依托可靠的土壤CO₂ 测量推进生态系统研究

客户: 由 巴特尔（Battelle ）运营的美国国家生态观测站网络（ NEON ）
维萨拉解决方案: CARBOCAP® 二氧化碳传感器GMP343
 

由巴特尔（ Battelle） 运营的美国国家科学基金会国家生态观测站网络（NEON）是一个覆盖整个大陆的庞大设施，致力于收集长期生态数据。其目标是加深对生态过程的理解，为可持续的生态系统管理提供依据，并通过遍布各地的 81 个淡水与陆地观测站点监测多样化的生态系统。

挑战：精准、长期的土壤CO₂ 测量
 

NEON 的陆地仪器系统（TIS）科学研究中，一个重要任务是在特定深度测量土壤空气中的 CO₂ 浓度。这些 CO₂ 浓度数据可用于理解土壤呼吸过程。这类观测极具价值，因为土壤呼吸是生态系统向大气释放碳的最大通量之一。

从土壤逸散到大气中的 CO₂，大部分来自土壤内部生物的呼吸活动，例如植物根系、微生物和土壤动物。土壤呼吸是生物活动的重要指标，也是土壤中储存的碳进入大气的主要途径。因此，土壤呼吸速率的微小变化都可能对整个大气 CO₂ 收支以及全球生态系统产生重大影响。

方法：精准且稳健的测量技术

土壤性质在短距离内就可能发生显著变化，使得获取具有代表性的样本变得困难。为捕捉当地主要土壤类型的差异性，每个陆地观测站点都设置了五个基于传感器的土壤监测样地，彼此间距可达 40 米。。

该过程使用维萨拉 CARBOCAP® 二氧化碳传感器GMP343测量三个不同深度（通常为2厘米至12厘米，最深至地下20厘米）的土壤CO₂ 浓度，其测量范围为0至2%。通过三个传感器的CO₂ 浓度数据，可绘制出随深度变化的CO₂ 浓度剖面图。结合土壤CO₂ 扩散系数数据，该剖面图可用于估算土壤呼吸速率及向大气释放的CO₂ 通量。

安装在土壤中的传感器面临若干常见挑战：结露、腐蚀及环境条件变化可能损害设计完整性并影响测量一致性。

为应对多个 TIS 站点中不同的土壤条件，科研团队设计了一套坚固的土壤组件，用于保护传感器免受腐蚀和潮湿土壤的影响。采用垂直安装方式，既能定期校准和维护传感器，又能保持土壤剖面不受干扰。为确保CO₂ 测量精度，探头在气体采样区域内配备了内部温度传感器，通过内部算法对压力、湿度、温度和氧气进行补偿。

成果：经实地验证的设备为 NEON 网络持续提供长期数据

Battelle 于 2019 年完成整个 NEON 网络的建设。约 700 个传感器自那时起持续提供关键的土壤 CO₂ 浓度数据，且数据准确、稳定。这使 NEON 能够在从数秒到数年的不同时间尺度上持续捕捉生态系统的模式与周期。借助全面、准确且长期的时间序列数据，科学家能够更好的预测生态系统对气候变化的响应。