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-1- 一种土壤CO2通量原位测定方法及装置1

高程达1

，孙向阳1

，曹吉鑫1

，张强1

，栾亚宁1

，郝虎东2

，李泽江2

，唐青云3

1北京林业大学水土保持学院，北京（100083）

2

内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特（010019）

3北京市华云分析仪器研究所有限公司，北京（100035）

E-mail：gaochd@bjfu.edu.cn

摘 要：本文介绍了一种土壤CO2通量原位测定的方法及装置：改装具有仲裁效力的大气

二氧化碳红外线气体分析仪到土壤CO2通量原位测定，连接自制的二氧化碳收集容器，对

陆地生态系统土壤二氧化碳的释放或吸收做定量测定。该方法和装置可用于自然状况下多地

点、多样地（点）土壤表层二氧化碳通量测定，具有便于携带、操作简单、省时间、经济、

测定数据直接、快速可靠等优点。

关键词：土壤二氧化碳通量，原位测定，方法，装置

0. 引言

土壤二氧化碳是土壤空气的主要气体成分[2

，11

，13

，21

，27]

， 也是大气主要温室气体的重要

来源或存储库[12

，30

，37]

。土壤二氧化碳通量作为陆地与大气界面温室气体交换量的重要度量

指标,反映了土壤物理、化学、生物性质和人类对土地利用、地下矿产资源[35

，25]

、岩溶[33

，28]

等状况，由于对全球气候变化的贡献和影响很大，已经受到世界各个国家的关注和重视。为

了准确地进行陆地生态系统的碳核算，实施《联合国气候变化框架公约》，履行《京都议定

书》义务，对土壤表面二氧化碳通量做比较精确的测定，具有实质而重要的意义[3

，20

，24

，30

，

34]

。

土壤二氧化碳的测定方法经历了一个比较长的历史。最早的报道可追溯到Boussingault

和Lewy于1853年所发表的文章，他们采用了氢氧化钡溶液吸收土壤空气中二氧化碳的化

学方法，在其后的一百多年的历史中，测定方法主要依靠在此基础上的化学吸收和物理气压

计量测定，尽管在土壤化学和土壤生物化学方面进行了努力，其灵敏度问题仍然无法克服。

到二十世纪五十年代末，气相色谱（GC）方法的发明以及在土壤学方面的广泛应用，极大

地提高了土壤二氧化碳测定的灵敏度[15

，4]

；相继发明了以涡度相关技术为核心的微气象学方

法[22]

、静态和动态箱法等方法[5-10

，19

，23]

，随着现代科学技术的发展，土壤二氧化碳测定从

单一化学方法，到化学-物理-生态学的多方位、多角度的测定方法，都有实足的进展。

在诸多的测定方法和设备装置中，应用比较广泛的土壤二氧化碳通量原位测定方法为微

气象学方法和箱法。Oswald[18]

、Mosier[17]

、Jennifer and James[14]

等人先后对不同的测定方

法作了比较分析和研究。

微气象学测定方法（micrometeorological method）是建立在气象学基础上的微型化气象

测定方法。它根据气温、地温、风向、风速、太阳辐射、降雨量等气象因子来推算土壤二氧

化碳通量，要求建立观测站，包括观测塔和相关的气象观测仪器和设备，代价昂贵，需要维

护，适于大范围、中长期定位观测，对于土壤二氧化碳通量的测定相对比较间接[16]

。

箱法测定（chamber method）包括静态(static)和动态(dynamic)箱法两种。静态箱法又分

作静态箱—碱液吸收法和静态箱—气相色谱法。静态箱—碱液吸收法是一种应用最早的化学

方法。在该法测定时，先把盛有碱溶液的容器敞口置于一个下端开口的样品箱里，快速密封

1

本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20050022014），国家自然基金（30671660）和教育部新

世纪优秀人才支持计划的资助。 http://www.paper.edu.cn

-2- 样品箱，扣在待测样地上，一段时间后拿出做酸碱滴定，然后计算土壤二氧化碳通量。该方

法简单、易行，技术成熟，不要求昂贵的仪器设备，可以多点、长时间测定，但在野外不大

方便，测定结果常常偏低[14]

。静态箱—气相色谱法即用密封的箱子在野外收集二氧化碳，

用注射器采集气体样品，在实验室用气相色谱(GC)测定二氧化碳的浓度，进而推算此时此地

的土壤二氧化碳通量。该方法的优点是结果稳定，重现性良好，缺点是需要配备价格昂贵、

保养困难、专业操作的气相色谱仪，同时比较间接，需要将样品从野外拿到实验室分析，不

方便[1

，32]

。

动态箱法是通过测定所覆盖箱体进出口二氧化碳的浓度差，以及流速和箱体覆盖面积，

计算出土壤二氧化碳通量。动态箱法通常包括动态密闭箱法和动态开放箱法。动态开放箱法

的优点在于比较客观而真实，缺点是容易受箱体内外气压差的影响造成较大的误差，一般需

要校正；动态密闭箱法一般不需要校正。动态开放箱法目前被认为是比较理想的方法[14

，26]

，

但是，仪器设备昂贵，主要靠国外进口；加之微电脑控制，操作复杂，需要经过培训，一个

主机最多可控制16个样点箱，仅能做一个样地的监测，不便移动；需要供电，在野外测定

受到限制。

目前国内测定土壤二氧化碳通量多使用静态箱-碱液吸收法和静态箱-气相色谱法，未见

有类似成熟的动态箱法技术和仪器设备。本研究针对这个问题，利用国内现有技术、设备力

量，设计制作一套土壤二氧化碳通量原位测定的技术方法和装置，试图解决同类方法和仪器

中价格昂贵、操作复杂、测定数据间接、携带不方便等问题和困难。

1. 方法原理

土壤二氧化碳产生于土壤动物、土壤微生物和植物根系新陈代谢（土壤呼吸）和土壤有

机质分解、碳酸盐的矿化或沉积，受土壤温度、土壤湿度、土壤孔隙度、土壤结构、土壤质

地等土壤物理、化学和生物性质以及地上植被、大气、人类利用方式等因素的影响，随时间、

空间分布而发生变化。

本研究利用密闭的可以移动的箱体，盖在所选样地上，根据红外线对二氧化碳气体特殊

吸收的物理性质，测定土壤在一定时间内放出或吸收二氧化碳的动态变化，根据公式计算出

土壤二氧化碳通量。具体为：在提前放置好的一定面积的底圈上（剪去圈内植物），盖上具

有一定体积大小、连通接管的密封盖子，接管通向CO

2红外线测定仪，形成一个闭合回路，

定时测量箱体内的CO

2浓度变化，根据理想气体计算公式将实地测定的数值转换为标准状

况下数值，即可得到标准状态下单位面积和单位时间的土壤二氧化碳通量值。

2. 装置构成

本装置由两大部分组成：仪器部分和密封容器部分（具体见图1.简易装置构造图）。1

为仪器—便携式红外线分析仪（北京市华云分析仪器研究所有限公司生产），用2和8胶管

与容器连接。容器又分做三个小部分：3底圈、6大盖和7小盖。3底圈是土壤和容器连接

的媒介体，需要提前固定到待测土壤表层（见图2。剖面图），6大盖上镶有5进气管和10

出气管管头与2、8胶管连接，与3底圈密封结合；7小盖由9微型风扇、7小盖和4电池组

成，与6大盖以丝口（带橡胶垫片）形式装卸和固定而成。 http://www.paper.edu.cn

-3-

图1简易装置构造图

图2.剖面图

3. 操作步骤

提前固定底圈到待测量土壤表面，尽可能避免干扰所测量范围，去除底圈内的活植物体。

底圈的个数根据需要而定，一般一台便携式红外线分析仪可以在3-4hr内测量20~50个样点。

测量时，首先用胶管将仪器和大盖按照进气和出气方向对应连接起来，把大盖盖到底圈上，

密封起来，这时，打开泵开关，二氧化碳初始浓度值（X

1）即在显示器上读出来；然后，尽

快将装有微型风扇和电池的小盖拧紧到大盖上。立即记录时间，持续3-5min时，在显示器

上所读数值即为该时间二氧化碳的即时浓度值(X

2),此时，第一个样点的土壤二氧化碳通量测

量完毕，可以逆组装顺序依次卸下小圈、大圈，移向下一个样点进行测量。

4. 结果计算

设土壤二氧化碳通量为F(mg.m-2

.hr-1

),容器的高为H(m)，测定时间变化为∆t(hr), 根据理

想气体方程得：

F=α×(X

2-X

1)×H /∆t (1)

式中α为换算系数为1.80(25℃,1个标准大气压) http://www.paper.edu.cn

-4- 5. 案例

某一森林土壤样地的实际测量数据如下表1。

表1 实际测量数据表 （单位：ppm）

测定时间为∆t =3分钟

根据给定的计算公式（1）计算如下

F(mg.m-2

.hr-1

)= K×(X

2-X

1)×H /∆t

=1.8×(550-480) ×0.045×60/3

=113.4(mg.m-2

.hr-1

)

即该样地此时的土壤二氧化碳通量是向大气中释放113.4 CO

2 mg.m-2

.hr-1

。

6. 结论

本研究设计了一套土壤CO2 通量原位测定的装置，介绍了使用该装置测定CO2 通量

的原理、方法、步骤、计算公式，并给出了运用该装置和方法测定的数据计算案例，可用于

自然状况下多地点、多样地（点）土壤表层二氧化碳通量的原位测定，具有花费小、便于携

带、易操作、省时和测定数据可靠、直接、快速等优点。

7. 致谢

在研究过程中，北京林业大学土壤学科的老师们给予了方便和支持，在此表示感谢！ 项目 样点1 样点2 样点3 总和 平均值

初始值X

1 480 460 500 1440 480

即时值X

2

570 520 550 1640 550