土壤表層CO2通量研究很多，但這些監測并不足以解釋土壤CO2生產過程，土壤剖面CO2垂直梯度研究越來越成為土壤呼吸乃至生態系統碳循環研究的熱點。土壤不同層面（深度）CO2生產的持續監測對于理解土壤CO2動態極為重要，可以闡明由土壤到大氣CO2通量隨季節、光照、溫度、濕度及土壤特性的變化特征。
土壤垂直梯度CO2監測可以與廣泛使用的渦動相關監測比較，從而定量研究分析生態系統的碳交換。
目前土壤梯度有2種方法:
1、把CO2傳感器直接埋入土壤.分梯度監測各層濃度分布，使用簡單，有2種精度的傳感器可選擇，
GMP343和GMP22X系列：
| GMP343 | GMP22X |
測量方法： | 擴散式和泵吸式 | 擴散式和泵吸式 |
測量范圍： | 0 ... 1000 ppm, 0 ...2 000 ppm
0 ... 3000 ppm, 0 ... 4000 ppm
0 ... 5000 ppm, 0 ... 2 % | GMP221探頭 0 ... 2 %, 0 ... 3 %, 0 ... 5 %, 0 ... 10%, 0 ... 20 % CO2
GMP222 探頭 0 ... 2000 ppm, 0 ... 3000 ppm, 0 ... 5000 ppm,
0 ...7 000ppm, 0 ... 10000 ppm CO2 |
精度: | 0 ... 1000 ppm ：± (3 ppm + 1 %的讀數) 0 ... 2000 - 0 ... 2 % ：± (5 ppm + 2 %的讀數) | ±(1.5％量程＋2.0%讀數） |
工作溫度: | -40~60°C | -20~60°C（探頭） |
工作濕度: | 0~ | 0~ |
外殼: | 電鍍鋁，PC 塑料 IP66/IP67 | PC 塑料 IP66/IP67 |
2、使用紅外分析儀在線多層分析土壤濃度數據
系統優點:
v 使用一個分析儀分析多層數據,沒有系統誤差
v 可以更換其他測量要素分析儀,如果:N2O,CH4等梯度測量內容,更靈活的實驗
v 精度高,使用維護簡單.整機比土壤呼吸系統簡潔方便使用
CO2/H2O分析儀技術指標
| CO2分析器 | H2O分析器 |
量程 | 0~20,000 μmol/mol | 0~60 mmol/mol |
準確度 | 優于讀數的1% | 優于讀數的1.5 % |
校準漂移 | 零點漂移 | <0.15 μmol/mol/℃ | <0.003 mmol/mol/℃ |
跨度漂移 | <0.03 %/℃ | <0.03 %/℃ @ 10 mmol/mol |
總漂移 | <0.4 μmol/mol/℃ @ 370 μmol/mol | <0.009 mmol/mol/℃ @ 10 mmol/mol |
RMS噪聲 | 1 s信號過濾 | <1 μmol/mol@370 μmol/mol | <0.01 mmol/mol@10 mmol/mol |
靈敏度 | CO2 | —— | <0.0001 mmol/mol H2O/ μmol/mol CO2 |
H2O | <0.1 μmol/mol CO2/ m mol/mol H2O | —— |
測量原理 | 非色散紅外分析 | 光源壽命 | ~18,000 h |
標準 | CO2 | 世界氣象組織標準 | 電源 | 12~30 V DC |
H2O | LI-610便攜式發生器NIST標準 |
壓力補償范圍 | 15~115 kPa | 工作溫度范圍 | -20~45℃ |
*大氣流速率 | 1 L/min | 相對濕度范圍 | 0~95%（非冷凝) |
輸出信號 | 2個模擬電壓輸出，2個電流輸出 | 體積 | 22.2 L×15.3 W×7.6 H cm |
數字輸出：TTL（0~5 V）或開集電路 | 重量 | 1 kg |
內部光腔體積 | 14.5mL | 電源要求 | 12~30 V DC，預熱時為14 W，穩定時為3.6W |
根據菲克**定律(Fick’s first law)，在（穩態擴散的情況下）單位時間內通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質流量（稱為擴散通量Diffusion flux，用J表示）與該截面處的濃度梯度(Concentration gradient)成正比。土壤剖面CO2通量（μmol CO2 m?2s?1）即根據該定律求出，具體計算公式為：
J= -D(dC/dx)
其中D為CO2在土壤中的擴散系數(單位為m2/s，與土壤溫度、土壤體積含水量及土壤空隙度有關)，C為深度為x（單位為m）的CO2濃度，dC/dx為濃度梯度，“–"號表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散由高濃度區向低濃度區擴散。
系統的特點：
1、非擾動原位持續測量土壤剖面CO2、水分、溫度（標準配置為3-8層可選），可通過菲克**定律求出土壤CO2通量（土壤呼吸），從而實現連續穩定原位監測土壤呼吸。
2、土壤三參數智能傳感器，測量土壤水分和溫度和鹽度。
3、透明或非透明土壤呼吸室法（備選）測量表層土壤呼吸，可用于補充、校準或對比分析土壤剖面CO2梯度測量數據。
4、無線數據傳輸，可隨時上網在線瀏覽、下載數據。
5、交流蓄電池供電或太陽能供電。
主要技術指標：
1、土壤水分測量：
· 測量范圍0-體積含水量，度±1%，重復精度±0.2%，；
· 土壤溫度測量范圍：-40℃～70℃，測量精度：±0.2℃
2、土壤CO2測量：非色散單束雙波長紅外技術（NDIR），測量范圍0-5000ppm、0-7000ppm、0-10000ppm、0-20000 可選，精度±1.5%，響應時間3妙；
3、標配16通道數據采集器（可選配32通道以監測3層以上的CO2濃度、土壤水分及土壤溫度等）：
· 可存儲220000組帶時間戳的數據，16比特分辨率，± 20 mV up to ± 2.5 V 8范圍輸入，度0.03%；
· 測量間隔3秒至4小時可調，數據平均間隔3秒至4小時；
4、無線數據傳輸，通過軟件終端瀏覽、下載數據，并可對數據進行統計分析。
