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土壤CO2通量测量 之 空间波动性和采样数量

来源:北京力高泰科技有限公司 发布日期:2015-01-20 10:51:06 浏览次数:863


LI-8100A土壤碳通量自动测量系统
        根据以往碳通量的测量,可以知道土壤碳通量空间波动性还是很大的。即使在同一地点,相差几米,碳通量也有可能从2 μmol m-2 s-1到4 μmol m-2 s-1的波动。为了获得某地块准确的碳通量,在进行测量之前,利用统计学的方法确定采样数量是非常必要的。除了空间波动性,土壤CO2的释放还存在这日变化和季节变化的不同,对于同一时间、同一地块,土壤含水量、地温、土壤有机物含量等都会影响CO2的释放。为了得到更加接近真实情况的土壤碳通量,就需要充分考虑采样地点和采样时间,进而确定采样数量。
       
       LI-8100/A土壤碳通量自动测量系统在设计上充分考虑了采样地点和采样时间上的差异性,当使用8100-104/C长期测量室,实验人员可以根据自己的实验要求设定LI-8100/A测量系统的采样间隔,然后仪器将会自动进行测量。在数据采集间隔时间,测量室的上盖将会自动打开,移动至测量土壤部分的旁边,这样一方面保证了大气CO2和土壤室内的空气进行交换,另一方面保证测量土壤的外界环境不受干扰,如风速、降雨和光照等等。

       当LI-8100/A与LI-8150多路器联合使用时,LI-8100/A可以控制多达16个长期测量室。同时还可以使用8100-102或8100-103短期调查室,调查室可以快速在不同地点测量土壤碳通量,并且调查室也可以在无人看管的情况下自动采样,但调查室更加适合中短期测量。因此,LI-8100/A的上述设计满足了测量不同时间和地点的要求。

       下图是平均采样数量和由于地点不同造成的误差对应图,该误差范围波动从5% - 100%。上述误差计算根据标准的统计学理论,具体计算过程见后面描述。
LI-8100A土壤碳通量自动测量系统

       即使比较相对一致的土壤,变异系数(CV)为10%(相对来说,农业实验田地一致程度更高),如果测量误差是5%,那么根据上图,需要至少测量15 ~ 16个数据。如果测量土壤的变异系数更大,则需要增加采样数量。

       对于一些调查,即使使用16个长期测量室也不可能准确获得某一地块的平均碳通量。为了降低实验费用,一些研究人员建议调查室提高时间分辨率来弥补长期室的这种不足(Savage and Davidson, 2003; Arnold, et.al, 2006)。
众所周知,被测土壤的温度、湿度等等环境因子的日变化互相关联,并且该地点的碳通量日变化与这环境因子呈现相似的日变化,因此使用的调查室可以用来推测碳通量的日变化。研究人员可以使用该方法建立环境因子变化(如太阳辐射、空气温度、降雨量等等)和碳通量变化之间的模型,以及获得整个地块的平均碳通量。

确定样本大小

标准误,σў,(标准差)与总的群体标准差,σ,关系:
σў = σ/√n
n是某个样地的采样数量。对于一个呈正态分布的群体,在95%置信区间内,真实平均值 μ、整个群体的算术平均值,应该在下面的范围之内:
ў ± (2σ/√n)
其中ў是取样平均数。

一般说来,(2σ/√n)≤可接受的标准误,尤其是:(2σ/√n)≤ μ ×可接受相对误差
因此:
√n ≥2σ / (μ ×可接受相对误差)
变异系数(CV)为σ/μ,因此:
n ≥ (2 CV / 可接受相对误差)2
 
如上面举例:CV = 10%,可接受的相对误差为0.05,则:
n = (2 * 0.1 / 0.05)2 = 16
即至少要采集16数据才能代表整个样地的碳通量。
 
 
References
Savage, K. and Davidson, E. A., 2003. A comparison of manual and automated systems for soil CO2 flux measurements: trade-offs between spatial and temporal resolution. Journal of Experimental Botany, 54(384): 891-899.
Arnold, Kira, Jay Ham, Clenton Owensby and Patrick Coyne, 2006. Temporal stability of soil respiration in tallgrass prairie: towards watershed-scale estimates of carbon fluxes. Abstract, ASA-CSSA-SSSA 2006 International Meeting, 231-14.