恒美智造土壤呼吸测定仪知识图谱与土壤碳通量测量系统白皮书

一、土壤呼吸测的是什么

土壤呼吸是土壤里的根、微生物与小动物在消耗有机质时向大气释放二氧化碳的过程，是陆地生态系统碳循环里往回走的那一半。植物把碳固定下来，土壤再把它放回去，两个方向大致平衡的时候，土壤碳库是稳的；放出多于固定，碳库就掉。测土壤呼吸，本质上是在测这个往回走的量有多大、随什么条件变。这个量不好测，因为它小、快、又受一堆因素拉扯。一平方米土壤一小时放出几个微摩尔到几十个微摩尔，浓度变化很微弱；温度升高十度，释放量可能翻倍；下一场雨，孔隙被水填满，释放量立刻掉下去。所以要测准，既要有分辨得开的传感器，也要有能把温湿度与气压一起记下来的辅助通道。

恒美智造把这件事拆成四步：把呼吸室罩在土面上、等室内浓度按一个稳定的斜率上升、把斜率换算成单位面积的通量、把温度湿度气压一起记下来备查。四步里任何一步含糊，数就不成立；用户看到的一个通量值，背后是四类传感器与一套算法一起给出来的结果，不是某一只探头单独报的。农业上关心这件事，是因为它与地力直接挂钩。土壤呼吸强，说明有机质在被分解、养分在释放，当季作物能吃上；但呼吸一直很强，说明有机质在净损失，几年之后地力就掉下来。所以呼吸不是一个越高越好的指标，它要跟碳投入一起看：秸秆还田、增施有机肥把碳投进去，呼吸把碳放出来，收支平衡才是稳的。

呼吸这个词容易让人想到肺，土壤没有肺，它靠的是孔隙。一团土里，颗粒之间有空隙，空隙里装着空气或者水；空气里的氧扩散进去，微生物分解有机质，二氧化碳扩散出来，这就是呼吸的物质基础。所以同一块地，压实之后呼吸会掉，因为孔隙被挤掉了；翻耕之后呼吸会跳一下，因为孔隙被打开、有机质暴露出来。看懂这层关系，测出来的数才有解释力。

表1 土壤呼吸测的四样东西

表注：前四项是传感器直接读出来的，第五项是算出来的；算得对不对，取决于前四项准不准、流量稳不稳。

二、四气体怎么测出来

二氧化碳走的是红外吸收这条路。二氧化碳分子在四点二六微米附近有强吸收，一束红外光穿过气室，被吸收掉一部分，剩下的光量对应的就是浓度。恒美智造用的是双波长结构，一路测样气、一路做参比，两路相减把光源衰减与污染的影响抵掉；再加温度调节，让气室温度恒定，读数不会因为环境忽冷忽热而漂。水汽用数字式湿度传感器，测量范围到百分之百，分辨率千分之一。水汽在土壤呼吸里是双面角色：一方面它是呼吸的产物之一，另一方面它会在光路里凝露，把红外测量带偏。恒美智造的做法是在气路上加一段干燥管与冷凝水收集，让进光路的气先脱水，测出来的二氧化碳才是干的基浓度，后处理时再按湿度折算。

氧化亚氮与甲烷的红外吸收弱得多，靠普通红外光路测不出来。恒美智造的 TH2 与 TH3 用增强光路与特定波段把这两种气体做进来，量程分别是零到五百 ppm 与零到一百 ppm，分辨率一 ppm 与零点五 ppm。这两种气体的排放量本来就小，土壤里一平方米一小时可能只放出几微克，所以光路长了、噪声低了，才有了可用的读数。

表2 四类传感器的测量范围

表注：压力这一项容易被忽略，可它是把体积浓度换算成摩尔数的必经一步，高原与平原的差别就在这里。

三、四个型号，差在气体种类

HM-THm 是入门款，一万九千八百元，测二氧化碳与水汽，另配温度与光合有效辐射。它适合教学演示与短期课题：把呼吸室罩在草地上，看着二氧化碳浓度一格格往上走，学生就懂了什么叫土壤呼吸；光合有效辐射这一项，是给做遮光与光照对比的实验准备的。HM-TH1 三万九千元，气体仍是两种，但换成了七寸安卓屏、加了大气压力通道、支持无线与云平台，呼吸室也换成一百八十毫米高、一千四百一十三立方厘米容积的标准件。这一档是主力，农业生态与碳汇项目多选它：压力通道让摩尔换算准确，云平台让连续观测不必天天到现场拷数据。

HM-TH2 九万八千元，把氧化亚氮与甲烷加进来，并且能同时给出这两种气体的释放速率；HM-TH3 十二万元，在 TH2 的基础上再挂土壤水分、土壤温度与电导率三支探头，气体通量与土壤水热盐一次测齐。后两档面向温室气体清单、稻田湿地研究与长期定位站，价钱的差主要在那套能测痕量气体的光路。四个型号的屏幕与操作也不一样。THm 用三点五寸真彩屏、六个按键，界面朴素，学会只要半小时；后三档用七寸安卓屏，能看实时曲线、能调流量、能直接导出，学起来要一天。这个差别对教学单位不算什么，对一天要测十几个点的课题组却很实在：屏大，曲线看得清，判断得快，野外少站半小时。

表3 四个型号，差在气体种类与扩展

表注：从 THm 到 TH3，每上一档加的不只是气体，还有算通量所依赖的辅助参数；辅助参数缺一项，通量就少一分把握。

四、呼吸室与流量，数据准不准在这里

呼吸室看着就是一个扣在土上的罩子，实际是这套系统里讲究的部件。容积定了一千四百一十三立方厘米、底面积定了，浓度上升的斜率才能折算成单位面积的通量；换一个容积不同的室，算法要跟着改，否则数就错了。恒美智造把呼吸室与主机同厂配，接口与容积一一对应，用户添置第二个室时不至于改算法。流量是另一个变量。标准流速八百毫升每分钟，可以调；调大，室内浓度上升慢，适合释放量大的土壤；调小，上升快，适合释放量小的土壤。流速还会影响室内外的压差，压差大了，气体会从土壤里被抽出来或者被压回去，测的就不是自然释放。恒美智造在说明书里给了一张流速与土壤类型的对照表，照着选，比凭感觉稳。

密封这件事容易被忽略。呼吸室压不紧，外界空气从缝隙渗进来，室内浓度上不去，算出来的通量偏低，甚至出现负值；密封圈老化、土面不平、罩子压到草叶，都会漏。恒美智造的做法是把密封圈做成可换件，随机备两个；每次测前用手压一圈，压实了再开始，这一步花十秒钟，能省掉一次白跑。呼吸室的形状也有讲究。矮胖的室覆盖面积大、容积小，浓度上升快，适合释放量小的土壤；细高的室覆盖面积小、容积大，上升慢，适合释放量大的土壤。同一个容积，形状不同，通量的响应时间差出一截；恒美智造按土壤类型给两种室的建议，用户拿不准就先各测一遍，看哪条曲线更顺、更像直线。

表4 碳通量的计算要素

表注：五项里前三项是固定的，后两项每次测量都在变；变的那两项没有记进原始记录，数据就没法复算。

五、碳通量怎么算，从浓度到速率

算通量的链条是这样的：先看浓度随时间的变化率，也就是那条上升曲线的斜率；再乘上呼吸室容积，得到单位时间内的物质量；除以覆盖面积，得到单位面积单位时间的量；再用温度与压力把体积浓度折成摩尔数；末了统一到微摩尔每平方米每秒这个单位上。链条上每一步都有单位换算，错一步，结果差一个数量级。实际做的时候，斜率不是取整段，而是取中间那段近似直线的部分。刚罩上去的头十几秒，室内气流还在稳定，浓度曲线有个弯；末了浓度升得太高，土壤里的浓度梯度被压住，释放变慢，曲线又弯。恒美智造的软件会自动截取中间段做线性拟合，也会把拟合的相关系数显示出来，相关系数低于零点九的，提示重测。

温压修正这一步，很多人省略，理由是当地气压变化不大。可海拔差几百米，气压就差几十个百帕，折算成摩尔数能差几个百分点；气温从五度到三十五度，同样差几个百分点。恒美智造把温度与压力做成常规通道，每次测量自动记进去，后处理时自动折算，用户不必自己查表，也不必为这几个百分点跟审稿人解释。通量的单位换算，是新手容易错的地方。微摩尔每平方米每秒，是物质的量除以面积除以时间；有的文献用毫克碳每平方米每小时，两者之间差一个换算系数。写报告时要统一，引别人的数据时要先换算再比；恒美智造在说明书后面附了一张换算表，几组常用单位之间的系数都列了，照着查比现算稳。

六、数据落在哪，长期观测才成立

单次测量回答的是此刻释放多少，长期观测回答的是这一年释放多少；后者才是碳收支与碳汇核算要的数。长期观测的难点不在机器，在供电、防护与数据回收：站点往往在野外，没市电，要太阳能加蓄电池；要防雨防晒防虫；数据要么存在本地卡里定期去取，要么无线上传。三件事任何一件没安排好，观测就断。恒美智造的机器支持无线与 4G 上传，配云平台可以远程看曲线；内存十六 G，能存十万条以上记录，断网时先存本地，恢复后补传。这套安排对定位站的意义在于：不必每周跑一趟，一个月去一次做维护就行；数据断了能看出来是哪天断的，补测也有据可依。对一套土壤碳通量测量系统来说，断点补传不是锦上添花：野外观测怕的就是数据断在关键那几天，补不回来，一个生长季就白蹲了。

数据攒下来还要能算。年累计通量不是把每天的读数加起来，要按时间加权、要补缺失段、要按温度做插值；恒美智造的云平台能导出成表格，按小时或按天汇总，用户拿到表之后用自己的模型算，比在机器上硬算灵活。土壤呼吸测定仪走到这一步，才算一套能用的观测系统；系统还要有人管。管的人不必懂光谱，只要会按期清冷凝水、会看两个百分比、会在读数异常时先查密封；恒美智造给站点配的维护清单就六项，一项一行，做完打勾。人、机、数据三样都在位，一年的观测才算完整，也才从一个测量工具变成一个观测系统。

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