LI-8100A土壤碳通量测量系统

1、土壤碳通量测量土壤碳通量测量基因有限公司农业环境科学部基因有限公司农业环境科学部北京力高泰科技有限公司北京力高泰科技有限公司2011大纲大纲l一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景l二、土壤呼吸测量原理二、土壤呼吸测量原理l三、三、LI-8100A设计的独特之处设计的独特之处l四、四、LI-8100A的硬件与软件操作的硬件与软件操作 介绍介绍源与库源与库/全球碳循环全球碳循环单位：单位：10亿吨碳亿吨碳一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景土壤土壤 CO2 从哪里来从哪里来? 植物根系和微生物的自养呼吸植物根系和微生物的自养呼吸 土壤微生物费解土壤有

2、机质和植物凋落物的异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的动物呼吸 土壤碳酸盐的水解土壤碳酸盐的水解一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景土壤土壤CO2 通量研究的重要性通量研究的重要性?l土壤碳储藏量十分巨大土壤碳储藏量十分巨大l2x 大气碳大气碳, 3x 陆地植物陆地植物, 0.3x 全部石油燃料储量全部石油燃料储量 (Schlesinger, 1991)l碳的排放量十分巨大碳的排放量十分巨大l土壤碳通量是土壤碳通量是10 x 石油石油 燃料和采伐森林资源的总和燃料和采伐森林资源的总和 (Pacala, S. W. et. al. 2001. Cons

3、istent land- and atmosphere-based U.S. carbon sink estimates. Science 292: 2316-2320)l土壤呼吸在整个生态系统呼吸中所占比例十分巨大土壤呼吸在整个生态系统呼吸中所占比例十分巨大l如山毛榉林为如山毛榉林为 9215% (Longdoz, et al., 2000. Soil CO2 flux in a mixed forest:. Global Change Biol 6:907)一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景土壤土壤CO2 通量的十分不确定性通量的十分不确定性根系的分布是多变的根系的分布是多变的.凋落

4、物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动物的数量分布是多变的.土壤的结构土壤的结构是多变的是多变的.因此，土壤表面的因此，土壤表面的CO2 扩散扩散随时间和空间的变化是非常大随时间和空间的变化是非常大的的一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景土壤呼吸要求：足够多的取样土壤呼吸要求：足够多的取样空间上的变异空间上的变异采用短期调查室快速测量采用短期调查室快速测量时间上的变异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续取样测量一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景大纲大纲l一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸

5、研究背景l二、土壤呼吸测量原理二、土壤呼吸测量原理l三、三、LI-8100A设计的独特之处设计的独特之处l四、四、LI-8100A的硬件与软件操作的硬件与软件操作 介绍介绍LI-8100A （6400-09）测定原理）测定原理闭路式测量法闭路式测量法 关闭测量室，室内关闭测量室，室内CO2 开始增加开始增加二、土壤呼吸测量二、土壤呼吸测量tCSVFCO2LI-8100A 测量方法测量方法大纲大纲l一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景l二、土壤呼吸测量原理二、土壤呼吸测量原理l三、三、LI-8100A设计的独特之处设计的独特之处l四、四、LI-8100A的硬件与软件操作的硬件与软件操作 介绍

6、介绍三、三、LI-8100A设计的独特之处设计的独特之处1、通风口专利设计，保证测量室内外压力平衡、通风口专利设计，保证测量室内外压力平衡2、指数拟合，拟合值更接近初始测定值、指数拟合，拟合值更接近初始测定值3、特殊的气室驱动机制特殊的气室驱动机制减少对环境的扰动减少对环境的扰动4、气室基座多孔设计、气室基座多孔设计避免避免CO2累积累积传统的压力通风口传统的压力通风口缺陷：无法解决文氏管效应缺陷：无法解决文氏管效应文氏管效应文氏管效应文氏管效应文氏管效应文丘管效应的原理文丘管效应的原理则：是当风吹过阻则：是当风吹过阻挡物时，在阻挡物挡物时，在阻挡物的背风面上方端口的背风面上方端口附近气压相对

7、较低附近气压相对较低，从而产生吸附作，从而产生吸附作用并导致空气的流用并导致空气的流动。动。 文氏管的原文氏管的原理其实很简单，它理其实很简单，它就是把气流由粗变就是把气流由粗变细，以加快气体流细，以加快气体流速，使气体在文氏速，使气体在文氏管出口的后侧形成管出口的后侧形成一个一个“真空真空”区。区。 LI-8100A测量室通风口设计测量室通风口设计保持气室内外压力平衡保持气室内外压力平衡（发明专利，（发明专利，LI-COR独有！）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

8、室内部空气的扰动最小，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-8100A 气室的通风口设计在气室的通风口设计在真正意义上消除了文氏管效应真正意义上消除了文氏管效应（文（文氏管效应导致管内出现负压，驱使土壤中的高浓度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）。散到气室中来，导致最后的测定结果比正常值显著增高）。LI-8100A测量室压力通风口效果测量室压力通风口效果Wind (m s-1)024Time (s)0100200300400500P (Pa)-4-2024ABInitial ra

9、te = slope at C = C0) (00CCadtdCxtt 00ttaxxeCCCtCFit to C (water vapor dilution corrected CO2 concentration) vs. timeFinal equationtCTRSWVPFoooCO)15.273()10001 (102Requirements: CO2-chamber = CO2-airThe flux at the time when CO2-chamber = CO2-air LI-8100A指数拟合设计指数拟合设计LI-8100A特殊的气室驱动机制特殊的气室驱动机制 减少对环境的

10、扰动减少对环境的扰动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。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，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适宜测定垄间或垄内土壤CO2通量；通量；8100-104 长期监测室有六个张开角度，适合低矮冠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。层或有障碍物的环境。 LI-8100A测量室基座多孔设计测量室基座多孔设计 避免避免CO2累积累

11、积Perforated BaseplatePerforated Baseplate气室基座的多孔设计大大减小了气室周边环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定的影响，并有助于消除基座下部CO2浓度浓度梯度的改变，而无孔基座常常导致对土壤梯度的改变，而无孔基座常常导致对土壤CO2释放的抑制。释放的抑制。 无孔基座（上图）由于无孔基座（上图）由于基座下部基座下部CO2富集，抑制富集，抑制附近土壤附近土壤CO2的扩散的扩散多孔基座（下图）通过外多孔基座（下图）通过外露孔间露孔间CO2的扩散克服

12、了抑制的扩散克服了抑制作用，使得测量更为准确。作用，使得测量更为准确。红色红色=低通量速率；蓝色低通量速率；蓝色=高通量速率高通量速率大纲大纲l一、土壤呼吸研究背景一、土壤呼吸研究背景l二、土壤呼吸测量原理二、土壤呼吸测量原理l三、三、LI-8100A设计的独特之处设计的独特之处l四、四、LI-8100A的硬件与软件操作介绍的硬件与软件操作介绍LI-8100A自动土壤自动土壤CO2通量测量系统通量测量系统 主机主机四、四、LI-8100A硬件与软件操作介绍硬件与软件操作介绍LI-8100A自动土壤自动土壤CO2通量测量系统通量测量系统 五种气室五种气室8100-102 Survey chamb

13、er8100-104 long-term chamber8100-103 Survey chamber8100-104C long-term chamberLI-8100A自动土壤自动土壤CO2通量测量系统通量测量系统 LI-8150多通道测定系统多通道测定系统LI-8100A自动土壤自动土壤CO2通量测量系统通量测量系统 PDA掌上电脑掌上电脑LI-8100A自动土壤自动土壤 CO2通量测量系统通量测量系统 辅助传感器接口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，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

14、进行测量室识别。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。硬件连接硬件连接LI-8100A辅助接口连线图辅助接口连线图辅助传感器接口辅助传感器接口连接土壤温度和土壤水分传感器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土壤水分传感器应全部埋置土壤中 温度传感器一般插入温度传感器一般插入510cm深深开开机机面面板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； IRGA Ready-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

15、IRGA Ready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； Low Battery-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操作界面操作界面LI-8100A与电脑成功连接后，软件显示实时参数与电脑成功连接后，软件显示实时参数1、在Setup 菜单选择 Measurement Configuration，出现Single Chamber Configuration 对话框。测量chamber offsetSurvey chamberLong t

16、erm chamber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应提前埋置soil collar，一般前一天埋好，使之充分平，一般前一天埋好，使之充分平衡；衡；埋置深度应根据土质不同而变化，沙质等轻质土壤需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，应保证放置测量室要埋深一些，重质土壤埋浅一些，应保证放置测量室时时soil collar不移动，且不存在漏气；不移动，且不存在漏气；Collar露出地面部分，一般不要太高，否则会影响露出地面部分，一般不要太高，否则会影响collar内土壤的水

17、分内土壤的水分(风吹、阳光照射风吹、阳光照射)状况，状况，survey chamber一般露出一般露出23cm，long term chamber露出露出34cm。土壤土壤collar埋置注意事项埋置注意事项使用 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；10 cm短期调查室 LI-COR p/n 8100-102; 20 cm短期调查室 LI-COR p/n 8100-103; 长期测量室 LI-COR p/n 8100-101;长期测量室 LI-COR p/n 8100-104。2、 点击 Observatio

18、n 标签，设置测定时间测定时间中各项时间的解释测定时间中各项时间的解释可通过设定Observation Count，在相同的参数条件下做几次重复观测，每个观测被 Observation Delay (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Dead Band 周期。在中等或低 CO2通量时，设定观察长度为90120s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Type 1记录都将记录下来。 但是，直到测量室关

19、闭前，过去时间(Elapsed Time，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。Observation LengthDead Band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。Dead Band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 Dead Band设定为 1060 s，可提供足够的混合。但是，可能有些情况下，需要将Dead Band 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 (File Viewer) 程序，使用更长(或

20、更短)的Dead Bands重计算。Observation Count选中 Stop Observation if RH reaches 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。Observation Delay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Observation Delay。当一个观测完成后，测量室将自动升起离开土壤collar，如果Observation Cou

21、nt (above)被设定为2以上，Observation Delay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，Observation Delay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。Purge TimePurge Time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Pu

22、rge Time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Purge Time 是足够的。Stop Observation if RH reaches3、 数据记录输出数据记录输出 数据记录要选中通量计算4、流量调整、流量调整5、 土壤水分传感器设置土壤水分传感器设置6、 在在Configuration Categories列表中点击列表中点击Repeat ，查看，查看Repeat窗口。窗口。Repeat Measurement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，

23、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(10天)，结果数据集将包括240个测量，该选择端口每个测量由3个的90秒的观测组成。 (如果按Set To Max button)，最大重复次数为12000。可以选中复选框，选择重复之间关闭流量泵，节省电池电力，延长泵选中复选框，选择重复之间关闭流量泵，节省电池电力，延长泵的寿命。的寿命。Repeat设置说明：设置说明：7、 热电偶类型热电偶类型LI-8100采用采用E型热电偶型热电偶8、 设置保存设置保存/调用调用9、

24、 在8100A菜单下选择Instrument Settings。在“Instrument Name”处输入仪器名称 (如 Survey_System_1)，仪器名称被发送到LI-8100中，并将LI-8100保存，作为数据记录的一部分。点击Apply，再点击OK。10、 在工具条上点击 New Measurement图标 ( )，或在Setup菜单下选择 Start New Measurement ，将出现Start a Measurement 对话框：Measurement Configuration可在Preset 下拉菜单中选择一个已定义的测量参数，或使用当前配置。Measurement

25、 File输入文件名(File Name)和可选输入文件注解(Comments)。注解(Comments) 仅出现在头信息中。文件以标准数据文件格式被建立，整个数据表可按测量配置设定，被放在一个文件中。大文件可被分割成多个小文件，可1天增加一个文件，或1周增加一个文件。按天来分割的文件，在每天 12:01 a.m被添加一个日期；按周来分割的文件，将在第一次测量开始后，7天为一个周期，被添加一个日期。 点击Append data to an existing file 按钮，在当前定义的文件中增加新的测量数据。DestinationLI-8100收集的数据可被保存到仪器的内存中，或保存的可选的压

26、缩闪存卡中，可记录到其中一个，但不能同时两个都记录。存储到内存卡中的数据可随时被传输到压缩闪存卡中或电脑中。Measurement Start输入Start 时间，可立即开始测量，或选择指定日期和时间开始测量。点击点击Start Measurement 开始测量开始测量11、 要查看已收集的数据，在View菜单下选择 Summary Records，将出现 Observation Summary 对话框。检查通量值是否合理，点击 Previous或Next 按钮，可滚动浏览所有的观察值。当完成检查后，点击Close关闭对话框。关闭对话框。LI-8100A数据文件观察值(Observation)包括： 头信息(Header) + n个 原始记录(Raw Records) + 3 个概要记录(Summary Records) +页脚(Footer) 。头信息(Header)-包括从“LI-8100”