基于离网低成本双模式自动箱系统FluxMate的草地生态系统CO2通量监测

《Computers and Electronics in Agriculture》：FluxMate: An off-grid, cost-effective and dual-mode automated chamber system to monitor carbon dioxide fluxes in grassland ecosystems

　　

中文翻译： 成功开发了用于温室气体通量的独立自动箱系统。阵列模式下多个箱体连接至一台研究级气体分析仪。独立模式下每个箱体内含一个低成本二氧化碳传感器。低成本二氧化碳数据与研究级分析仪显示出高度一致性。低成本传感器平均低估CO2通量约10.7%。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

准确量化农业生态系统中二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的通量，对于评估生态系统在当前及替代管理实践下的全球变暖减缓效率至关重要。箱式技术是农业生态系统中量化温室气体（GHG）通量最常用的方法，其中自动箱相比静态箱劳动强度更低，并能捕捉通量的时空变异。然而，现有商用自动箱系统需配备高精度研究级气体分析仪，这类设备成本高昂、功耗大，且必须通过管路将各箱体连接至分析仪，严重限制了箱体的空间布设范围及科研人员、产业界和从业者的可及性。尽管已有研究者开发了定制化低成本自动箱，但多局限于土壤呼吸测量，缺乏针对偏远地区净生态系统交换（NEE）长期测量的集成系统，也缺少对箱内环境和植被的综合监测及远程监控能力。此外，以往使用低成本传感器的研究未能报告评估精度所需的均值和线性偏差等指标。

因此，本研究的目的是设计并评估一种双模式、经济高效、离网运行的自动箱系统，用于草地和农田生态系统的温室气体通量监测。该系统提供灵活方案，可在野外环境下利用离网电源实现昼夜重复自动CO₂通量测量。双模式设计使箱体既可独立运行（采用箱内低成本CO₂传感器），也可组成阵列模式（最多16个箱体通过管路连接至研究级气体分析仪Picarro G2508），同步测量CO₂、CH₄、N₂O、H₂O和氨（NH₃）。系统还集成了空气和土壤环境参数监测、RGB成像获取植被特征，并提供远程访问功能用于系统监控、质量保证和数据管理。FluxMate的核心贡献在于将这些功能整合为一个灵活、可现场部署的箱系统。该论文发表于《Computers and Electronics in Agriculture》。

二、关键技术方法

研究人员采用了以下几项关键技术方法：① 自主设计与建造自动箱体——采用透明亚克力板配铝制框架，通过12V直流执行器控制箱盖开闭，并利用干簧管与磁铁组合检测箱盖状态；② 电子控制与传感系统——主控盒内嵌Raspberry Pi Zero W微处理器，配合Arduino Nano微控制器读取土壤传感器（TEROS系列，Meter Group Inc.）数据，箱内传感器盒搭载低成本CO₂传感器（K30FR，Senseair）、BME280大气传感器（温度、湿度、气压）及双通道环境光模块（VEML6030），并使用Raspberry Pi Camera Module 2拍摄植被图像；③ 双模式运行架构——独立模式（模式A）下每个箱体由12V 9Ah蓄电池供电并由50W光伏板充电，阵列模式（模式B）下箱体通过10米PTFE管路连接至16端口分配歧管，再接入Picarro G2508分析仪，采用非循环单次采样配置，分析仪抽气流量为230 mL min^-1；④ 传感器校准与校正——在实验室使用已知浓度标准气对CO₂传感器进行校准，并通过多元线性回归建立传感器读数与分析仪读数、温度、绝对湿度的关系，用以修正野外数据；⑤ 通量计算与质量控制——采用线性回归法计算CO₂通量，并对箱体密封性进行测试。

三、研究结果

3.1 传感器校准与性能评价

在实验室条件下，研究人员利用校准模块对K30FR传感器进行了多点标定，并建立了考虑温度和湿度影响的多元线性回归校正模型。校正后传感器读数与研究级分析仪的偏差显著减小。

3.2 独立模式与阵列模式的通量对比

在野外草地生态系统部署期间，研究人员同时运行独立模式（使用K30FR传感器）和阵列模式（使用Picarro G2508分析仪）进行对比观测。结果表明，低成本CO₂传感器数据与研究级分析仪数据表现出高度的一致性，相关系数较高。

3.3 低成本传感器的通量低估偏差

定量分析显示，低成本传感器平均低估CO₂通量约10.7%。研究人员进一步对误差进行了分解分析，包括均值偏差和线性偏差等指标，为后续数据校正提供了依据。

3.4 系统离网运行与远程监控能力验证

系统在野外连续运行期间，独立模式下的太阳能供电系统能够满足24小时不间断测量的能耗需求（电池最低容量8.4 Ah，实际采用9 Ah电池）。阵列模式则采用两组独立电池组（分别为2×255 Ah和1×95 Ah）分别给分析仪和箱体供电，由7块175W光伏板和备用发电机维持荷电状态。远程监控功能实现了系统状态实时查看和数据自动回传。

四、讨论与结论

讨论部分指出，低成本CO₂传感器虽然存在约10.7%的系统性低估，但其精度水平足以满足许多生态学研究和应用场景的需求，尤其是在资源受限或需要大规模空间复制的条件下。研究人员强调，通过实验室校准和环境因子校正可以显著提升传感器数据的可靠性。系统双模式设计的灵活性使其既适用于高精度的多组分温室气体同步监测（阵列模式），也适用于低成本、大范围的CO₂通量空间变异调查（独立模式）。此外，集成的环境参数监测（温湿度、光照、土壤水分）和RGB成像功能为深入理解通量变化的驱动机制提供了宝贵数据。系统在离网条件下的稳定运行证明了其在偏远地区的适用性。

研究结论：本研究成功设计并评估了一种名为FluxMate的双模式、经济高效、离网运行的自动箱系统，用于草地和农田生态系统的温室气体通量监测。系统可灵活选择独立运行模式（使用低成本CO₂传感器）或阵列模式（连接研究级气体分析仪），并集成了环境参数监测、植被成像和远程监控功能。野外验证表明，低成本传感器数据与研究级分析仪高度一致，尽管平均低估通量10.7%，但经校准后可满足多数应用需求。FluxMate系统为温室气体通量监测提供了一种兼具成本效益和灵活性的解决方案，有望推动相关研究在更广泛区域和更多应用场景中的开展。