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土壤CO2通量測量 之 空間波動性和采樣數(shù)量

來源:北京力高泰科技有限公司 發(fā)布日期:2015-01-20 10:51:06 瀏覽次數(shù):1035


LI-8100A土壤碳通量自動測量系統(tǒng)
        根據(jù)以往碳通量的測量,可以知道土壤碳通量空間波動性還是很大的。即使在同一地點,相差幾米,碳通量也有可能從2 μmol m-2 s-1到4 μmol m-2 s-1的波動。為了獲得某地塊準確的碳通量,在進行測量之前,利用統(tǒng)計學(xué)的方法確定采樣數(shù)量是非常必要的。除了空間波動性,土壤CO2的釋放還存在這日變化和季節(jié)變化的不同,對于同一時間、同一地塊,土壤含水量、地溫、土壤有機物含量等都會影響CO2的釋放。為了得到更加接近真實情況的土壤碳通量,就需要充分考慮采樣地點和采樣時間,進而確定采樣數(shù)量。
       
       LI-8100/A土壤碳通量自動測量系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮了采樣地點和采樣時間上的差異性,當(dāng)使用8100-104/C長期測量室,實驗人員可以根據(jù)自己的實驗要求設(shè)定LI-8100/A測量系統(tǒng)的采樣間隔,然后儀器將會自動進行測量。在數(shù)據(jù)采集間隔時間,測量室的上蓋將會自動打開,移動至測量土壤部分的旁邊,這樣一方面保證了大氣CO2和土壤室內(nèi)的空氣進行交換,另一方面保證測量土壤的外界環(huán)境不受干擾,如風(fēng)速、降雨和光照等等。

       當(dāng)LI-8100/A與LI-8150多路器聯(lián)合使用時,LI-8100/A可以控制多達16個長期測量室。同時還可以使用8100-102或8100-103短期調(diào)查室,調(diào)查室可以快速在不同地點測量土壤碳通量,并且調(diào)查室也可以在無人看管的情況下自動采樣,但調(diào)查室更加適合中短期測量。因此,LI-8100/A的上述設(shè)計滿足了測量不同時間和地點的要求。

       下圖是平均采樣數(shù)量和由于地點不同造成的誤差對應(yīng)圖,該誤差范圍波動從5% - 100%。上述誤差計算根據(jù)標準的統(tǒng)計學(xué)理論,具體計算過程見后面描述。
LI-8100A土壤碳通量自動測量系統(tǒng)

       即使比較相對一致的土壤,變異系數(shù)(CV)為10%(相對來說,農(nóng)業(yè)實驗田地一致程度更高),如果測量誤差是5%,那么根據(jù)上圖,需要至少測量15 ~ 16個數(shù)據(jù)。如果測量土壤的變異系數(shù)更大,則需要增加采樣數(shù)量。

       對于一些調(diào)查,即使使用16個長期測量室也不可能準確獲得某一地塊的平均碳通量。為了降低實驗費用,一些研究人員建議調(diào)查室提高時間分辨率來彌補長期室的這種不足(Savage and Davidson, 2003; Arnold, et.al, 2006)。
眾所周知,被測土壤的溫度、濕度等等環(huán)境因子的日變化互相關(guān)聯(lián),并且該地點的碳通量日變化與這環(huán)境因子呈現(xiàn)相似的日變化,因此使用的調(diào)查室可以用來推測碳通量的日變化。研究人員可以使用該方法建立環(huán)境因子變化(如太陽輻射、空氣溫度、降雨量等等)和碳通量變化之間的模型,以及獲得整個地塊的平均碳通量。

確定樣本大小

標準誤,σ?,(標準差)與總的群體標準差,σ,關(guān)系:
σ? = σ/√n
n是某個樣地的采樣數(shù)量。對于一個呈正態(tài)分布的群體,在95%置信區(qū)間內(nèi),真實平均值 μ、整個群體的算術(shù)平均值,應(yīng)該在下面的范圍之內(nèi):
? ± (2σ/√n)
其中?是取樣平均數(shù)。

一般說來,(2σ/√n)≤可接受的標準誤,尤其是:(2σ/√n)≤ μ ×可接受相對誤差
因此:
√n ≥2σ / (μ ×可接受相對誤差)
變異系數(shù)(CV)為σ/μ,因此:
n ≥ (2 CV / 可接受相對誤差)2
 
如上面舉例:CV = 10%,可接受的相對誤差為0.05,則:
n = (2 * 0.1 / 0.05)2 = 16
即至少要采集16數(shù)據(jù)才能代表整個樣地的碳通量。
 
 
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.
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