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专利名称：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IOs ；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Γ n , a-t
Ct=C。+口⑴其中，Ct为即时CO2浓度(μ L · Γ1)，t为测定时间(s)，Ctl为t = 0时的CO2浓度 (μ L-L-1) ；a、b均为拟合参数。三、以公认的大气CO2浓度为360 ( μ L -L"1)为参照标准，将Ct为360 ( μ L -L"1)带入双曲线方程，计算出对应的时间ts值。
360-C0 L(2) ts =~——-b 、1) s a-360 + C0四、将步骤2中的双曲线方程(1)以Ct对时间t求一阶导数，可得Ct'= /ta‘(3)
(b + t)2将方程(2)中的ts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、 = ⑷五、将ks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Fs=pQ-ks~-(5)
A式中(5)，Fs为标准CO2通量(mg ·πΓ2 .s—1)，P Q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)，ks为标准CO2浓度变化速率参数
(μ L · 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Ct为 360 ( μ L · L-1)时对应的ts值，再求出该时刻对应的标准CO2浓度变化速率参数ks，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。


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。
具体实施例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
4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(yL·!^)为参照，按公式(2)计算出Ct为360 ( μ L · L—1)时对 应的ts值，再带入(4)式计算出该时刻对应的标准CO2浓度变化速率ks;最后将ks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
测定 曰期土层η拟合方程相 关系数本发明 t=0时的通量标准通量常规方法 拟合方程相 关系数通量10.95cm300.99960.170.290.96580.06IOcm301.00000.320.550.96600.1215cm300.99990.310.530.98170.1420cm300.99980.410.630.98240.1810.165cm301.00000.270.580.95180.06IOcm301.00000.310.690.97450.1115cm301.00000.370.730.98060.1520cm300.99990.290.800.98490.1410.245cm300.99720.270.430.88260.10IOcm300.99980.180.410.92430.0915cm300.99990.321.260.91900.1120cm300.99870.310.520.85590.15 从表1可以看出，本发明的拟合相关系数均大于0. 99 (η = 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
5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,η = 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IOcm深度标准瞬时CO2通量值
权利要求
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 <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>t</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mi>a</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>t</mi> </mrow> <mrow><mi>b</mi><mo>+</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Ct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ts值。
<mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>360</mn><mo>-</mo><msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>a</mi><mo>-</mo><mn>360</mn><mo>+</mo><msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><mi>b</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>四、将步骤2中的双曲线方程(1)以Ct对时间t求一阶导数，可得 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>t</mi> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>a</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>b</mi> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>+</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>将方程(2)中的ts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ks <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>a</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>b</mi> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>t</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>五、将ks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 <mrow><msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mn>0</mn></msub><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi></msub><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mi>V</mi> <mi>A</mi></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中(5)，Fs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)，ks为标准CO2浓度变化速率参数(μL·L 1·s 1)。
全文摘要
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Ct带入双曲线方程，计算出对应的时间ts；将双曲线方程以Ct对时间t求一阶导数，并将ts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。
文档编号G01N15/06GK101936873SQ20101024065
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者吴沿友, 朱咏莉, 李萍萍, 杨波, 鲁珊 申请人:江苏大学