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土壤表层CO2通量研究很多，但这些监测并不足以解释土壤CO2生产过程，土壤剖面CO2垂直梯度研究越来越成为土壤呼吸乃至生态系统碳循环研究的热点。土壤不同层面（深度）CO2生产的持续监测对于理解土壤CO2动态极为重要，可以阐明由土壤到大气CO2通量随季节、光照、温度、湿度及土壤特性的变化特征。
土壤垂直梯度CO2监测可以与广泛使用的涡动相关监测比较，从而定量研究分析生态系统的碳交换。
目前土壤梯度有2种方法:
1、把CO2传感器直接埋入土壤.分梯度监测各层浓度分布，使用简单，有2种精度的传感器可选择，
GMP343和GMP22X系列：
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| GMP343 | GMP22X |
| 测量方法： | 扩散式和泵吸式 | 扩散式和泵吸式 |
| 测量范围： | 0 ... 1000 ppm, 0 ...2 000 ppm | GMP221探头 0 ... 2 %, 0 ... 3 %, 0 ... 5 %, 0 ... 10%, 0 ... 20 % CO2 |
| 精度: | 0 ... 1000 ppm ：± (3 ppm + 1 %的读数) 0 ... 2000 - 0 ... 2 % ：± (5 ppm + 2 %的读数) | ±(1.5％量程＋2.0%读数） |
| 工作温度: | -40~60°C | -20~60°C（探头） |
| 工作湿度: | 0~ | 0~ |
| 外壳: | 电镀铝，PC 塑料 IP66/IP67 | PC 塑料 IP66/IP67 |
2、使用红外分析仪在线多层分析土壤浓度数据
系统优点:
v 使用一个分析仪分析多层数据,没有系统误差
v 可以更换其他测量要素分析仪,如果:N2O,CH4等梯度测量内容,更灵活的实验
v 精度高,使用维护简单.整机比土壤呼吸系统简洁方便使用
CO2/H2O分析仪技术指标
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| CO2分析器 | H2O分析器 | |||
| 量程 | 0~20,000 μmol/mol | 0~60 mmol/mol | |||
| 准确度 | 优于读数的1% | 优于读数的1.5 % | |||
| 校准漂移 | 零点漂移 | <0.15 μmol/mol/℃ | <0.003 mmol/mol/℃ | ||
| 跨度漂移 | <0.03 %/℃ | <0.03 %/℃ @ 10 mmol/mol | |||
| 总漂移 | <0.4 μmol/mol/℃ @ 370 μmol/mol | <0.009 mmol/mol/℃ @ 10 mmol/mol | |||
| RMS噪声 | 1 s信号过滤 | <1 μmol/mol@370 μmol/mol | <0.01 mmol/mol@10 mmol/mol | ||
| 灵敏度 | CO2 | —— | <0.0001 mmol/mol H2O/ μmol/mol CO2 | ||
| H2O | <0.1 μmol/mol CO2/ m mol/mol H2O | —— | |||
| 测量原理 | 非色散红外分析 | 光源寿命 | ~18,000 h | ||
| 标准 | CO2 | 世界气象组织标准 | 电源 | 12~30 V DC | |
| H2O | LI-610便携式发生器NIST标准 | ||||
| 压力补偿范围 | 15~115 kPa | 工作温度范围 | -20~45℃ | ||
| *大气流速率 | 1 L/min | 相对湿度范围 | 0~95%（非冷凝) | ||
| 输出信号 | 2个模拟电压输出，2个电流输出 | 体积 | 22.2 L×15.3 W×7.6 H cm | ||
| 数字输出：TTL（0~5 V）或开集电路 | 重量 | 1 kg | |||
| 内部光腔体积 | 14.5mL | 电源要求 | 12~30 V DC，预热时为14 W，稳定时为3.6W | ||
根据菲克**定律(Fick’s first law)，在（稳态扩散的情况下）单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比。土壤剖面CO2通量（μmol CO2 m−2s−1）即根据该定律求出，具体计算公式为：
J= -D(dC/dx)
其中D为CO2在土壤中的扩散系数(单位为m2/s，与土壤温度、土壤体积含水量及土壤空隙度有关)，C为深度为x（单位为m）的CO2浓度，dC/dx为浓度梯度，“–”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散由高浓度区向低浓度区扩散。
系统的特点：
1、非扰动原位持续测量土壤剖面CO2、水分、温度（标准配置为3-8层可选），可通过菲克**定律求出土壤CO2通量（土壤呼吸），从而实现连续稳定原位监测土壤呼吸。
2、土壤三参数智能传感器，测量土壤水分和温度和盐度。
3、透明或非透明土壤呼吸室法（备选）测量表层土壤呼吸，可用于补充、校准或对比分析土壤剖面CO2梯度测量数据。
4、无线数据传输，可随时上网在线浏览、下载数据。
5、交流蓄电池供电或太阳能供电。
主要技术指标：
1、土壤水分测量：
· 测量范围0-体积含水量，度±1%，重复精度±0.2%，；
· 土壤温度测量范围：-40℃～70℃，测量精度：±0.2℃
2、土壤CO2测量：非色散单束双波长红外技术（NDIR），测量范围0-5000ppm、0-7000ppm、0-10000ppm、0-20000 可选，精度±1.5%，响应时间3妙；
3、标配16通道数据采集器（可选配32通道以监测3层以上的CO2浓度、土壤水分及土壤温度等）：
· 可存储220000组带时间戳的数据，16比特分辨率，± 20 mV up to ± 2.5 V 8范围输入，度0.03%；
· 测量间隔3秒至4小时可调，数据平均间隔3秒至4小时；
4、无线数据传输，通过软件终端浏览、下载数据，并可对数据进行统计分析。
