摘要：土壤呼吸是陆地生态系统碳循环中最大的通量之一，其精确测定对于理解全球碳收支、评估气候变化反馈效应以及指导农业土壤管理具有重要的基础性意义。
基于箱式法的气体交换观测系统因其直接测定土壤表层CO₂释放通量的能力，已成为土壤呼吸研究中最广泛采用的技术手段。模块化便携式土壤呼吸测量系统采用闭流再循环与开放流两种气路结构，通过非色散红外CO₂分析仪对土壤呼吸室内的CO₂浓度变化进行连续监测，可在野外原位条件下快速获取土壤呼吸速率数据，也可将土样带回实验室在受控条件下进行测量。系统集成多通道数据采集、土壤温湿度传感与大气压力补偿功能，具备高度的应用灵活性和扩展性。
本文从方法原理、选型比较、操作规范、技术标准、市场应用及科研实践等八个维度进行系统阐述，为生态学、土壤学及环境科学领域的技术人员提供参考。

1. 土壤呼吸测定方法的技术比较与选型指南
1.1 土壤呼吸的概念与测定方法体系

土壤呼吸（Soil Respiration）是指土壤中生物（包括植物根系、土壤动物和微生物）通过呼吸作用向大气释放CO₂的过程，是陆地生态系统碳循环中仅次于光合作用的第二大通量。土壤呼吸速率通常以单位时间单位面积土壤表面释放的CO₂量来表示（μmol CO₂·m⁻²·s⁻¹或mg CO₂·m⁻²·h⁻¹）。土壤呼吸作为土壤微生物活性和土壤肥力的重要指标，对研究全球气候变化具有极其重要的影响。

目前，土壤呼吸的测定方法主要分为两大类：

微气象学法：包括涡度相关法和空气动力学法等，通过测量近地表大气中CO₂的湍流交换通量来推算下垫面的呼吸速率。该方法适用于大尺度、连续监测，但设备昂贵、对地形和气象条件要求较高。

气室法：将一定体积的气室覆盖在土壤表面，通过测量气室内CO₂浓度随时间的变化来计算土壤呼吸速率。气室法因直接测定土壤表层释放的CO₂而成为土壤呼吸研究中最常用、最可靠的方法之一。气室法按其工作原理可分为静态气室法和动态气室法，按气路结构又可分为闭路系统、半闭路系统、开路系统和半开路系统。

1.2 闭路系统与开路系统的技术比较

箱式气体交换观测系统根据气路结构的差异，主要分为闭路系统和开路系统两大类。

对比维度	闭流再循环系统（闭路）	开放流系统（开路）
气路结构	呼吸室与分析仪之间形成闭合循环回路	环境空气持续流入呼吸室后排出
测量原理	监测密闭体系内CO₂浓度的累积速率	测量流入与流出气流间的CO₂浓度差
测定方式	浓度随时间线性上升，计算累积速率	稳态条件下计算通量
适用场景	原位土壤呼吸测量、低通量样品	实验室土样测量、高通量样品
优点	灵敏度高、对低呼吸速率样品分辨率好	维持自然CO₂梯度、可长期连续监测
局限性	密闭可能导致温湿度变化	需精确控制流量、对低通量灵敏度较低

静态碱液吸收法属于传统的静态气室法，通过碱性溶液吸收呼吸室内的CO₂后滴定计算呼吸速率，虽然成本低廉但精度和时效性有限。动态红外气体分析法（IRGA）被公认为最可靠的土壤呼吸测定方法之一，其测量精度和时效性显著优于传统方法。

闭路系统特别适用于在田间未扰动的土壤表面上原位测量CO₂的累积速率——将土壤室放置于测点后形成密闭的再循环系统，CO₂分析仪连续监测气路中CO₂浓度的上升过程，根据浓度随时间的变化率计算土壤呼吸速率。开路系统则更适合实验室条件下的土样测量——将土壤样品放置在通流室中，环境空气以恒定流速流经样品后排出，通过测量流入与流出气流的CO₂浓度差来计算CO₂的产生速率。

1.3 模块化系统的技术特点与选型要点

模块化设计是便携式土壤呼吸测量系统的重要技术特征。与高度集成的专用设备不同，模块化系统由独立的CO₂分析仪、气流泵、流量计、数据采集器和传感器等单元组成，用户可根据具体研究需求灵活配置。

在选用土壤呼吸测量系统时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

测量模式需求：根据研究场景选择支持闭路和开路双模式的系统。原位测量需要闭路模式，实验室土样培养则需要开路模式。

CO₂分析仪的性能指标：非色散红外（NDIR）分析仪是系统的核心检测单元。应关注其量程（典型0~2000 ppm）、精度（优于±1 ppm）、重复性（优于±1 ppm）和响应时间（约25秒@250 mL/min）。

多参数同步测量能力：土壤呼吸速率受土壤温度、湿度和大气压力等因素显著影响。应选择支持同步测量土壤温度（精度±0.2℃）、土壤湿度和大气压力的系统。

野外续航能力：对于野外原位测量，系统应配备可满足全天现场使用（约11小时）的电池组。

数据采集与存储：内置数据采集器应具备多通道模拟输入能力，支持USB数据导出。

系统的扩展性：模块化系统的核心优势在于其扩展性——通过更换不同的气路配置和样品室，可测量任何生物体或保持在流通室中的样品的CO₂交换。

2. 仪器的使用方法、经验与常用操作手册
2.1 测试原理

模块化土壤呼吸测量系统基于非色散红外（NDIR）气体分析技术，结合闭流再循环或开放流气路设计，实现土壤CO₂释放速率的定量测定。

闭流再循环模式（原位测量） ：将土壤室（Soil Chamber）放置于田间未扰动的土壤表面，形成密闭的再循环系统。气流泵以恒定流速将呼吸室内的气体抽出，流经CO₂分析仪后返回呼吸室，构成闭合气路。土壤中微生物和根系呼吸释放的CO₂在密闭体系内逐渐累积，NDIR分析仪连续监测气路中CO₂浓度的上升过程。系统根据浓度随时间的变化率（dC/dt），结合呼吸室的体积、土壤覆盖面积和气体流速等参数，自动计算土壤呼吸速率。

开放流模式（实验室测量） ：将采集的土壤样品放置在通流室中，环境空气以恒定流速持续流经样品后排出。系统测量流入气流和流出气流的CO₂浓度差（ΔC），在稳态条件下根据流量和浓度差计算样品的CO₂产生速率。

2.2 测试前的准备工作

系统组装与检查：根据测量模式（闭路或开路）正确连接CO₂分析仪、气流泵、流量计和呼吸室/通流室各组件。检查所有气路接头是否密封良好，无漏气。

分析仪预热与校准：开机后让NDIR分析仪预热约5分钟（22℃条件下）。使用零点和量程气体对分析仪进行校准调节。确认分析仪工作在正确的灵敏度档位——低灵敏度档位对应0~2000 ppm量程，高灵敏度档位对应0~500 ppm量程。

传感器连接：将土壤温度传感器（不锈钢探针，长度10.5 cm）插入目标深度的土壤中，连接土壤水分传感器和大气压力传感器至数据采集器。确认各传感器读数正常。

电池检查：确认电池组电量充足（可供约11小时现场使用）。

2.3 标准操作流程（闭路模式——原位测量）

第一步——测点准备：在选定的测点清除地表枯落物和杂草，将土壤室（Soil Chamber）垂直放置于土壤表面，轻轻按压使下缘与土壤紧密接触，确保气密性。

第二步——系统连接与启动：将土壤室与闭路循环气路连接，启动气流泵（无负载流量1 L/min），设定气体流速（建议250~650 mL/min）。

第三步——CO₂吸收与基线设定：测量开始前，先用CO₂吸收剂将密闭系统中的CO₂浓度降低至地表空气CO₂浓度以下。关闭吸收剂后，土壤呼吸释放的CO₂使气室内CO₂浓度逐渐上升。

第四步——浓度监测与数据采集：NDIR分析仪连续监测气路中CO₂浓度变化，内置数据采集器以最高100000次/秒的采样速率记录数据。测量周期通常为2~5分钟，具体取决于土壤呼吸速率——呼吸速率高的土壤浓度上升快，测量时间可缩短。

第五步——通量计算：系统根据CO₂浓度随时间的变化率（dC/dt），结合呼吸室体积、土壤覆盖面积和气体流速等参数，自动计算土壤表面CO₂通量（土壤呼吸值）。

第六步——多点重复测量：在同一研究区域内，按照实验设计在不同点位重复上述流程。建议每个处理或样地至少设置3~5个重复测点。

2.4 标准操作流程（开路模式——实验室测量）

第一步——土样采集与制备：在田间用环刀或采样器采集原状土壤样品，或采集扰动土样后按目标容重装入样品容器中。将土样放入通流室。

第二步——系统连接与启动：将通流室接入开路气路，启动气流泵，使环境空气以恒定流速持续流经样品。设定气流速率（推荐250~650 mL/min）。

第三步——稳态建立与测量：待系统达到稳态后（流入与流出气流的CO₂浓度差稳定），测量并记录流入气流和流出气流的CO₂浓度。

第四步——通量计算：根据气流速率和流入/流出CO₂浓度差（ΔC），计算样品的CO₂产生速率。

2.5 操作经验与注意事项

• 气密性是测量精度的首要保障：土壤室与土壤表面之间的漏气是闭路模式中最常见的误差来源。应确保土壤室下缘与土壤紧密接触，可在边缘用土壤密封。

• 测量周期的合理设定：闭路模式中CO₂浓度应呈线性上升。如浓度-时间曲线出现非线性（弯曲），表明测量时间过长导致呼吸室内的CO₂浓度过高抑制了呼吸速率，应缩短测量周期。

• 土壤温湿度的同步记录：土壤呼吸速率对温度和水分高度敏感。应在每次呼吸测量时同步记录土壤温度（精度±0.2℃）和土壤湿度，以便在数据分析时进行温度敏感性（Q₁₀）和水分响应分析。

• 大气压力的校正：CO₂浓度测量受大气压力影响（压力相关性+0.19%读数/mm Hg）。内置绝对压力传感器（量程15~115 kPa，精度±0.2 kPa）可自动进行压力补偿。

• 气体的干燥处理：NDIR分析仪建议对进入的气体进行干燥处理，工作湿度范围为5~90% RH（非冷凝）。

• 电池管理：系统电池组可供约11小时现场使用。在长时间野外作业时应携带备用电池或安排充电。

• 系统的清洁与维护：每次使用后应清洁气路和呼吸室，防止土壤颗粒进入分析仪。定期检查气路管道的连接状态。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 非色散红外（NDIR）气体分析技术的微型化

非色散红外（NDIR）气体分析技术是土壤呼吸测量的核心技术基础。NDIR分析仪利用CO₂分子对特定波长（4.26 μm）红外辐射的特征吸收进行定量检测——当红外光通过含有CO₂的气体样品时，CO₂分子吸收部分红外能量，吸收程度与CO₂浓度成正比。

近年来，NDIR技术的微型化取得了显著进展。传统实验室级NDIR分析仪体积庞大、功耗高，而现代微型NDIR分析仪可将光路、检测器和信号处理电路集成于紧凑模块中（尺寸约5.5~9.5×9.5×17 cm，重量约1 kg）。微型化NDIR分析仪的精度可达优于±1 ppm，重复性优于±1 ppm，预热时间仅需约5分钟，已能满足土壤呼吸高精度测量的需求。

3.2 闭路与开路双模式兼容设计

早期土壤呼吸测量系统通常只能支持单一测量模式——闭路系统无法进行开路测量，反之亦然。双模式兼容设计通过模块化的气路切换和软件配置，使同一套硬件平台可同时支持闭流再循环和开放流两种测量模式。

闭路模式通过监测密闭体系内CO₂浓度的累积速率来计算呼吸速率，灵敏度高，特别适合原位土壤呼吸测量和低呼吸速率样品的测定。开路模式通过测量流入与流出气流间的CO₂浓度差来计算通量，可维持呼吸室内的自然CO₂梯度，适合长期连续监测和实验室土样培养实验。双模式设计使研究者能够根据具体研究场景灵活选择最合适的测量方法，无需购置两套独立系统。

3.3 模块化架构与应用扩展

模块化架构是便携式土壤呼吸测量系统区别于传统一体化设备的核心技术特征。系统由独立的CO₂分析仪、气流泵、流量计、数据采集器、土壤温湿度传感器和大气压力传感器等单元组成，各单元通过标准接口连接。

这一设计带来的技术优势包括：

应用场景的广泛性：除土壤呼吸测量外，通过更换不同的样品室和调整气路配置，系统可用于测量任何生物体或保持在流通室中的样品的CO₂交换。当液体悬浮液中的空气或氮气冒泡时，通过使用CO₂分析仪分析流出的气体，可用于测量水悬浮液中的呼吸和发酵过程。只要CO₂的产生速率在适用的测量范围内，系统可用于测量几乎任何生物系统的CO₂产生量。

故障排查与维护的便利性：单个模块出现故障时可独立更换或维修，无需整机返修，降低了停机时间和维护成本。

技术升级的灵活性：随着传感器技术的进步，可单独升级分析仪、数据采集器或传感器模块，延长系统的整体使用寿命。

3.4 多参数同步采集与数据管理

土壤呼吸速率受多种环境因子的综合影响，单一的CO₂浓度数据难以满足深入研究的需要。现代土壤呼吸测量系统通过集成多通道数据采集器，实现了CO₂浓度、土壤温度、土壤湿度、大气压力等参数的同时间步采集。

数据采集器通常具备多通道模拟输入能力，采样速率最高可达100000次/秒，确保了高时间分辨率的数据采集。采集的数据通过USB 2.0接口导出，支持CSV等通用格式，便于在专业数据分析软件中进行后续处理。

4. 行业标准与法规
4.1 国际标准与规范

标准/规范	名称	与本方法的关系
DIN ISO 16072	Soil quality - Laboratory methods for determination of microbial soil respiration	规定了土壤微生物呼吸的实验室测定方法
ISO 17155	Soil quality - Determination of abundance and activity of soil microflora using respiration curves	利用呼吸曲线测定土壤微生物区系丰度和活性的方法
FAO	全球土壤实验室网络（GLOSOLAN）标准操作程序	土壤呼吸测定的标准化操作指南

DIN ISO 16072是土壤微生物呼吸实验室测定的核心国际标准，规定了土壤样品在不同培养条件下的呼吸测定方法，为土壤呼吸的实验室测量提供了标准化的技术框架。

4.2 国内相关标准与规范

目前，国内尚未发布专门针对土壤呼吸速率测定的国家标准。在实际科研工作中，土壤呼吸的测定通常参考以下规范：

• 《森林生态系统长期定位观测方法》 ：涉及森林土壤呼吸的测定方法

• 《农田生态系统长期定位观测方法》 ：涉及农田土壤呼吸的测定方法

• GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》 ：提供了土壤基本物理性质的测定方法

4.3 方法学标准化趋势

随着土壤呼吸在全球碳循环研究中重要性的不断提升，测定方法的标准化需求日益迫切。当前，动态红外气体分析法已被公认为最可靠的土壤呼吸测定方法之一。静态碱液吸收法、静态密闭气室法和动态密闭气室法等传统方法正逐渐被可自动开闭的动态气室法所取代。

不同测量方法之间的可比性是标准化工作的核心关注点。研究表明，开路法与闭路法测得的土壤呼吸速率之间不存在显著差异。这一发现为不同研究方法间的数据比较和整合提供了方法学基础。

5. 市场分析
5.1 市场规模与增长趋势

全球土壤呼吸测量仪器市场保持稳定增长态势。随着全球碳收支研究、气候变化评估和农业土壤管理的深入推进，对土壤呼吸测量设备的需求持续增长。

便携式土壤呼吸测量系统作为野外生态学研究的重要工具，其市场需求主要来源于以下领域：生态学与全球变化研究、农业土壤碳管理、森林与草地生态系统监测、湿地碳通量研究以及土壤污染修复评估等。

5.2 需求驱动力

全球碳循环与气候变化研究：土壤呼吸是全球碳循环中最大的通量之一。准确量化土壤呼吸速率及其对气候变化的反馈效应，是当前全球变化研究的核心课题之一。

农业土壤碳管理与固碳减排：农田生态系统是全球碳循环中最活跃的部分之一。土壤呼吸测量是评估农田固碳减排措施效果的关键技术手段。

生态系统监测与评估：土壤呼吸作为土壤微生物活性和土壤肥力的重要指标，在森林、草地、湿地等生态系统的健康评估中具有重要价值。

土壤污染修复效果评估：在土壤污染修复项目中，土壤呼吸速率的变化可反映修复措施对土壤微生物活性的影响。

5.3 技术发展趋势

未来，土壤呼吸测量仪器市场将呈现以下趋势：

便携化与现场化：设备设计趋向轻量化、低功耗，更适合野外原位测量和长时间连续监测。

多参数集成化：从单一的CO₂测量向CO₂、H₂O、温度、压力等多参数同步测量发展。

自动化与智能化：从人工操作向自动开闭气室、自动数据采集与处理方向发展。

无线化与物联网化：结合LoRa等低功耗广域网技术，实现土壤呼吸的远程无线监测。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握土壤呼吸测量系统的原理与操作技能，以下培训资源可供参考：

推荐培训主题：《箱式气体交换法在土壤呼吸速率测定中的应用技术：原理、操作与数据解析》

核心内容建议：

1. 土壤呼吸的概念、生态学意义与测定方法体系

2. 闭流再循环系统与开放流系统的技术原理与适用场景

3. 非色散红外（NDIR）CO₂分析仪的工作原理与校准方法

4. 野外原位测量的全流程操作（测点选择、气室安装、数据采集）

5. 实验室土样测量的全流程操作（样品制备、通流室安装、稳态测量）

6. 土壤温湿度、大气压力等环境因子的同步测量与数据校正

7. 土壤呼吸速率的计算方法与温度敏感性（Q₁₀）分析

8. 常见问题解析（气密性、CO₂浓度非线性上升、传感器校准等）

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

土壤呼吸速率的原位测定：在田间未扰动的土壤表面放置土壤室，通过闭流再循环系统原位测量CO₂的累积速率，获取土壤呼吸速率的实时数据。

土壤样品的实验室培养实验：将采集的土壤样品放置在通流室中，在受控温湿度条件下测量CO₂的产生速率，研究不同环境因子对土壤微生物呼吸的影响。

根系呼吸与微生物呼吸的区分研究：通过壕沟法、根系排除法或同位素标记法，结合土壤呼吸测量系统，区分土壤呼吸中的自养呼吸（根系呼吸）和异养呼吸（微生物呼吸）组分。

不同土地利用方式下的土壤呼吸比较：在森林、草地、农田等不同土地利用方式下开展土壤呼吸测量，评估土地利用变化对土壤碳释放的影响。

土壤污染修复效果的生物指示：通过监测修复前后土壤呼吸速率的变化，评估重金属污染、石油污染等对土壤微生物活性的影响及修复效果。

发酵研究与微生物呼吸测量：通过液体悬浮液中空气或氮气冒泡的方式，利用CO₂分析仪分析流出气体，测量水悬浮液中的呼吸和发酵过程。

7.2 数据质量控制要点

气密性的严格保障：闭路模式中，土壤室与土壤表面之间的漏气会导致CO₂浓度上升速率偏低，造成呼吸速率低估。应在安装后检查气密性。

CO₂浓度线性上升的确认：闭路模式测量应在CO₂浓度-时间曲线呈线性关系的窗口期内进行。如出现非线性弯曲，应缩短测量时间或减小土壤室体积。

土壤温湿度的同步记录：土壤呼吸速率对温度和水分高度敏感。每次呼吸测量时应同步记录土壤温度和湿度，并在数据分析时考虑其影响。

大气压力的校正：CO₂浓度测量受大气压力影响。应使用内置压力传感器进行实时压力补偿。

分析仪的定期校准：建议使用零点和量程气体定期校准NDIR分析仪，确保测量精度。

多点位重复测量：土壤呼吸存在显著的空间异质性。建议每个处理或样地至少设置3~5个重复测点，取平均值进行统计分析。

7.3 方法学注意事项

闭路法与开路法的选择依据：闭路法灵敏度高，适合低呼吸速率样品和短时间测量；开路法可维持自然CO₂梯度，适合长期连续监测。应根据研究目的和样品特性选择合适的方法。

测量时间的优化：测量时间过长会导致呼吸室内CO₂浓度过高，可能抑制土壤呼吸速率。建议通过预实验确定最佳测量时间。

土壤扰动的控制：土壤室的安装会对表层土壤产生一定的物理扰动。建议在气室安装后等待一段时间（通常10~30分钟），待土壤呼吸恢复稳定后再开始测量。

结语：基于箱式气体交换法的模块化土壤呼吸测量系统，通过闭流再循环与开放流双模式气路设计，结合非色散红外CO₂分析技术，为土壤呼吸速率的野外原位测定和实验室土样分析提供了灵活可靠的技术平台。闭路模式通过监测密闭体系内CO₂浓度的累积速率实现高灵敏度测量，适用于田间原位低通量样品的快速测定；开路模式通过测量流入与流出气流的浓度差计算通量，适用于实验室土样培养和长期连续监测。模块化架构使系统可广泛应用于土壤呼吸、根系呼吸、微生物呼吸、发酵研究等多种生物系统的CO₂交换测量。随着全球碳循环研究和气候变化评估的不断深入，便携式土壤呼吸测量系统将在生态学、土壤学和环境科学领域发挥越来越重要的作用。