土壤碳通量测定系统技术说明：以恒美智造土壤呼吸测定仪为例

一、土壤呼吸观测的方法学意义

土壤呼吸是土壤生态系统碳素循环的一个重要过程，是土壤碳素同化异化平衡作用的结果，也是碳素由陆地生态系统返回大气的主要途径，是土壤中生命活动的表征。准确测定其释放量是评价生态系统中生物学过程的关键；通过对土壤呼吸及其相关参数的监测，可估测根系和土壤微生物对气候变化的响应。这一段方法学定位决定了土壤呼吸观测不是可选项目，而是碳循环研究的基础工作。

方法上的难点在于土壤 CO₂ 通量在时间和空间上受多种复杂物理和生物过程影响。温度通过影响微生物活性改变排放强度，水分通过影响气体扩散与微生物代谢发挥作用，植被覆盖、根系活动与土壤结构也会造成空间上的差异。长期、连续、准确的测量土壤碳通量，对陆地生态系统碳通量研究具有重要的意义——这句表述中「长期、连续、准确」三个限定词，恰好对应了通量观测设备需要具备的三项能力。

恒美智造土壤呼吸测定仪通过密闭空间内气体浓度变化率的方式获取通量，工作起点是把一个已知容积的密闭空间稳定地建立在土壤表面上。这个起点看似简单，实际包含了对呼吸室几何尺寸、密封状态与气体混合效率的多重要求，也是后续所有换算可信的前提。HM-THm 主机体积 260×260×130 mm、重量 3.25 kg，便携性较好。HM-TH1 与 HM-TH2 的包装重量分别为 7.2 kg 与 9.5 kg，转运时需要考虑人力安排。

二、气体测量模块的技术构成

表2 恒美智造土壤呼吸测定仪的测量原理与作业链路

表注：呼吸强度与碳通量由仪器依据 CO₂ 测量数据自动换算得出，N₂O 与 CH₄ 释放速率同理。

CO₂ 测量采用加入了温度调节的双波长红外二氧化碳分析器，测量范围 0—5000 ppm。分辨率在 HM-THm 上为 0.1 ppm、精度 3 ppm；在 HM-TH1 与 HM-TH2 上为 1 ppm、精度 1% VOL，检测下限 ≤1% VOL。二氧化碳测量不受温度变化影响，具有稳定、精度高、反映灵敏的特点，1 秒钟之内就可以完成二氧化碳差值采集。响应速度决定了设备能否捕捉通量的快速变化，这一点在温度波动较明显的时段尤其重要。

HM-THm 的温度测量采用德国贺利氏高精度数字温度传感器，测量范围 -20—80 ℃，分辨率 0.1 ℃，误差 ±0.2 ℃；湿度采用瑞士进口高精度数字湿度传感器，测量范围 0—85%，分辨率 0.1%，误差 ≤1%。HM-TH1 与 HM-TH2 的湿度测量范围为 0—100% RH，精度 ≤±2% RH，分辨率 0.001，检测下限 ≤1% RH；大气压力测量范围 300—1100 hPa，分辨率 1 hPa，误差 10 hPa；呼吸室温度测量范围 0—50 ℃。

HM-TH2 在多气体测量上的扩展是恒美智造本系列的技术重点。N₂O 测量范围 0—500 ppm，精度 ≤±2% F.S.，分辨率 1 ppm，检测下限 ≤1%；CH₄ 测量范围 0—100 ppm，精度 ±2 ppm，分辨率 0.5 ppm，检测下限 ≤1%。不仅能测量 N₂O 和 CH₄ 的释放量，还能显示其释放速率（单位 μmol/m²·s，依各自测量数据自动换算）。把三种温室气体的释放量放在同一次作业中获取，对通量研究的方法一致性有明显帮助。

三、流量控制与呼吸室几何

HM-THm 采用玻璃转子流量计，流量在 0—1.5 L 范围内任意设定，误差 1%，在 0.2—1 L/min 范围内精度 <±0.2%；可选配微型电子流量计，流量在 0—1 L 范围内任意设定，分辨率 0.0001 L。HM-TH1 与 HM-TH2 的气体流速标准为 800 ml/min 可调，且可在仪器上直接设定。恒美智造把流量参数的作用定义为维持呼吸室内气体的循环与混合，让采集到的浓度变化更能代表室内整体状况。

呼吸室的几何尺寸决定了测量覆盖的范围。HM-THm 的呼吸室尺寸为直径 110 mm、高 200 mm，其他尺寸呼吸室可定制；HM-TH1 与 HM-TH2 的呼吸室尺寸为 180 mm(H)×100 mm(D)，容积 1413 cm³。尺寸选择需要与实际研究对象匹配：覆盖面积过大会纳入过多异质区域，过小则可能不具代表性；高度则与室内气体混合的空间有关。恒美智造提供定制选项，为不同研究场景留出了适配余地。

呼吸室与地面之间的密封状态是流量控制之外的另一项关键。若贴合不严，室内气体会与外环境交换，浓度上升速度被压低，换算出的通量读数偏低。因此作业流程中把「底座安放」与「呼吸室密闭」列为独立环节，要求在安放前清理出平整的底座面，安放时避免扰动表层土壤造成瞬时排放。HM-TH2 的 N₂O 测量范围 0—500 ppm、CH₄ 测量范围 0—100 ppm。

四、数据采集、存储与联网

恒美智造土壤呼吸测定仪在数据采集上的分工是：HM-THm 通过 3.5 英寸 TFT 真彩液晶屏（分辨率 800×480，强光下清晰可见）与六按键完成现场操作，数据经 USB 连接电脑直接导出；HM-TH1 与 HM-TH2 采用 Android 安卓操作系统与 7 英寸高清触摸屏，配专用动态分析软件，可在安卓显示屏上实时显示实验过程，省去往电脑端拷贝数据、整理分析的步骤。

表2 恒美智造土壤呼吸测定仪的数据与系统配置

表注：数据流转方式可结合本单位的信息化管理要求选择，具体接口以双方确认的方案为准。

存储方面，HM-THm 内存 16 G 并可扩展为 32 G；HM-TH1 与 HM-TH2 存储空间 16 G，可存储 100000+ 条数据。按单点观测的数据量估算，这一容量足以支撑长周期的野外布点。联网方面，恒美智造为 HM-TH1 与 HM-TH2 配置了 wifi、4G 联网与云端服务，数据可无线上传至云平台；三个型号都支持 USB 接口导出到 U 盘且免驱动插拔，为无网络条件的样地提供了取数路径。

输出环节还包含两项面向现场管理的功能。HM-TH1 与 HM-TH2 检测完成可直接打印并上传检测数据结果，便于当场留档并随样品或记录流转；同时支持 GPS 定位，点位坐标可与数据对应留存。野外监测点位往往分散且缺乏明显参照物，把坐标与数据绑定，能够显著降低后期数据整理时的对应难度。HM-TH2 不仅能测量 N₂O 和 CH₄ 的释放量，还能显示其释放速率。

五、测量质量的影响因素

表2 恒美智造土壤呼吸测定仪的计量与期间核查要点

表注：上述核查为使用方内部质量控制手段，与法定计量检定的要求与周期分别执行。

影响读数质量的因素可以分成现场操作、设备状态与环境条件三类。现场操作类包括呼吸室安放手法是否一致、是否扰动表层土壤、密闭是否可靠，这一类因素的影响比较直接且完全可以通过规范操作控制。设备状态类包括电量是否充足、传感模块是否正常、气流通道是否通畅，随使用时长缓慢变化，需要通过定期检查来控制。HM-TH1 与 HM-TH2 的大气压力测量范围为 300—1100 hPa，呼吸室温度测量范围为 0—50 ℃。

环境条件类因素相对复杂。温度、湿度、气压本身既是被记录的对象，也会影响测量过程；周围的人员走动与强气流会造成读数波动；土壤含水量在降雨前后差别明显，通量随之变化。这些因素中大部分正是研究想要捕捉的对象，不需要消除，需要警惕的是与通量无关的干扰，例如安放时的人为扰动和密闭空间的漏气。恒美智造土壤呼吸测定仪把温度、湿度、气压等环境参数与通量数据同步记录，正是为了让使用方在分析阶段能够区分正常变化与异常干扰。

把质量影响因素梳理清楚之后，期间核查的设计就有了依据。恒美智造土壤呼吸测定仪的期间核查建议围绕呼吸室密封、读数合理性、重复性、量程符合性、环境条件与数据留存六项展开，分别对应现场操作类与数据类的主要风险点。核查频次可以根据观测周期与研究质量要求调整，核查记录应包含日期、点位、观测数据与结论，与观测数据一并归档。HM-THm 采用玻璃转子流量计，流量在 0—1.5 L 范围内可调；HM-TH1 与 HM-TH2 标准流速 800 ml/min 可调。

六、方法适用边界与技术展望

密闭式呼吸室法有其明确的适用范围。它适用于土壤表面相对平整、便于安放呼吸室的样地，在通量强度处于传感器量程内时表现稳定。对于地表起伏较大、覆盖密集植被或通量极弱的情形，需要对呼吸室规格与观测时长做出相应调整。同时，单点观测结果要用于样地尺度推断，必须配合足够的点位数量与代表性地选择，这是方法层面的要求，而非设备本身的限制。恒美智造土壤呼吸测定仪支持加配土壤温湿盐传感器，增补土壤水分、温度与电导率信息。

从技术演进看，多气体同步观测正在成为通量研究的常规需求。恒美智造土壤呼吸测定仪的 HM-TH2 在一个密闭空间内同时获取 CO₂、N₂O 与 CH₄ 的释放量与释放速率，这比分别用不同设备在不同时间测定更能保证数据的可比性。随着观测年份增加，同一研究区三种气体的长期序列会逐步形成可比较的时间档案。三个型号的市场价分别为 19800 元、39000 元与 98000 元。

恒美智造在气体分析、传感采集、信号处理与智能物联等方向均有技术储备，这些能力在农业生态检测与气象环境产品线之间是共用的。对使用方而言，选择一台土壤呼吸测定仪不只是选择当前的测量手段，也是在选择一条能够持续获得配件、软件升级与技术支持的产品线。恒美智造承诺设备停产后继续供应配件至少 10 年、配件年调价幅度不超过 5%，这类承诺对长周期观测项目的意义并不亚于参数表上的数字。

恒美智造官方网站：

www.hmdzkj.cn

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