CN101936873A - 一种土壤剖面标准瞬时co2通量的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤剖面标准瞬时CO₂通量概念及其获取方法，包括以下过程：首先采用红外CO₂分析仪对一定土层深度处的CO₂浓度进行测定，用软件对CO₂浓度随测定时间的变化进行双曲线方程拟合，获得参数a、b；将公认的大气CO₂浓度作为参照C_t带入双曲线方程，计算出对应的时间t_s；将双曲线方程以C_t对时间t求一阶导数，并将t_s值带入导数计算公式，得到该时刻对应的标准CO₂浓度变化速率参数；最后将标准CO₂浓度变化速率参数带入通量计算公式，即可获得所测定土层的标准瞬时CO₂通量。本发明可以对多组重复试验进行快速测定，降低了多个重复间因测定时间间隔带来的误差，增加了数据的可靠性。

Description

一种土壤剖面标准瞬时CO2通量的获取方法

技术领域

本发明涉及到农业环境信息检测技术领域，特别是涉及到一种土壤剖面标准瞬时CO₂通量的获取方法。

背景技术

土壤剖面CO₂通量的准确监测是陆地生态系统碳循环过程研究的重要内容。获取土壤剖面一定土层瞬时CO₂通量的常用方法一般是通过连续测定相应土层中CO₂浓度在测定时间的变化，然后根据测定时间前、后CO₂浓度的差值，或通过采用线性拟合，计算出单位测定时间内CO₂浓度的平均变化速率，进而得到相应土层的CO₂通量值。可见，由此计算得到的只是测定时间内的通量平均值，而非真正意义上的瞬时通量，若将此平均值代替瞬时通量，必然会导致瞬时CO₂通量值的低估。土壤通量主要受环境因素(土壤温度、含水量等)和生物因素(植物根系、土壤微生物活性等)等的影响，反映的是研究者测定时各种因素的综合作用结果。由于不同研究者测定时环境条件(温度、湿度、CO₂浓度等)等的差异，反映的只是不同“条件下”的非标准态测定结果，由此导致难以将不同研究者的结果进行合理比较，限制了该领域的发展。而若有可供不同研究者参考的一个标准通量，则可解决这一问题。

鉴于以上目前土壤CO₂通量测定中存在的这些问题，本发明提出了标准瞬时通量的概念及其相应的获取方法，以期使得通量值既可反映测定时测定对象的瞬时状态，又为不同研究者间结果进行对比时提供一个可参考的通用标准。采用这种方法，还可针对不同土层深度获取其相应的标准瞬时CO₂通量值。目前有关标准CO₂通量方面的内容还鲜见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能方便、准确获取土壤剖面不同土层标准瞬时CO₂通量的方法。

一种土壤剖面标准瞬时CO₂通量的获取方法，其特征在于按照下述步骤进行：

一、首先采用红外CO₂分析仪对一定土层深度处的CO₂浓度进行测定，测定时间为5min，数据采集频率为10s；其中所述土层深度根据研究者需要的取用任意土层深度均可；

二、用软件对CO₂浓度随测定时间的变化进行双曲线方程拟合，获得参数a、b；其中所述的双曲线方程表达式为：

$C_t=C_0+\frac{a\·t}{b+t}---\left(1\right)$

其中，C_t为即时CO₂浓度(μL·L^-1)，t为测定时间(s)，C₀为t＝0时的CO₂浓度(μL·L^-1)；a、b均为拟合参数。

三、以公认的大气CO₂浓度为360(μL·L^-1)为参照标准，将C_t为360(μL·L^-1)带入双曲线方程，计算出对应的时间t_s值。

$t_s=\frac{360-C_0}{a-360+C_0}\·b---\left(2\right)$

四、将步骤2中的双曲线方程(1)以C_t对时间t求一阶导数，可得：

$C_t^{\′}=\frac{a\·b}{{(b+t)}^2}---\left(3\right)$

将方程(2)中的t_s值带入上式(3)，得到该时刻对应的标准CO₂浓度变化速率参数k_s

$k_s=\frac{a\·b}{{(b+t_b)}^2}---\left(4\right)$

五、将k_s值带入通量计算公式(5)，即可获得测定土层的标准瞬时CO₂通量，其中CO₂通量计算公式如下：

$F_s={\mathrm{\ρ}}_0\·k_s\·\frac{V}{A}\·---\left(5\right)$

式中(5)，F_s为标准CO₂通量(mg·m^-2·s^-1)，ρ₀为标准状态下CO₂密度(1.96g·L^-1)，V为采样气室的体积(m³)，A为采样气室底面积(m²)，k_s为标准CO₂浓度变化速率参数(μL·L^-1·s^-1)。

因此，通过对CO₂浓度随测定时间变化的关系进行双曲线拟合，计算出C_t为360(μL·L^-1)时对应的t_s值，再求出该时刻对应的标准CO₂浓度变化速率参数k_s，即可带入通量计算公式获得测定土层的标准瞬时CO₂通量。采用这种方法，还可针对不同土层深度获取其相应的标准瞬时CO₂通量值。

本发明的优点：

1)本方法提出标准CO₂通量的概念和获取方法，为不同研究结果间的对比提供参考标准。瞬时

2)本方法可以计算瞬时通量，可有效避免常规计算方法带来的通量低估问题。

3)本方法可原位获取土壤剖面CO₂通量值，无需使用任何容器收集，现场随取随测，方便、快速。

4)本方法对测定过程中CO₂浓度随测定时间变化的拟合数据量更丰富，拟合结果更可靠。

5)本方法可以对多组重复试验进行快速测定，降低了多个重复间因测定时间间隔带来的误差，增加了数据的可靠性。

附图说明

图1为不同天气条件下测得的各土层CO₂浓度随测定时间的变化情况，即10月9日、16日和24日CO₂浓度随测定时间的变化，

图2为10月12日不同时间段CO₂浓度随测定时间的变化情况。

具体实施方式

采样点的布置：在试验田土壤不同深度(5、10、15和20cm)预埋设自制简易空气采集器。土壤空气采集器由外裹尼龙网的玻璃漏斗和惰性硬质塑料管(内径2mm)构成，硬质塑料管一端插入倒置的玻璃漏斗颈部，联接处用石蜡密封，另一端引出地面。埋设时先用土钻打孔，不同深度土层空气采集器按相互错位进行埋设，并按原土层回填钻孔。待回填土壤与周围土壤环境趋于一致后即可进行观测。

CO₂浓度的测定：于每个测定日的上午9:00～11:00进行不同土层标准瞬时CO₂通量的测定。测定时将硬质塑料管通过橡胶软管与LI-840 CO₂分析仪(Li-COR公司生产，美国)探头进行连接，并在接口处涂抹石蜡以防漏气。连接好后马上开始测定，测定时间为5min，数据记录频率为10s。

用SigmaPlot软件对CO₂浓度与测定时间关系的拟合：根据实际测得CO₂浓度随测定时间的变化规律，采用双曲线方程对其进行拟合，其方程见公式(1)，获得参数方程a、b；然后以大气CO₂浓度为360(μL·L^-1)为参照，按公式(2)计算出C_t为360(μL·L^-1)时对应的t_s值，再带入(4)式计算出该时刻对应的标准CO₂浓度变化速率k_s；最后将k_s值带入通量计算公式获得所测定土层的标准瞬时CO₂通量。采用这种方法，可分别获得不同土层深度(5、10、15和20cm)的标准瞬时CO₂通量值。

实施例1：

为了证明本发明的实施效果，在玻璃温室的土槽中(槽宽60cm，深度30cm)预布置土壤空气采集器，并在黄瓜生长的开花期，选取3天(10月9日、16日和24日)并于每日上午9:00～11:00分别进行土壤5、10、15和20cm深度标准CO₂通量的测定。采用LI-840 CO₂分析仪测定CO₂浓度的变化，测定时间为5min，数据记录频率为10s。测定后用SigmaPlot软件进行CO₂浓度与测定时间的双曲线关系拟合，然后计算标准CO₂浓度变化速率和标准瞬时CO₂通量值。并将本发明的标准通量与t＝0时的通量，以及常规方法得到的通量值进行比较，计算结果见下表1。表1、图1均显示了本发明对测定时间内CO₂浓度变化的拟合更为合理、可靠。

表1 本发明的拟合结果以及计算得到的不同土壤深度标准瞬时CO₂通量值

从表1可以看出，本发明的拟合相关系数均大于0.99(n＝30)，明显高于常规的线性拟合法，因此证实本发明拟合结果更为可信。将本发明得到的标准通量结果与t＝0时的通量，以及常规方法得到的通量值进行比较，可见标准通量值明显高于其它两种结果。对于不同土层间通量结果的分析表明，标准通量表示法可以较其它两种表示方法有效降低土层间的对比差异。如10.9日5cm与20cm土层的通量进行比较，以标准通量表示时前者较后者偏低35％，而以t＝0时通量或常规方法得到的通量表示则分别为37％和68％。

另外，表1中标准通量值与相应土壤温度的关系分析显示，二者间存在显著的相关关系(r＝0.68，n＝12)，这也是与现有研究结论相一致的，同时也进一步证实本发明的可靠性。

实施例2：

为了进一步证明本发明的实施效果，在种植黄瓜的试验中，进行一日内不同时段(7:00～17:00)土壤5cm、10cm、15cm和20cm深度的标准瞬时CO₂通量测定。采用LI-840 CO₂分析仪测定CO₂浓度的变化，测定时间为5min，数据记录频率为10s。测定后进行CO₂浓度与测定时间的双曲线关系拟合，然后计算标准CO₂浓度变化速率和标准瞬时CO₂通量值。并将本发明的标准通量与t＝0时的通量，以及常规方法得到的通量值进行比较，结果见下表2。表2和图2进一步显示本发明也同样适用于一日中的任何时段的测定。

表2 本发明计算得到的一日内不同时段土壤10cm深度标准瞬时CO₂通量值

从表2的结果可以进一步表明，本发明适用于一日中的任何时段，其拟合相关系数均大于0.99(n值为30)，明显高于常规的线性拟合法。将不同时段得到的本发明的标准通量与t＝0时的通量，以及常规方法得到的通量值进行比较，可见标准通量值也明显高于其它两种结果，并且以标准通量进行表示较其它两种表示方法可以有效降低土层间的对比差异。表2中标准通量值与相应土壤温度的关系分析显示，通量值的日变化与温度的日变化具有一定程度的一致性，相关关系达到显著水平(r＝0.47，n＝22)，这也进一步证实了本发明结果适用的可靠性。

Claims (1)

1.一种土壤剖面标准瞬时CO₂通量的获取方法，其特征在于包括以下过程：一、首先采用红外CO₂分析仪对一定土层深度处的CO₂浓度进行测定，测定时间为5min，数据采集频率为10s，其中所述土层深度根据研究者需要的取用任意土层深度均可；

二、对CO₂浓度随测定时间的变化进行双曲线方程拟合，获得参数a、b；其中所述的双曲线方程表达式为：

$C_t=C_0+\frac{a\·t}{b+t}---\left(1\right)$

其中，C_t为即时CO₂浓度(μL·L^-1)，t为测定时间(s)，C₀为t＝0时的CO₂浓度(μL·L^-1)；a、b均为拟合参数。

三、以公认的大气CO₂浓度为360(μL·L^-1)为参照标准，将Ct为360(μL·L^-1)带入双曲线方程，计算出对应的时间t_s值。

$t_s=\frac{360-C_0}{a-360+C_0}\·b---\left(2\right)$

四、将步骤2中的双曲线方程(1)以C_t对时间t求一阶导数，可得：

$C_t^{\′}=\frac{a\·b}{{(b+t)}^2}---\left(3\right)$

将方程(2)中的t_s值带入上式(3)，得到该时刻对应的标准CO₂浓度变化速率参数k_s

$k_s=\frac{a\·b}{{(b+t_b)}^2}---\left(4\right)$

五、将k_s值带入通量计算公式(5)，即可获得测定土层的标准瞬时CO₂通量，其中CO₂通量计算公式如下：

$F_s={\mathrm{\ρ}}_0\·k_s\·\frac{V}{A}\·---\left(5\right)$

式中(5)，F_s为标准CO₂通量(mg·m^-2·s^-1)，ρ₀为标准状态下CO₂密度(1.96g·L^-1)，V为采样气室的体积(m³)，A为采样气室底面积(m²)，k_s为标准CO₂浓度变化速率参数(μL·L^-1·s^-1)。

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