CN103616496B - 一种测定滩涂湿地早晚潮间期土壤co2通量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量的方法，包括以下步骤：在待测算区域的中高潮区选择标样点并测得建立模型所需的六组CO₂浓度值，作CO₂浓度—时间图；用直角双曲线方程拟合得到回归方程，经求其一阶导数，可得各时段即时CO₂通量；以三参数高斯方程对即时通量和即时浓度的关系进行回归分析，得到该区域土壤CO₂通量的模型；以便携式土壤二氧化碳分析仪在待测算区快速取得CO₂浓度数据；将获得的即时CO₂浓度带入所得方程模型，即可得对应土壤CO₂通量。本发明简便易行、可准确测算滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量，可应用于滨海湿地生态系统碳源/汇值的估算及土壤效能的评价。

Description

一种测定滩涂湿地早晚潮间期土壤CO2通量的方法

技术领域：

本发明属沿海滩涂湿地生态系统碳源/碳汇、土壤效能生态监测及全球气候变化技术领域，具体涉及一种滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量的测算方法。

背景技术：

滩涂湿地是海岸带的重要组成部分，包括全部潮间带及潮上带、潮下带。潮间带是界于高潮线与低潮线之间的地带，通常也称为海涂。根据潮汐活动的规律，潮间带三个区。高潮区（上区）：它位于潮间带的最上部，上界为大潮高潮线，下界是小潮高潮线。它被海水淹没的时间很短，只有在大潮时才被海水淹没；中潮区（中区）：它占潮间带的大部分，上界为小潮高潮线，下界是小潮低潮线，是典型的潮间带地区；低潮区（下区）：上界为小潮低潮线，下界是大潮低潮线，大部分时间浸在水里，只有在大潮落潮的短时间内露出水面。另外，一日内潮汐分早潮、晚潮，早潮和晚潮的间期称为早、晚潮间期。

滩涂湿地尤其红树林湿地是陆地生态系统向海洋生态系统过渡的最后一道“屏障”，无论是对陆地还是对海洋，都具有极其重要的生态功能。而在全球普遍变暖的背景下，关于其碳源、碳汇的研究更具有实际意义，原因之一是大多数热带、亚热带沿海城市周边都会天然分布滩涂湿地，但其具有退化趋势，如果能通过数据准确证明红树林湿地碳汇（碳贮存大于碳排放）对邻近城市的小气候具有重要影响，这将强化人们保护和恢复红树林的主观意愿，而土壤CO₂通量是碳排放的主要形式。土壤CO₂通量较为准确的理解是土壤与大气间的气体交换量，包含吸收和释放两部分。土壤CO₂通量表现为土壤向大气净释放CO₂的过程，它是土壤碳素同化和异化的结果。大尺度的生态系统碳源/汇的估算牵涉到生态系统土壤CO₂排放通量的测算。

目前，用于测量土壤CO₂通量的方法主要包括静态气室法、动态气室法、微气象法等,这些方法都是利用测量开始和结束的时间段里气室CO₂浓度的变化计算土壤CO₂排放通量，而计算始末时间内CO₂浓度变化速率多采用线性拟合法。对于湿地土壤CO₂通量研究而言,动态气室法是研究的首选，因为通常认为动态气室法比静态气室法准确。静态箱法，在我国草地群落土壤呼吸中有广泛应 用，也有学者在滩涂湿地的高潮区应用过。但是针对中、低潮区以下特点，需要对之提出一种更加便捷、准确、易于操作的方法。

滩涂湿地中、低潮区为泥质、砂质和岩滩等沉积地带，加之一日内有多于一半时间被海水淹没，造成该区土质一般含水量极高、极泥泞、不易行走、更不便长久停留等的特点，尤其是有植被如红树林等区域，其下空间狭小、缺少光照、通风较差，致使更加泥泞、难以行走。另外，在滩涂进行实地长时间测定CO₂浓度时，高的含水量会使现代通行的以测定陆地土壤CO₂浓度为主的仪器的准确性和稳定性受到极大影响，况且长时间测定对仪器和微型计算机的电源都有很高的要求。最主要的是，即使人为携带仪器艰难到达该区或能布使静态箱法进行测定，其长时间停留会对测定点的土壤性状造成影响，进而使测定的CO₂浓度突变，实践上，我们从未用已有方法成功地测定出低潮区的土壤二氧化碳通量。

一个成功的土壤二氧化碳通量的测定停留在测定地的时间至少30分钟，这在高潮区是没有问题的，由于上述原因在中、低潮区尤其低潮区则是难以实现的。而本专利中的方法只需停留1分钟左右，测得土壤二氧化碳即时浓度即可。本专利在易于长久停留的中高潮区设点测土壤CO₂浓度制作通量模型，取中低潮区的CO₂浓度带入模型公式计算即得相对应的通量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量的方法以简便精确地测算滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量。

为了解决以上技术问题，本发明以红树林湿地为研究样本，通过测定红树植物群落一个完整潮间期分段连续CO₂浓度值，用双曲线拟合法计算每段时间内的CO₂通量，考察CO₂通量和相应的即时CO₂浓度之间的关系，构建三参数高斯函数模型，得到滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量的测算方程，采用的具体技术方案如下：

一种测定滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量的方法，其特征在于根据测定滩涂湿地CO₂浓度测算滩涂湿地土壤CO₂通量，具体包括以下步骤：

步骤一，测定中高潮区CO₂浓度随时间变化的成组数据：在待测算区的中高潮区选择标样点；记潮水刚退的时刻为0h，选择在早间潮潮水退后的第1h、2h、3h、4h、5h、6h时，用便携式土壤二氧化碳分析仪对中高潮区CO₂浓度进 行测定；设置二氧化碳分析仪测定CO₂时记录数据的频率为10s，待仪器数值稳定后，每时段测定10分钟；

步骤二，CO₂通量模型中各时段即时CO₂通量的获得：导出步骤一中所述数据，在sigmaplot软件中，作出CO₂浓度与时间的散点图，用直角双曲线方程 进行拟合，得到参数值(因变量y为CO₂浓度，自变量x为对应时间，y₀为某时段CO₂起始浓度，a为该时段的CO₂增加值，b为一般参数)；然后，确定每时段选取的一个即时CO₂浓度，代入所述双曲线方程求得该浓度对应时间；对以上得到的双曲线方程求一阶导数，将所得时间代入，可得上述选定的即时CO₂浓度的变化速率k；将k代入以下通量方程即公式（1），即可得即时CO₂通量；

$F=\frac{1000\mathrm{kV}}{{\mathrm{AV}}_m}---\left(1\right)$

式中，F为CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)，Vm为标准状态下气体摩尔体积(22.4L·mol^-1)，k为CO₂浓度的变化速率（μmol·mol^-1·s^-1），V为采样气室的体积（m³），A为采样气室底面积（m²）；

步骤三，CO₂通量模型的建立：将所述步骤二中得到的六组即时通量和即时CO₂浓度值，按三参数高斯回归方程进行回归分析，即可得该区域土壤CO₂通量的模型；此步骤中，因变量F为CO₂通量，自变量C为CO₂浓度，C₀为位置参数，表示通量达到最高值时对应的CO₂浓度值；n为形态参数，表示x₀向两侧延展的幅度；m为一般参数；

步骤四，待测算区即时CO₂浓度的获得：利用便携式二氧化碳分析仪等仪器，测得待测算区土壤的一个CO₂浓度数据，在仪器连接好时，运行10s即可。

步骤五，将获得的即时CO₂浓度代入步骤三中所得方程模型 即可得对应土壤CO₂通量。

本发明具有有益效果.本发明是采用动态气室法的原理测定获取土壤即时CO₂浓度，带入提出的数学模型中，得到相应的即时CO₂通量，而常用的静态箱法得到的是累积CO₂通量，对于需要考察通量随潮汐的动态变化及其动态影响因子的研究，显然是即时CO₂通量更具意义。同时，本方法可以对CO₂通量进 行连续预测。本方法不仅避免了潮湿对仪器的损坏和长时间测定电源不足的问题，还可以使一些动态或需连续测定土壤CO₂通量的研究的工作量大大减少。

重要的是，本发明特别针对土壤极泥泞、不易达到的滩涂湿地低潮区，可以解决该区土壤CO₂通量由于以往实际上难以操作而被忽略的问题，不仅使滨海湿地生态系统碳源/汇值的估算更加准确，还可以使整个测算过程更加简便易行，进而为恢复我国滨海湿地尤其是红树林提供有相关支持。

附图说明

图1为本发明秋茄土壤CO₂通量和其即时CO₂浓度的关系图；

图2为本发明桐花树土壤CO₂通量和其即时CO₂时浓度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区，于2013年9月8日进行。

（1）CO₂通量模型中CO₂浓度的获得。在洛阳江上游洛阳村处的中高潮区选择秋茄群落下为标样点。选择在9月8日早间潮潮水退后的第1h、2h、3h、4h、5h、6h时（记潮水刚退的时刻为0h）用便携式土壤二氧化碳分析仪LI-840（LI-COR公司生产，美国）进行CO₂浓度测定。待仪器数值稳定后，每时段测定10分钟，数据记录频率为10s。

（2）CO₂通量模型中各时段即时CO₂通量的获得。测定结束后，导出数据，建立CO₂浓度与时间的关系，在sigmaplot软件中，用直角双曲线方程（其中因变量y为CO₂浓度值,自变量x为对应时间，a、b、y₀为参数）进行拟合，得到参数值。然后，确定每时段选取的一个即时CO₂浓度，带入双曲线方程求得时间。对以上方程求一阶导数，得将所得时间带入，可得该浓度下的变化速率k。把k带入以下通量方程即可得即时CO₂通量。

$F=\frac{1000\mathrm{kV}}{{\mathrm{AV}}_m}$

式中，F为CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)，Vm为标准状态下气体摩尔体积(22.4L·mol^-1)，k为CO₂浓度的变化速率（μmol·mol^-1·s^-1），V为采样气室的体积（m³）,A为采样气室底面积（m²）。

（3）CO₂通量模型的建立。将（2）中得到的六组即时通量和即时浓度值，如图1所示。按三参数高斯回归方程进行回归分析，即可得各参数，如表1所示，从而得到秋茄群落下土壤通量—即时CO₂浓度之间的具体公式 此处，因变量F为CO₂通量，自变量C为CO₂浓度，C₀为位置参数，表示通量达到最高值时对应的CO₂浓度值；n为形态参数，表示x₀向两侧延展的幅度；m为一般参数。

（4）待估算区即时CO₂浓度的获得。于2013年9月9日，用便携式土壤二氧化碳分析仪LI-840在中游屿头村处中高潮区快速取得一组土壤CO₂浓度值，待机器运行正常后，测定10s即可。

（5）将获得的其中一个即时CO₂浓度557.08μmol/mol带入（3）中所得方程模型，即可得对应土壤CO₂通量即预测值，结果如表2所示。

（6）实测值和预测值的相对误差分析。用（2）中的方法得到用于（5）中的那个即时CO₂浓度557.08μmol/mol所对应的土壤CO₂通量实测值。将实测值和预测值做相对误差分析，结果如表2所示。

表1.桐花树和秋茄土壤CO₂通量和浓度回归分析参数

注：^**p<0.01，^*p<0.05

表2.桐花树和秋茄土壤CO₂通量预测值和实际值的比较

实施例2

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区。

（1）CO₂通量模型中CO₂浓度的获得。在洛阳江中游屿头村处的中高潮区选择桐花树群落下为标样点。选择在9月9日早间潮潮水退后的第1h、2h、3h、4h、5h、6h时，记潮水刚退的时刻为0h，用便携式土壤二氧化碳分析仪LI-840（LI-COR公司生产，美国）进行CO₂浓度测定。待仪器数值稳定后，每时段测定10分钟，数据记录频率为10s。

（2）CO₂通量模型中各时段即时CO₂通量的获得。测定结束后，导出数据，建立CO₂浓度与时间的关系，在sigmaplot软件中，用直角双曲线方程（其中因变量y为CO₂浓度值,自变量x为对应时间，a、b、y₀为参数）进行拟合，得到参数值。然后，确定每时段选取的一个即时CO₂浓度，带入双曲线方程求得时间。对以上方程求一阶导数，得将所得时间值带入，可得该浓度下的变化速率k。把k带入以下通量方程即可得即时CO₂通量。

$F=\frac{1000\mathrm{kV}}{{\mathrm{AV}}_m}$

式中，F为CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)，Vm为标准状态下气体摩尔体积(22.4L·mol^-1)，k为CO₂浓度的变化速率（μmol·mol^-1·s^-1），V为采样气室的体积（m³）,A为采样气室底面积（m²）。

（3）CO₂通量模型的建立。将（2）中得到的六组即时通量和即时浓度值，如图2所示。按三参数高斯回归方程（其中，因变量F为CO₂通量，自变量C为CO₂浓度，C₀为位置参数，表示通量达到最高值时对应的CO₂浓度值；n为形态参数，表示x₀向两侧延展的幅度；m为一般参数）进行回归分析，即可得各参数（表1），从而得到桐花树群落下土壤通量—即时CO₂浓度之间的具体公式 $y=0.3988e^{{[-0.5\left(\frac{x-1584.4025}{473.0275}\right)]}^2}.$

（4）待估算区即时CO₂浓度的获得。取2013年6月22日，用便携式土壤二氧化碳分析仪LI-840在中下游増桉村处中高潮区快速取得的一组土壤CO₂浓度值。

（5）将获得的其中一个即时CO₂浓度1113.51μmol/mol带入（3）中所得方程模型，即可得对应土壤CO₂通量即预测值，见表2。

（6）实测值和预测值的相对误差分析。用（2）中的方法得到用于（5）中的那个即时CO₂浓度1113.51μmol/mol所对应的土壤CO₂通量实测值。将实测值和预测值做相对误差分析，见表2。

综上，无论从回归分析的决定系数R²，还是从表2中预测值与实测值的标准误看，三参数高斯回归方程模型都有极好的适用性。

实施例3

本例实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区洛阳江的下游，本例目的是用例1中得到的模型直接测算低潮区土壤CO₂通量。

（1）取2013年6月19日早潮退去后1h，用便携式土壤二氧化碳分析仪LI-840在下游低潮区三处秋茄群落下快速取得的三个土壤CO₂浓度值。

（2）将（1）中的CO₂浓度带入已得到的秋茄群落下土壤通量—即时CO₂浓度的公式即可得对应土壤CO₂通量即预测值，结果如表3所示。

表3.低潮区三个样点土壤CO₂通量的预测

将表3三个不同CO₂浓度对应的CO₂通量预测值和在中高潮区测定的557.08μmol/mol浓度下的实测值0.0949μmol·m^-2·s^-1比较，可知该方法预测效果良好。

Claims (1)

1.一种测定滩涂湿地早晚潮间期土壤CO₂通量的方法，其特征在于根据测定滩涂湿地CO₂浓度测算滩涂湿地土壤CO₂通量，具体包括以下步骤：

步骤一，测定中高潮区CO₂浓度随时间变化的成组数据：在待测算区的中高潮区选择标样点；记潮水刚退的时刻为0h，选择在早间潮潮水退后的第1h、2h、3h、4h、5h、6h时，用便携式土壤二氧化碳分析仪对中高潮区CO₂浓度进行测定；设置二氧化碳分析仪测定CO₂时记录数据的频率为10s，待仪器数值稳定后，每时段测定10分钟；

步骤二，CO₂通量模型中各时段即时CO₂通量的获得：导出步骤一中所述数据，在sigmaplot软件中，作出CO₂浓度与时间的散点图，用直角双曲线方程进行拟合，得到参数值，所述参数中因变量y为CO₂浓度，自变量x为对应时间，y₀为某时段CO₂起始浓度，a为该时段的CO₂增加值，b为一般参数；然后，确定每时段选取的一个即时CO₂浓度，代入所述双曲线方程求得该浓度对应时间；对以上得到的双曲线方程求一阶导数，将所得时间代入，可得上述选定的即时CO₂浓度的变化速率k；将k代入以下通量方程即公式(1)，即可得即时CO₂通量；

$F=\frac{1000\mathrm{kV}}{{\mathrm{AV}}_m}---\left(1\right)$

式中，F为CO₂通量，单位为μmol·m^-2·s^-1；V_m为标准状态下气体摩尔体积，单位为L·mol^-1；k为CO₂浓度的变化速率，单位为μmol·mol^-1·s^-1；V为采样气室的体积，单位为m³；A为采样气室底面积，单位为m²；

步骤三，CO₂通量模型的建立：将所述步骤二中得到的六组即时通量和即时CO₂浓度值，按三参数高斯回归方程进行回归分析，即可得该区域土壤CO₂通量的模型；此步骤中，因变量F为CO₂通量，自变量C为CO₂浓度，C₀为位置参数，表示通量达到最高值时对应的CO₂浓度值；n为形态参数；m为一般参数；

步骤四，待测算区即时CO₂浓度的获得：利用便携式二氧化碳分析仪，测得待测算区土壤的一个CO₂浓度数据，在仪器连接好时，运行10s即可；

步骤五，将获得的即时CO₂浓度代入步骤三中所得方程模型即可得对应土壤CO₂通量。