生态监测-土壤环境监测仪器.pdf

中国科学院昆明植物研究所丽江森林生态系统定位研究站 森林生态系统 土壤环境要素 部分监测仪器介绍 （撰稿人：高富，cresyn@mail.kib.ac.cn） 2014 年 8 月 土壤具有肥力、环境和健康 3 个方面的功能，土壤圈与其他圈层之间不断地进行着物 质和能量的交换。在人类的时间尺度上，土壤资源是一种具有脆弱性的非再生资源，在粮食 增产和环境的持续发展中起到重要的作用。因此，随着人口 – 资源 – 环境之间的日趋尖 锐，土壤演变及其调控问题日益受到世界范围的关注。特别重要的是，维系土壤资源的数量 和质量是农业可持续发展的基础（中国生态系统研究网络科学委员会，2007）。 由于土壤也是温室气体的重要来源，特别是 CO2、CH4 和 N2O 的释放，能够影响气候 变化过程；而表层土壤是土体与大气间进行物质转移和能量交换最频繁的部分，极易受气温、 降水和大气成分变换的影响。而土壤呼吸过程是土壤与大气之间进行物质和能量交换的直接 过程，土壤呼吸是指土壤释放二氧化碳的过程，严格意义上讲是指未扰动土壤中产生二氧化 碳的所有代谢作用，包括三个生物学过程（即土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸、根系呼吸） 和一个非生物学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。森林生态系统是陆地生态系统的主体， 森林植被碳库占全球植被碳库的 86%以上（Olson et al., 1983; Woodwell et al., 1978），森 林土壤碳库约占全球土壤碳库的 73%（Post et al., 1982），年固碳量约占陆地生态系统的 2/3（Kcramer, 1981; Waring & Schlesinger, 1985）。因此，森林土壤碳库是全球碳平衡过 程中的一个重要节点。 森林土壤呼吸是陆地生态系统土壤呼吸的重要部分，其动态变化将对全球碳平衡产生深 远的影响。全球森林过度采伐和其他土地利用变化导致土壤 CO2 释放的增加量，占过去两 个世纪来因人类活动释放的 CO2 总量的一半，是除化石燃烧释放 CO2 导致大气 CO2 浓度升 高的另一重要因素。森林土壤呼吸也是目前已建立的长期监测 CO2 通量网站的重要研究对 象之一，是研究世界碳循环的重要课题，对生态学、环境科学及地球表层系统科学意义重大。 因此，丽江森林生态系统定位研究站在“十二五”期间，借助修购专项和 NSFC-云南 联合基金项目机遇，围绕土壤环境要素监测，配置了多台套用于土壤呼吸、土壤温度、湿度、 土壤元素含量分析等方面的设备，以满足生态学研究中土壤相关的工作开展，现分述如下： 设备一： WEST SYSTEM 土壤水分、温度、呼吸作用测量系统 概述：广泛适用于农业、森林、草地、沼泽、湿地等的土壤呼吸研究，生物气（沼气）散失、 垃圾掩埋研究，火山和地热研究等。WEST 系统还配有 CH4、H2S 的检测器，以 及土温探头及一个 TDR 探头，可以同步测定 H2O、CO2、CH4、H2S 以及土壤温 湿度等数据。 生产厂家：意大利 关键技术参数： 预热时间：预热 20min,测量时间 2-4min 手持数据管理器：内置 GPS 软件：FluxManager 重量：约 8.2kg（含主机箱和便携包） 测量原理：WEST 便携式土壤通量测量 系统是采用累积室测量法测量扩散通量 的便携仪器。 主要应用场景： 农业、林业、草地、沼泽、湿地等的土 壤呼吸。 WEST 便携式土壤通量测量系统 详细信息 >> WEST 介绍 PDF 文档 设备二：LI-COR8100A 土壤碳通量自动测量系统 试验中的 LI-8100A 设备 概述：LI-8100 开路式土壤碳通量测量系统能够对土壤 CO2 流量进行长期测量和短期测量。 当使用长期测量叶室时，LI-8100 能够在同一位置，自动测量土壤 CO2 流量的日变 化，测量时间为几个星期或几个月。长期测量叶室的特点是设计独特、易携带，叶 室对土壤自然条件的影响最小，从而保证在长时间条件下，测量到可靠的实验数据。 利用创新的短期叶室，LI-8100 则能够快速测量土壤 CO2 流量，并且得到多个位置 的数据，完成空间变异较强的准确测量。 生产厂家：美国 Li-Cor 公司 系统描述： 1.LI-8100A 的核心部分是分析器控制单元，分析器控制单元由 O-形圈密封，不受天气状况 影响，主要包括用于检测测量室中 CO2 和 H2O 浓度的红外气体分析仪(IRGA)。LI-8100A 的分析仪是一个绝对的、非扩散、单光路、双波长红外气体分析仪（NDIR）。 2.辅助传感器界面（Auxiliary Sensor Interface）与分析器控制单元连接。在辅助传感器界 面上，用户可连接个人选配的传感器或一个可替换电源。 3.LI-8100A 内置“Wi-Fi”装置，能够利用兼容的手持式设备如 PDA（Personal Digital Assistant）进行无线通讯。用户利用 LI-8100A 为 Palm® OS 设计的界面软件，通过无线传 输或串行电缆设置 LI-8100A 测量的所有开始参数和监测函数。 4.LI-COR 提供完整的线索软件包，该软件包包括了将 LI-8100A 作为一个无线设备所需要设 置和监测的一切资料。 设备三：日本 LAC-12G 12 通道土壤呼吸全自动测定装置 安装在云杉坪大样地的土壤增温系统（NSFC-云南联合基金支持采购） 概述：具有多通道、高精度、多功能的优点，同时操作简便，是温室气体通量研究者的最佳 选择。 生产厂家：日本国立环境研究所 关键技术参数： 1、可以测定多大 24 个样点 CO2/H2O 浓度； 2、可以驱动多大 12 个自动开闭气室； 3、高精度 CO2 浓度和水蒸气分析仪； 4、SD 卡记录媒体，可以保存大量实测数据； 5、具有 500m 蓝牙通讯系统； 6、可以同时测定 CH4 等。 测量原理： CO2/H2O 红外气体分析仪。 主要应用场景：森林陆地生态系统、草原等低矮植被生态系统温室气体全自动分析。 设备四：LI-Cor6400 配置土壤呼吸室 概述：准确测量土壤中 CO2 流量比想象中的更具有挑战性。影响土壤 CO2 流量的因素主要 包括叶室压力、测量叶室混合空气的方法、叶室中 CO2 的浓度以及由水蒸气而引起的 稀释作用。十多年来，LI-COR 公司理解了这些问题并逐渐完善利用叶室测量土壤 CO2 流量的方法。6400-09 土壤叶室和 LI-6400 便携式光合作用测量系统联合使用是测量 土壤 CO2 流量最有效的系统。 生产厂家：美国 Li-Cor 公司 关键技术参数： 1、土壤中的 CO2 流量有可能比空气中 CO2 浓度高很多倍。另外，土壤作为多孔介质，由于压力变 化而引起的空气进出土壤将引起土壤 CO2 流量的巨大提高或降低。6400－09 采用了压力平衡管在没有引 起漏气的情况下消除压力差异。 2、由于土壤中的 CO2 进入空气的运动反应了土壤中空气和周围空气之间的梯度变化，因此不应该允 许叶室中的 CO2 浓度比周围的 CO2 浓度高很多或者低估了土壤中的 CO2 流量。利用 LI-6400 内置的自动 记录程序，叶室中的浓度首先自动降低，然后当浓度增加到高于周围的目标值时再进行测量。这个程序可 以保持 CO2 的浓度梯度范围在自然非干扰值的几个 ppm 以内。 3、当一个叶室被放置在湿润的土壤表面时，叶室内的水蒸气分压增加引起了 CO2 分压的按比例降低， 从而导致测量的 CO2 流量值偏低。当湿度的增加速率远远高于 CO2 浓度的增加速率时，对水分稀释作用 的修正就尤为重要。这种情况通常发生在湿润的土壤中，在阳光明媚的天气条件下，叶室中的空气温度和 水蒸气浓度快速提高时。LI-6400 在测量 CO2 浓度的同时测量水蒸气浓度的增加速率并且将测量结果自动 应用到水分的稀释修正中。这样可以保证测量数据一致地准确性。 4、叶室顶部的空气必须被充分混合目的是为了完全代表叶室中的 CO2 浓度，而混合必须在没有引起 局部的压力梯度的条件下完成。6400－09 叶室能够在不产生任何局部压力梯度或松动土壤表面的情况下完 全混合叶室中的空气。 5、6400－09 叶室的操作非常简单。通过一系列按钮，用户可以选择一个自动记录程序，然后输入几 个简单的参数，仪器将按照用户设定的方式完成 CO2 流量的准确测量。 设备五：全自动间断化学分析仪 （http://www.bioon.com.cn/product/Show_product.asp?id=239285） 丽江森林生态系统定位研究站配置的 CleverChem 间断化学分析仪 概述：全自动间断化学分析仪是目前离子领域分析技术的新突破。所有步骤通过进样臂和电 脑控制，充分实现机械化和智能化，具有自动化程度高、操作过程简单、测量精度 高等特点。 生产厂家：德国 DeChem-Tech.Gmbh 公司 关键技术参数：（略） 测量原理：全自动间断化学分析仪是将比色分析法自动化的一种分析测试手段，它完全模拟 人工比色法，将样品、试剂和显色剂加入比色皿中产生颜色反应，其浓度与颜色成 正比关系，经比色计检测透光强度，得到相应的峰值吸光度，再通过标准曲线自动 计算得到相应的浓度。 主要应用场景：目前可测样品涵盖水体（海水、饮用水、地表水、污水、废水硅酸盐、硫酸 盐、硫化物、氯化物、六价铬、酸度、碱度、硬度、铁、锰、铝、铜、锌、镁、氰 化物、酚等） 、土壤及植物（总氮、总磷、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅 酸盐、硫酸盐、硫化物、氯化物、碱度、硼、铁、锰、铜、锌、镁、铝、钙、钼等）、 肥料、食品、烟草、酒类等。 参考资料，PDF 文档，及产品说明书 PDF 版