多通道土壤呼吸监测系统

前言ACE-Net由ACE单机与Master中央控制单元（简称Master）组成，是目前世界上可大面积多点（多通道）持续同步化监测土壤呼吸的仪器设备。通过Master可连接最多30个ACE单机（可根据预算及研究需求选配ACE单机数量及测量模式如开放式测量、封闭式测量、透明呼吸室、非透明呼吸室），从而组成土壤呼吸监测网络，ACE单机与Master通过一根电缆完成供电和数据传输功能，避免了因复杂的气路连接导致的气路滞留、响应时间慢、耗能大（需要大功率的气泵带动气流）、易损坏、不能大范围同步测量（没法进行时空分布格局研究）等缺点，ACE-Net可同步化持续监测直径200m区域范围内的土壤呼吸时空分布格局。 上图为操作人员在实验现场对仪器进行设置和采样应用领域l 区域土壤通量长期自动化监测l 土壤呼吸控制因子（温度、湿度、PH、土地类型）l 土壤呼吸的时空变化特征（时间尺度、空间模式、梯度）l 土壤呼吸对干扰的影响（气候变化、林火、耕作、施肥、污染）l 生态系统碳平衡l 区域及全球碳平衡l 土壤呼吸对全球气候变化的影响l 土壤呼吸模型的建立功能特点l 每个ACE单机既可进行独立自动点测量监测，又可与Master连接组成多通道区域网络化同步监测，是目前世界上唯一真正多通道同步化测量的仪器系统l Master与ACE单机之间只用一根电缆（负责信号传输、供电和遥控设置等）相连，无需气路，具备响应时间短、功耗低（蓄电池供电）、可在野外长期监测等优点，避免了因气路相连导致的阻塞或被动物踩踏、气体滞留（导致误差加大和响应时间拉长）及水汽凝结等问题l Master与ACE单机均具备LCD屏和功能操作键，通过显示屏设置和浏览数据等，通过存储卡保存数据，无需连接电脑或PDA，从而实现真正的野外长时间自动监测l 监测直径可达200m，可用于土壤呼吸的区域异质性时空分布格局研究，不同土壤类型、不同植被类型或不同梯度的对比分析研究，通过选配透明呼吸室和非透明呼吸室分析评估生态系统的碳源碳汇功能等系统组成ACE单机，网络控制主机，外接土壤温度和土壤水分传感器。中央控制箱通过电缆与单机相联，对每个单机供电、数据传输和遥控，可与30个单机相联组成区域网络监测，从而实现对直径200米范围内土壤呼吸空间异质性的同步化监测研究。 上图左为操作人员现场查看数据，上图右为数据界面技术指标1. 测量单机：网络主机可连接30台单机，单机独立均具分析器2. 测量区域范围：直径200m，同步化监测，优于顺序测量3. 红外气体分析仪：测量范围标准配置为 40.0 mmols m-3（0-896ppm），可选配0-2000ppm；分辨率为1ppm；带有自动零校准装置4. 数据纪录：1G移动存储卡（CF），可存储400万组数据5. 电源供应：外用电池、太阳能板或风力供应，单机12V、40Ah蓄电池最长可持续供电28天，ACE-Net单机内部蓄电池1.0Ah6. 显示屏：240×64点阵 LCD屏幕，程序界面友好，通过5键控制7. 数据查看：主机具备图表显示功能，可以得到实时的曲线图，可视化土壤呼吸的变化趋势，便于更直观地进行监测8. 数据下载：CF卡自动复制，也可用RS232传输9. PAR传感器：0-3000μmol m-2 s-1，硅光传感器，每台单机均已配置10. 土壤温度传感器：每台单机可接6个土壤温度传感器，测量范围：-20～50℃11. 土壤水分探头：每台单机可接4个土壤水分探头，选配Theta土壤水分探头，测量范围0-1.0 m3.m-3，精度±1%，探针60mm长12. 呼吸室流量控制：200-5000ml/min (137-3425 μmol sec-1)，流速精度±3%13. 测量模式：开放式和闭合式两种模式可选，不同单机可混合使用14. 呼吸室体积：密封室体积2.6 L，开放室体积1.0 L15. 呼吸室罩类型：透明和金属可选16. 土壤呼吸罩直径：23 cm17. 单机尺寸：82×33×13cm，重量：9.0 kg18. 网络控制主机尺寸：40×40×20cm，重量：12kg19. 防水防尘：IP66应用案例 在Zhongbing Lin等（2011）的研究中，使用多台ACE单机组成网络对不同样地的土壤呼吸进行测量。同时ACE自带的温度传感器和IMKO公司的TDR土壤水分传感器测量样地的温度和土壤含水量。研究显示高含水量时土壤呼吸和土壤含水量呈负相关（P0.01）。土壤呼吸和土壤温度之间有明显的迟滞效应，不考虑迟滞效应将低估q10。产地英国选配技术方案1) 可选配土壤氧气测量模块2) 可选配高光谱成像以评估土壤微生物呼吸作用3) 可选配红外热成像研究土壤水分、温度变化对呼吸影响4) 可选配ECODRONE无人机平台搭载高光谱和红外热成像传感器进行时空格局调查研究部分参考文献1. Noe S. M., Kimmel V., Hüve K., Copolovici L., Portillo-Estrada M., Püttsepp U., J?giste K., Niinemets U., H?rtnagl L. and Wohlfa. Ecosystem-scale biosphere–atmosphere interactions of a hemiboreal mixed forest stand at J?rvselja, Estonia. Forest Ecology and Management, In Press, Corrected Proof, Available online2. Lin, Zhongbing Zhang, Renduo Tang, Jia Zhang, Jiaying (2011). Effects of High Soil Water Content and Temperature on Soil Respiration” Soil Science: March 2011 – Volume 176 – Issue 3 – pp.3. Nicoletta Cannone, Giorgio Binelli, M. Roger Worland, Peter Convey, Mauro Guglielmin (2012). CO2 fluxes among different vegetation types during the growing season in Marguerite Bay (Antarctic Peninsula)” Geoderma Volumes 189–190, November 2012, Pages 595–605.4. K. Kri?tof, T. ?ima*, L. Nozdrovicky and P. Findura (2014). The effect of soil tillage intensity on carbon dioxide emissions released from soil into the atmosphere” Agronomy Research 12(1), 115–120.5. Xinyu Jiang, Lixiang Cao, Renduo Zhang (2014). Changes of labile and recalcitrant carbon pools under nitrogen addition in a city lawn soil. Journal of Soils and Sediments, March 2014, Volume 14, Issue 3, pp 515-524.6. Cannone, N., Augusti, A., Malfasi, F., Pallozzi, E., Calfapietra, C., Brugnoli, E. (2016). The interaction of biotic and abiotic factors at multiple spatial scales affects the variability of CO2 fluxes in polar environments” Polar Biology September 2016, Volume 39, Issue 9, pp 1581–1596.7. Liu, Yi, et al. (2016). Soil CO2 Emissions and Drivers in Rice–Wheat Rotation Fields Subjected to Different Long‐Term Fertilization Practices.” CLEAN–Soil, Air, Water (2016). DOI: 10.1002/clen.201400478. ().8. Xubo Zhang, Minggang Xu, Jian Liu, Nan Sun, Boren Wang, Lianhai Wu (2016). Greenhouse gas emissions and stocks of soil carbon and nitrogen from a 20-year fertilised wheat & maize intercropping system: A model approach” Journal of Environmental Management, Volume 167, Pages 105-114, ISSN 0301-4797, . ().9. Altikat S., H. Kucukerdem K., Altikat A. (2018). Effects of wheel traffic and farmyard manure applications on soil CO2 emission and soil oxygen content” Thesis submitted from the “I?d?r University Agriculture Faculty Department of the Biosystem Engineering”.10. Cannone, N. Ponti, S., Christiansen, H.H., Christensen, T.R., Pirk, N., Guglielmin, M. (2018). “Effects of active layer seasonal dynamics and plant phenology on CO2 land atmosphere fluxes at polygonal tundra in the High Arctic, Svalbard” CATENA, Vol 174. (March 2019) 142-153. .11. Uri, V., Kukum?gi, M. Aosaar, J.,Varik, M., Becker, H., Auna, K., Krasnova, A.,Morozova, G.,Ostonen, I., Mander, U., L?hmus, K.,Rosenvald,K., Kriiska, K., Soosaarb, K., (2018). The carbon balance of a six-year-old Scots pine (Pinus sylvestris L.) Forest Ecology Management 2019.

SoilLab多通道实验室土壤呼吸测量系统 土壤呼吸（soil respiration）是指土壤中的植物根系、食碎屑动物、真菌和细菌等进行新陈代谢活动，吸收氧气，消耗有机物，产生二氧化碳的过程。包括三个生物学过程（即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。SoilLab多通道实验室土壤呼吸测量系统用于实验室内测量土壤呼吸，系统由气流发生控制装置、土壤呼吸室、多通道气路转换器、气体分析仪及数据采集器和软件（用于系统控制、数据采集、分析）组成，其中气体分析仪有H2O、CO2、CH4及O2分析仪可供选择，标准配置为CO2和H2O分析仪。 SoilLab多通道实验室土壤呼吸测量系统实验室内测量土壤呼吸，可广泛应用于土壤微生物调查，土壤活力检测，土壤碳排放测量分析，各种土壤处理措施对土壤的影响分析，土壤生态修复研究检测与评估，土壤污染检测研究，气候变化对土壤碳通量的影响研究等。运用根去除法、壕沟断根法等测量方法，该仪器还可测量根系呼吸，从而可以更精确地研究土壤碳循环过程与机制，更定量地评价植物和土壤的碳平衡及能量平衡。 1.土壤微生物呼吸商，是基础呼吸与微生物生物量-C 间的比率，它将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能有机地联系起来，是反映环境因素、管理措施变化和重金属污染对微生物活性影响的一个敏感指标。该仪器软件数据处理功能强大，可以得出呼吸商值。2.温度是土壤呼吸重要的影响因子，运用该仪器，通过控制实验条件，还可以得到Q10值（土壤呼吸温度敏感性系数），即温度每变化10℃，呼吸速率的相对变化。Q10值是模拟全球变暖与生态系统碳释放之间反馈强度的重要参数。3.甲烷是主要的温室气体之一，80％以上的甲烷是通过微生物的活动产生的，同时，一部分甲烷在进入大气前被微生物吸收利用，因此，研究土壤中甲烷产生菌和甲烷氧化菌的活动规律和生态学特征，有利于揭示微生物介导的甲烷循环过程，并探索减排的措施。该仪器可选甲烷CH4分析器，可以测量土壤甲烷的变化情况，研究土壤甲烷相关微生物的活动情况。4.蚯蚓、线虫、蚂蚁、某些昆虫幼虫等土壤动物生活在土壤中，是陆地生态系统重要的组成部分，它们参与土壤有机质分解、植物营养矿化及养分循环等作用。随着工农业的发展，土壤污染越来越严重，从而土壤动物也随之受到影响，土壤动物的呼吸强度可以作为环境胁迫、土壤污染（比如农药污染）的一个重要生物指标，故深入开展这方面的研究工作对于农业环境保护和土壤污染监测具有重要的参考价值。SoilLab可以精准测量土壤动物呼吸，为广大学者提供了方便。 系统组成：1.CA-10 二氧化碳分析仪: 测量范围0-5%或0-15%两级选择，精度优于0.001%或1ppm，流量5-2000ml/分钟，噪音小于2ppm，24小时漂移低于0.002%2.RH-300 水汽分析仪：测量范围0.2%-100%，分辨率0.001%，同时还可测量露点温度 3.MA-10 甲烷分析仪（可选）：测量范围0-10%，分辨率1ppm4.RM-8-Bev 8通道气路转换器（多路器）5.RM-4-Bev-Stop 4通道气路转换器（可选）6.MFS-2气流发生控制器（10-2000ml/min）7.MFS-5气流发生控制器（可选，25-5000ml/min）8.Expedata软件：用于进行系统设置与控制，数据的采集、分析9.UI-2 数据采集器：8通道，16位A/D转换10.RC-V呼吸室：钢化玻璃材料，容积500ml11.TR-ACC-M5 配件包：管路、接头等各种备件 主要特点：1.模块式，可根据研究需要和实验设计自由组合、扩展2.测量参数包括土壤呼吸（CO2通量）、甲烷通量或土壤碳通量（备选）、土壤温度等3.开放/闭合式测量可选4.多通道气路控制，4通道、8通道、16通道可选，可进行多路气体自动采样分析5.单路CO2测量、双路CO2/水汽分析测量、多路CO2/CH4/H2O测量分析系统可选；土壤动物呼吸可选配O2分析模块6.双波长非色散红外技术，测量精度高，响应时间短，自动压力和温度补偿7.CO2测量分辨率高达0.1ppm8.可外接4个温度传感器以测量空气温度和土壤温度9.气体分析模块液晶显示，可独立设置和数据显示10.供电系统可选220AC/12V DC，以适合实验室和野外工作条件 技术指标：1. 气体测量分析模块16bit分辨率，4通道模拟输出，采样频率10Hz2. LCD显示屏，可独立设置并实时显示测量3. 温度气压补偿，精确度1%4. 二氧化碳分析测量：测量范围0-15%，响应时间小于1秒，分辨率可达0.1ppm5. 水气测量：测量范围0.2%-100%（相对湿度）、分辨率0.001%（相对湿度）6. 甲烷测量： 测量范围0-10%，响应时间小于1秒，分辨率1ppm7. 气体抽样： 热桥式气流计，分辨率1ml/min，精确度2%8. 数据采集分析，12通道，16bit分辨率；4个温度输入，分辨率0.001摄氏度9. 标准配置为8通道采样转换控制，另有4通道、16通道备选10.工作温度：0～45C，电源：12VDC 产地：美国

前言EGA60是由英国ADC公司研制生产的新一代实验室多通道土壤呼吸测量系统，可对24个土壤样品进行长时间持续测量分析CO2/H2O，并在线显示分析结果，测量参数包括气压、气流速度、即时CO2浓度和H2O浓度、温度等。还可选配荧光光纤氧气传感器进行土壤O2测量分析。 上图左为EGA60主机前面板示意图，右为4个土壤样品的CO2通量数据图 应用领域l 碳源碳汇研究l 全球气候变化l 土地利用方式改变l 生态修复研究l 土壤毒理学l 土壤微生物活力评估l 植物生理生态研究l 昆虫呼吸、根系呼吸l 水果贮藏技术特点¨ 多通道测量：可选配10、15、20、25个通道，其中一个通道测量CO2吸收柱。可测多达24的样品。¨ 紧凑且高度整合：多通道气路高度集成在一个紧凑的单元内，包括所有功能、流量控制和数据采集装置，易于安装，呼吸室易于连接，实验程序设置和操作都可以通过3页面、5按键控制一系列的菜单完成。所有的数据和结果都显示在宽大的高对比度的液晶显示屏上。各部件更换方便。减少了实验程序设置的时间。¨ 高精度CO2红外气体分析仪（IRGA）：分辨率1ppm，IRGA的测量稳定性非常出色，漂移量很小。CO2/O2双重分析。可自动调零。¨ 无限数据存储能力：所有的数据和计算结果都存储在可更换的SD卡上。实验数据可通过RS232接口下载到PC机或直接用SD卡进行数据传输。¨ 多用途气体交换系统：除做土壤呼吸外，可选配其他类型的呼吸室，进行植物气体交换测量，以及昆虫呼吸和水果贮藏的测量。¨ 实时图表显示：仪器可以实时显示测量数据的曲线图，可以更方便观测土壤呼吸的状况，更直观地进行监测。¨ 可选配荧光光纤氧气测量模块，以测量土壤氧气动态变化。 上图左为对10个土壤样品进行分析，右为对整株植物和土壤进行光合与呼吸研究 技术指标¨ 红外CO2气体分析仪，自动温度和压力补偿，CO2测量范围0~2000ppm，分辨率为1ppm¨ 双激光平衡快速响应水蒸气传感器，H2O水汽压测量范围0~75 mbar，分辨率0.1mbar¨ 荧光光纤O2测量（选配），测量范围0-50%（0-23mg/l）（可选配其它范围），检测极限0.02%（0.01mg/l），分辨率0.05%（0.025mg/l）@20% O2，精确度±0.2％（0.1mg/l）@20% O2，最快响应时间小于1s（与探针粗细有关），最低使用寿命1百万数据点，存储时间大于3年（室温暗处储放）¨ 流速控制：每个通道的流速为0-500ml/min，测量精度±1.5%（读数的）。¨ 实验持续时间：可设置单个通道的测量时间、循环测量次数等¨ 停延时间：2s-999min¨ 显示：240×64点阵LCD ¨ 存储：即插即拔的SD卡，可存储1600万组典型的数据¨ 电源：230/110V，50/60Hz¨ 数据输出：Mini-B 型接口USB；RS232九针D型标准接口¨ 模拟输入：7个模拟数据，0-5V或者0-20mA。¨ 操作温度：5~45℃¨ 尺寸：27×25×15cm¨ 重量： 7.5Kg产地英国选配技术方案1) 可选配荧光光纤氧气测量模块，以测量土壤氧气动态变化2) 可选配高光谱成像以评估土壤微生物呼吸作用3) 可选配SRS系列或ACE土壤呼吸仪进行原位土壤碳通量研究4) 可选配红外热成像研究原位土壤水分、温度变化对呼吸影响5) 可选配ECODRONE无人机平台搭载高光谱和红外热成像传感器进行时空格局调查研究