用ACE研究了土壤微生物和有机酸对土壤呼吸时的影响。研究显示土壤呼吸速率与土壤细菌、放线菌、草酸和柠檬酸呈极显著正相关。 产地英国选配技术方案1) 可选配多个ACE进行多点监测，与ACE MASTER主机组成网络监测方案2) 可选配土壤氧气测量模块3) 可选配高光谱成像以评估土壤微生物呼吸作用4) 可选配红外热成像研究土壤水分、温度变化对呼吸影响5) 可选配ECODRONE无人机平台搭载高光谱和红外热成像传感器进行时空格局调查研究部分参考文献1. K. Kri?tof, T. ?ima*, L. Nozdrovicky and P. Findura (2014). The effect of soil tillage intensity on carbon dioxide emissions released from soil into the atmosphere” Agronomy Research 12(1), 115–120.2. Xinyu Jiang, Lixiang Cao, Renduo Zhang (2014). Changes of labile and recalcitrant carbon pools under nitrogen addition in a city lawn soil. Journal of Soils and Sediments, March 2014, Volume 14, Issue 3, pp 515-524.3. Cannone, N., Augusti, A., Malfasi, F., Pallozzi, E., Calfapietra, C., Brugnoli, E. (2016). The interaction of biotic and abiotic factors at multiple spatial scales affects the variability of CO2 fluxes in polar environments” Polar Biology September 2016, Volume 39, Issue 9, pp 1581–1596.4. Liu, Yi, et al. (2016). Soil CO2 Emissions and Drivers in Rice–Wheat Rotation Fields Subjected to Different Long‐Term Fertilization Practices.” CLEAN–Soil, Air, Water (2016). DOI: 10.1002/clen.201400478 ().5. Xubo Zhang, Minggang Xu, Jian Liu, Nan Sun, Boren Wang, Lianhai Wu (2016). Greenhouse gas emissions and stocks of soil carbon and nitrogen from a 20-year fertilised wheat maize intercropping system: A model approach” Journal of Environmental Management, Volume 167, Pages 105-114, ISSN 0301-4797, . ().6. Altikat S., H. Kucukerdem K., Altikat A. (2018). Effects of wheel traffic and farmyard manure applications on soil CO2 emission and soil oxygen content” Thesis submitted from the “I?d?r University Agriculture Faculty Department of the Biosystem Engineering”.7. Cannone, N. Ponti, S., Christiansen, H.H., Christensen, T.R., Pirk, N., Guglielmin, M. (2018). “Effects of active layer seasonal dynamics and plant phenology on CO2 land atmosphere fluxes at polygonal tundra in the High Arctic, Svalbard” CATENA, Vol 174 (March 2019) 142-153. .8. Uri, V., Kukum?gi, M. Aosaar, J.,Varik, M., Becker, H., Auna, K., Krasnova, A.,Morozova, G.,Ostonen, I., Mander, U., L?hmus, K.,Rosenvald,K., Kriiska, K., Soosaarb, K., (2018). The carbon balance of a six-year-old Scots pine (Pinus sylvestris L.) Forest Ecology Management 2019.