一种低功耗、低成本、基于腔体的二氧化碳传感器

《Frontiers in Water》：A low-power, low-cost, chamber-based CO2 sensor

土壤CO?通量低成本便携式测量装置研发及验证。本研究开发了一种基于开源硬件的低成本便携式CO?通量测量chamber（V1-V3），通过对比静态chamber法与气体色谱仪，验证了其在农业和草原环境中的有效性。实验表明chamber尺寸（≥1000 cm3）和采样频率（10秒至15分钟）可显著降低误差率（<3%），且测量值与文献报道范围一致。V3版本成本降低50%，采用一体化温湿度CO?传感器和简化电路设计，支持远程部署与教学应用

　　土壤中的二氧化碳（CO?）通量是陆地碳循环的重要组成部分。然而，这些通量的测量却常常面临较高的成本和复杂性，尤其是在偏远和研究较少的地区。这一问题主要是由于当前使用的测量方法在设备和维护方面存在较大的开销。为了弥补这一不足，我们开发并测试了一种低成本、轻便且便携的CO?通量测量装置，旨在适用于远程环境。这种装置主要采用开源和现成的组件，使用低功耗设计，便于组装和使用。我们通过误差分析评估了传感器的性能，并在伊利诺伊州和内布拉斯加州的农业和草原站点进行了实地测试。利用现场数据，我们结合通量估计和梯度方法，生成了部分土壤CO?预算。研究结果表明，通过调整测量舱的尺寸和采样频率，可以有效降低测量误差。此外，我们的结果也落在文献中观察到的草原CO?通量范围之内。该设计的简便性、经济性和易用性使其成为扩展土壤碳通量监测网络、促进教育和提升生态系统碳预算理解的重要工具。

土壤碳储量估计为2500至3300皮克（Pg），是全球碳预算的重要组成部分。这一碳在土壤、植被和大气之间循环，其平均滞留时间从几天到数千年不等。土壤碳的快速周转主要由植物和微生物群落驱动，这些群落吸收并重新释放每年约130皮克的碳。气候变化和土地利用的变化会影响这些生物过程，从而改变陆地碳汇的大小，这取决于变化的方向。尽管土壤在碳循环中扮演着关键角色，但由于其高度的空间和时间变异性，以及缺乏高分辨率的传感器来支持远程监测，土壤碳通量仍然难以准确确定。高空间和时间变异性意味着需要更多的现场测量，以量化气候变化和土地利用变化对碳循环的影响，并验证遥感和模型输出。直接测量碳储量的变化虽然可行，但需要数年的连续观测，并且主要是在过去事件的背景下提供碳储量变化的量化。相比之下，土壤CO?通量的测量可以快速完成，并为建模工作提供物理基础，从而预测碳循环的未来变化。

为了测量土壤CO?通量，通常采用多种方法，包括基于模型的生产估算、表面测量舱方法和涡度协方差塔。这些方法各有优劣，适用于不同的场景。涡度协方差塔能够提供连续的生态系统尺度通量估算，并结合其他气象数据，但安装和维护成本高昂，通常需要数万美元，并且需要定期维护。测量舱方法通过在土壤表面密封一个测量舱并监测其中CO?浓度的变化来估算通量，这种方法相对简单，且对现场条件的要求较低，适合用于研究较少或偏远地区。然而，自动化测量舱需要额外的设备和较高的功耗，增加了使用成本。因此，测量舱方法在成本和易用性之间提供了一个折中的选择，能够在不牺牲测量质量的前提下，为远程或资源有限的环境提供便捷的通量监测手段。

我们设计的测量舱基于静态测量舱方法，并采用非分散红外（NDIR）CO?气体传感器，这种传感器在测量土壤CO?通量方面已被广泛应用。静态测量舱自20世纪20年代以来便用于研究土壤碳通量，因此许多过去的研究已经识别出可能影响测量精度的误差来源，如气压变化、采样次数和测量舱内CO?梯度的变化。此外，土壤环境和测量舱关闭时间的长短也会影响误差。通常情况下，较短的采样时间有助于减少某些采样偏差，但采样次数过少可能导致测量误差增加。因此，我们对测量舱的尺寸、平均CO?浓度、CO?浓度上升速率以及采样时间等因素进行了理想化分析，以优化误差控制。结果显示，测量舱的尺寸对测量误差的影响相对较小，而使用1000立方厘米或更大的测量舱可以满足我们设计中使用的传感器需求。CO?浓度上升速率的差异也会影响测量误差，低速率的CO?浓度变化可能导致更高的误差。因此，在土壤呼吸率较低的时期，如冬季或未知的偏远地区，建议使用中等尺寸（1000至2000立方厘米）的测量舱，并采用较短的采样间隔（2秒），以减少因缓慢CO?积累和采样不足导致的误差。

通过对比不同方法测量的通量数据，我们发现测量舱方法在生长季节（5月至10月）的测量结果与其他方法（如手动采样或NDIR传感器）相比没有显著差异。然而，某些站点（如NEAG）的测量舱数据波动较大，这可能与测量舱内CO?浓度的极端值有关。例如，在2024年7月，NEAG的测量舱数据出现了3.6倍于其他测量的异常值，尽管当时并未发生降雨或施肥事件。这一异常值可能与测量舱的采样间隔有关，V1传感器采用15分钟的采样间隔，导致在CO?浓度达到上限前仅获得少量数据点。相比之下，V2传感器采用10秒的采样间隔，能够更频繁地采集数据，从而减少测量误差。总体来看，我们的设计在生长季节内展示了相对一致的通量测量结果，且这些结果与文献中报告的范围相符。

为了进一步验证我们的测量方法，我们还比较了测量舱数据与其他数据（如温度和归一化植被指数，NDVI）之间的相关性。研究发现，CO?通量与温度和NDVI之间存在显著的正相关关系，尤其是在某些站点。然而，NDVI与CO?通量的相关性普遍强于土壤温度，这可能与植物释放的物质对土壤微生物活动的促进作用有关。植物释放的有机物为微生物提供了呼吸所需的底物，从而增加了土壤中的CO?产生。在农业环境中，这种关系尤为明显，因为植物和土壤的相互作用更为复杂。因此，NDVI可以作为评估土壤碳通量变化的一个重要指标，尤其是在研究植物对碳循环的影响时。

此外，我们还利用梯度方法和测量舱方法计算了不同站点的净土壤CO?生产量，并分析了这些通量对大气的贡献比例。结果显示，在农业站点（如ILAG和NEAG）中，土壤CO?通量对大气的贡献比例较低，而在草原站点（如ILPR和NEPR）中，这一比例较高。这一差异可能与农业环境中较浅的根系、排水系统以及较低的净CO?生产率有关。相比之下，草原土壤可能具有更强的碳固存能力，因为它们的碳通量与地下水和化学风化过程的联系较弱，这可能意味着更多的碳被保留在土壤中。这些结果对理解不同土地利用类型对碳循环的影响具有重要意义，并为未来研究提供了方向。

在教育和研究方面，我们的设计也为教学提供了新的可能性。通过与教育工作者的合作，我们开发了V3版本，使其更加简单易用，降低了使用门槛。V3版本不仅简化了设计和代码，还减少了功耗，使其更适合在资源有限的环境中使用。我们还提供了详细的构建指南和印刷电路板（PCB）设计，以便用户能够轻松订购和组装。这些改进使学生能够在学习土壤碳的同时，了解面向对象编程的基本原理，从而提升他们的科学素养和实践能力。通过这种方式，我们的设计不仅有助于科学研究，还能够促进公众对碳循环和气候变化的理解。

从设计角度来看，我们的测量舱传感器在成本、便携性和可用性方面都具有显著优势。整个系统由常见的材料和组件构成，无需复杂的工具或专业知识即可完成组装。虽然科学家在野外工作中通常需要多种技能，但添加诸如电路设计和制造等新技能往往成为使用自制传感器的障碍。我们的设计避免了这一问题，通过提供现成的代码和PCB设计，使得用户可以轻松获取和使用这些组件。此外，所有使用的传感器和电子元件都是现成的，并且部分为开源产品，使得整个系统既经济又易于获得。最终的测量舱设计仅需要一次使用烙铁作为专用设备，并且所有部件都采用快速连接方式，便于更换和维护。

在功耗和重量方面，我们也进行了重点优化。考虑到远程环境中的电力限制，V3测量舱的重量仅为36克，加上一个9伏电池（45克）和外壳（762克），整体重量适中。同时，该传感器的平均功耗仅为0.31瓦，可以使用任何6至12伏的直流电源供电。这种低功耗设计使得测量舱能够在没有稳定电力供应的情况下长时间运行。此外，系统内置的数据存储功能使得测量舱可以在其他采样活动进行的同时独立运行，减少了对实时数据采集的依赖，提高了数据收集的灵活性。

通过这种设计，我们希望能够在更多样化的环境中推广土壤碳通量的测量。无论是用于研究还是教育，这种低成本、易用的测量舱都具有广泛的应用前景。它不仅能够为科学家提供更全面的数据支持，还能为学生提供实践机会，帮助他们理解碳循环的复杂性以及现代技术在环境科学中的应用。此外，这种设备的推广也有助于提高公众对土壤碳储量和气候变化影响的认识，从而促进更广泛的环境监测和保护行动。

总之，土壤CO?通量的测量对于理解碳循环和气候变化具有重要意义。然而，传统的测量方法往往成本高昂、操作复杂，限制了其在偏远和研究较少地区的应用。我们开发的低成本、轻便且便携的测量舱系统旨在解决这一问题，提供一种经济、实用且易于使用的解决方案。通过优化传感器性能、减少功耗和提高数据采集频率，我们不仅提高了测量的准确性，还扩大了数据收集的范围和频率。这种设计为未来的研究和教育提供了新的工具，有助于更全面地了解土壤碳通量的变化及其对生态系统和全球碳预算的影响。