便携式土壤温室气体分析仪同 时精确测量CH4、CO2、H2O及 土壤水分和温度，数据采集手 持机通过蓝牙自动采集温室气 体分析仪与TRIME-PICO的测 量数据，并可通过GPS定位分 析。 SoilBox-FMS便携式土壤呼吸 测量系统由气体抽样模块、气 体分析模块（包括水汽分析仪、 CO2分析仪和O2分析仪）、数 据采集器及Baseline模块（双 通道气路转换器）等集成于便 携式箱内。
加利福尼亚大学保护生物学研究中心（Vargas，2008） 原位研究监测土壤表面与剖面CO2浓度、根系及土壤过 程的时空动态变化



BTC-100微根窗根 系观测系统、 3层土壤剖面CO2、 水分、温度观测系 统 Li8100和ACE土壤 呼吸监测系统
上图：细根长度（上图空心蓝点）、菌根长度（上图实心红点）及 土壤呼吸动态变化； 下图：土温度与土壤体积含水量的动态变化（DOY为Day of year）

它的研究对象 包括植物根系、 地下动物和土 壤微生物，分 析生态系统地 上和地下部分 的关联、根系 生态、根系生 物地理以及地 下生物多样性 等方面（贺金 生，2004）。
Gerlinde B，2005
地下生态学的研究对象

根系

细根 菌根
水分 养分 呼吸 土壤碳氮水循环 （蒸渗仪）

土壤
易科泰生态技术公司Ecolab生态实验室 / eco-lab@ info@
茎流
Nadezhdina，2003

EMS62和EMS51多通道 植物茎流测量系统采用茎 热平衡原理（SHB，stem heat balance）连续准确 测量植物茎流量，是《中 华人民共和国林业行业标 准---森林生态系统长期定 位观测方法》（2011年7 月1日实施，本实验室参 与编制）中指定的液流测 量方法。 EMS62适用直 径6-12mm和12-20mm 的茎干， EMS51适于测 量直径大于12cm的树干。
蒸渗仪

蒸渗仪技术是通过对原位（或实验）土壤-植物柱 体系统（Soil Monolith）的精确监测和土壤水分 析，以研究土壤碳氮水循环包括水分平衡、物质平 衡、土壤溶质运移等的重要监测技术，是目前唯一 公认的基于水量平衡原理的蒸散监测方法，在欧洲 等广泛应用于农田、草原、森林及河流湿地等生态 系统的长期监测。
位于德国 Homécourt 的 大型蒸渗仪站
位于瑞士苏黎世 州 Reckenholz 的大型蒸渗仪站
小型蒸渗仪



SoilTron植物根系观测小型蒸渗 仪主体结构包括土壤柱体、漏斗 渗漏器及底座、称重系统等组成。 土壤柱体标准配置底面积500 cm2，高40cm，可选配其它规格 的土壤柱体。 标准配置3层土壤水分、土壤电导、 土壤温度及张力计监测。 8通道数据采集器，可接8个土壤 水分盐分传感器；另有土壤温度 和张力接口可接10个以上传感器 BTC-Borescope微根窗根系监测 系统，标准配置测管长度20cm、 直径2.85cm；带360视野可旋 转镜管；可充电式光纤照明。
微根窗技术

BTC根系生态监测系统是利 用微根管(Minirhizotron， 又称微根窗)技术进行非破 坏性监测分析根系动态的仪 器。这是一种非破坏性、定 点直接观察和研究植物根系 的方法，其最大优点是在不 干扰细根生长过程的前提下， 能连续监测单个细根从出生 到死亡的变化过程，也能记 录细根乃至根毛和菌根的生 长、生产和物候等特征。
CH4与O2在土壤呼吸中的地位


甲烷(CH4) 是除CO2以外的主要温 室气体之一，其全球变暖潜能为21。 对于土壤微生物来说，在有氧条件 下呼吸主要排出CO2，但在无氧条 件下，厌氧微生物则会排出大量的 CH4。 决定土壤在呼吸过程中是否会放出 CH4的决定因素就是O2，所以在测 定土壤呼吸尤其是测定湿地、水田 等生态系统的土壤呼吸时必须同时 测定CH4或O2。O2除了可以作为土 壤排放CH4的决定因素，还可以计 算呼吸商（Respiration Quotient， CO2/O2），从而提供土壤营养状况 及自养呼吸与异氧呼吸的生态信息。
地下生态学研究技术与应用
Ecolab生态研究室 李川
地下生态学


自 1990 年代后期以来，伴随着全球生态学研 究的深入，一个新兴的生态学领域——地下生 态学(belowground ecology)开始形成，并 得到了快速发展。地下生态学从不同学科层次 探索地下部分的结构、 功能、 过程以及与地上 部分的关系，并特别关注其对全球变化的响应。 地下生态学将是21世纪生态学的重要发展方向， 将揭开生态系统神秘的另一面。


生态系统地上和地下部分的关联

茎流 光合
根系



生态系统地上与地下部分主要是通过根系实现联合的。 但是，根系，尤其是细根(fine roots)可能是最不被 人们了解的植物器官。它作为提供植物养分和水分的 “源”和消耗 C的“汇”。已成为生态系统生态学及 全球变化研究中最受关注的热点(Morgan，2002)。 优势植物根系的形态(morphology)、 构型特性 (architecture)及分布(distribution)，尤其是细根 的周转过程，在很大程度上决定了该生态系统的 C 过 程、水分平衡、以及矿质元素的生物地球化学循环 (Schlesinger，1997)。 使用传统方法进行生态系统地下过程研究，特别是根 系研究时，一般都必须采取破坏性的采样方法.
电磁法
电磁学方法

TDR时域反射法
利用电磁脉冲技术，测量时金属波导体被用 来传输TDR信号，产生一个1GHz的高频电 磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周 围产生一个电磁场。信号传输到波导体的末 端后又反射回发射源。传输时间(10ps-2ns) 与土壤含水量密切相关。

FDR频域法
根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物 质中反馈出来的电磁波不同，计算土壤水分， 土壤介质点特性受电磁频率、温度和盐度、 土壤颗粒形态及其所包含水的形态影响。
多通道监测系统


由于土壤质地的不均匀和地下根 系分布，在相邻很近的两个地点 测量得到的土壤呼吸数据就可能 差距很大。因此在测量土壤呼吸 进行多通道多点测量就十分有必 要了。 ACE多通道土壤呼吸全自动监测 系统（ACE-Net）是目前国际上 唯一一款真正实现同步化多通道 土壤碳通量自动测量的完整系统。 本系统由一台控制主机和多台单 机组成，既可组网工作，每台单 机也可以独立工作。它有效监测 直径200m，可连接多达30个测 量单机，整套系统可进行长期监 测。
芬兰的欧洲赤松林根系季节变化 Advancing the use of minirhizotrons in wetlands， Iversen，2011
加利福尼亚草原旱季土壤菌根的周转和生产力 Treseder，2010
土壤水分

土壤水是植物吸收 水分的主要来源。
烘干称重法 中子仪法
土壤水分 测量方法
光合测量与生理监测



PTM-48A植物生理生态监测系 统可长期、自动监测植物的光合 速率、蒸腾速率，植物生理生长 状态，环境因子。 系统具备4个自动开合的叶室叶 室平时处于打开位置，不影响叶 片的自然生长状态；测量时叶室 闭合，读取叶片的CO2、H2O交 换速率，闭合时间只有30秒， 最大程度减少对叶片的扰动。 系统还具备1个数字通道连接 RTH-48传感器组合（组合了空 气温、湿度传感器、光合有效辐 射传感器、干湿传感器）；8个 模拟通道连接其他可选传感器， 如茎干微变化、树干生长、果实 生长、叶温、茎流等。



蒸渗仪规格：表面积1m2，高2m 特别设计的湿地取土系统取原位湿地土柱 高精度称重系统 渗漏测量 高精度即时地下水位模拟控制系统BTC-100微根 窗根系生态观测系统 气体通量观测单元用于测量分析湿地土壤CO2、O2 和甲烷通量 在线原位测量分析总氮、硝态氮和亚硝态氮等 无线传输 传感器：土壤水势、TDR土壤含水量、温度传感器
大型蒸渗仪


湿地地下水生态观测蒸渗仪由德 国UFZ环境研究中心与德国UGT 公司研制，利用特制的原位取土 系统采取原位湿地土柱，采用精 确的地下水控制系统，可精确重 现真实的野外条件。 通过地下水位模拟控制系统、精 准称重系统、根系观测单元、气 体通量观测单元、溶质在线分析 单元等，原位（In-situ）观测 或异地（Ex-situ）模拟观测地 下水位变化与湿地土壤蒸散、渗 漏、降雨及溶质运移的即时动态 变化关系，适于三角洲、河滩及 洪泛平原、泥炭地、高山湿地及 其它地下水位较浅（常年一般维 持在0－2m）的土地类型。
便携式测量仪器

TRIME-PICO TDR土壤 水分测量系统，是目前 国际上公认的最为准确 的土壤水分测量仪，可 测定土壤表面和剖面水 分含量，精度最高可达 1%。
原位监测系统

GlobeLog 土壤水分三维立体监测系统由 GlobeLog 数据采集器、 TRIME-PICO 土壤水分 传感器及相应网络化总线模块、无线传输模块等组 成的一套强大的区域三维立体土壤水分动态监测系 统。系统采用模块化结构，设置简单，安装操作非 常容易，可长期置于野外自动监测并无线传输数据 至客户终端。
The impact of increased above- and below-ground plant litter input on carbon cycling. Kuzyakov，2011
监测系统


由于土壤呼吸速率与土壤温 度、土壤水分密切相关，而 这两项参数会随着日周期在 一天的不同时段发生显著的 变化。所以为了更准确地估 算土壤的碳排放，有必要对 土壤呼吸进行长期的监测。 ACE自动土壤呼吸监测系统 完美地适应了科研工作者的 需要，自动化测量，可长期 连续无人值守监测土壤呼吸， 12V 40Ah蓄电池即可持续 供电最长达28天。