SCG-N土壌断面CO 2勾配監視システム

土壌呼吸は陸上生態系の主要な炭素源であり、欧州フラックスプロジェクトEUROFLEXの18森林タイプの平均年間土壌呼吸はその総一次生産力の49%（Janssens et al., 2001）、Lawら（Law et al.2001）の研究によると、土壌呼吸は生態系全体の呼吸の約4分の3を占めている。土壌炭素バンクの微細な変化はいずれも大気CO 2濃度に重大な影響を与えるため、土壌炭素動態及びCO 2排出の研究は大気CO 2濃度変化の予測にとって差し迫った重要な課題となっている。土壌表層CO 2フラックス（土壌総呼吸）に関する研究は多いが、これは明らかに土壌CO 2生産過程を説明するのに十分ではなく、土壌断面CO 2垂直勾配研究はますます土壌呼吸ひいては生態系炭素循環研究のホットスポットとなっている。土壌の異なるレベル（深さ）のCO 2生産の継続的モニタリングは土壌CO 2動態の理解にとって極めて重要であり、土壌から大気までのCO 2フラックスの季節、光照射、温度、湿度及び土壌特性の変化特徴を明らかにすることができる。また、土壌垂直勾配CO 2モニタリングは広く使用されている渦度関連モニタリングと比較することができ、それによって生態系の炭素交換を定量的に研究・分析することができる。近年、海外では一連の創造的な技術方法の研究が行われており、SCG-3土壌断面CO 2勾配モニタリングシステムは上述の研究に基づいて開発統合された原位置CO 2持続モニタリングシステムである。

に従ってフィツクの第一法則（Fick’s first law）、（定常拡散の場合）拡散方向に垂直な単位断面積を通過する単位時間当たりの拡散物質流量（拡散フラックスDiffusion fluxと呼ばれ、J表示）は、断面における濃度勾配（Concentration gradient）に比例する。土壌断面CO 2フラックス（μmol CO2 m⁻²s⁻¹）は、この法則に基づいて求められ、具体的な計算式は：

J= -D(dC/dx)

ここでD土壌中のCO 2の拡散係数（単位m²/s，土壌温度、土壌体積含水量及び土壌空隙度に関係）、Cは深さx（単位m）のCO 2濃度、dC/dx濃度勾配の場合、「－」は拡散方向が濃度勾配の逆方向であることを示し、すなわち拡散は高濃度領域から低濃度領域に拡散される。

SCG土壌断面CO 2勾配監視システムは土壌断面の異なる埋深さのCO 2センサ、O 2センサ（代替）、土壌温度センサ、土壌水分センサ、土壌表層呼吸室（代替）、データ収集器及び地上気象ステーションから構成され、土壌表層呼吸室は透明と非透明の2種類に分けられ、そのうち透明呼吸室は土壌呼吸と植物光合成用の純呼吸を測定するために用いられる。

システムの特徴：

l 非摂動その場で土壌断面CO 2、水分、温度を持続的に測定し（基準配置は3層）、フィンクの第一法則を通じて土壌CO 2フラックス（土壌呼吸）を求めることができ、それによって高時間解析度のその場モニタリング土壌呼吸を実現する

l Vaisala気象センサ、自動測定記録空気温湿度、気圧、降雨量、風速風向など

l 土壌多孔性測定を行ってCO 2拡散係数を決定することができ、土壌通気性測定を行って土壌通気性と土壌水分及びガス束の関係を決定することができる

l TRIME-PICO32土壌水分知能センサー、土壌水分と温度を正確に測定する

l 単一チャネルまたは多チャネル蛍光ファイバ土壌断面酸素その場監視モジュールをオプションで装備可能

l 茎流と原位置CO 2の動的関係を監視するための小包式植物茎流監視モジュールまたはTHB幹茎流監視モジュールを選択的に配置することができる

l ACE透明または非透明土壌呼吸室法（代替）により表層土壌呼吸を測定し、土壌断面CO 2勾配測定データの補充、校正または比較分析に用いることができる

l ワイヤレスデータ転送により、いつでもインターネットでオンラインでデータを閲覧、ダウンロードできます

l オプションマイクロルート窓根系動的モニタリングシステム

l バッテリ給電または太陽光給電

主な技術指標：

1. 土壌水分測定：

a.TRIME-PICO32インテリジェントセンサ、TDR測定技術、測定範囲0〜100%体積含水量、精度±1%、繰り返し精度±0.2%、測定体積250 ml（PICO 64を選択的に配合でき、測定体積は1250 mlで、砂利含有土壌の含水量を正確に反映できる）、

b.土壌温度測定範囲：-20℃～50℃、測定精度：±0.2℃

c.防水レベルIP 68

2. 土壌CO 2測定：非分散単ビーム二波長赤外技術（NDIR）、測定範囲0-5000 ppm、0-7000 ppm、0-10000 ppm、0-20000オプション、精度±1.5%、応答時間30妙、

3. 標準配置は3層（SCG-3）土壌断面CO 2、土壌水分と土壌温度モニタリング

4. 単一チャンネルまたは多チャンネル土壌断面酸素測定モジュール（オプション）、蛍光ファイバO 2測定技術、高安定性、酸素消費ゼロ、応答時間5秒、測定範囲0-50%、精度0.4%より優れている

5. 16チャネルのデータ収集器を標準装備（3層以上のCO 2濃度、土壌水分、土壌温度などを監視するために32チャネルを選択可能）：

a.タイムスタンプ付きデータ220000セット、16ビット解像度、± 20 mV up to ± 2.5 V 8範囲入力、精度0.03%、

b.測定間隔は3秒から4時間で調整でき、データの平均間隔は3秒から4時間である。

c.電圧6.5－15 VDC、待機電力150μA、測定電力15 mA重量140 g、

d.リチウム電池予備、3 V、5年以上使用可能、

e.動作温度­−20−60°C、

f.専門的なデータダウンロード分析ソフトウェアは、データダウンロード、データオンライン観測、統計分析（例えば、1時間当たりの平均、1日当たりの平均、合計、最小値、最大値、データ関連分析）とグラフ展示及びシステム設定などを行うことができる、

6. 土壌空隙度測定：圧力室容積1000 ml、圧力範囲-1～3 bar、気圧分解能1 mbar

7. その場表層土壌通気性測定：測定範囲0.003－3 cm／s、測定圧力1－3 hPa、水勢測定範囲0－800 hPa、土壌体積含水量0－70%

8. 小包式茎流監視モジュール：SHB加熱技術、5-20 mmの茎軸液流を監視するために用いられる

9. 幹茎流モニタリングモジュール：THB加熱技術、幹内部加熱、10 cm以上の幹茎流モニタリング用

10. 呼吸室法による土壌表層COのモニタリング₂フラックス（オプション）：ACE土壌呼吸モニターとして標準的に配置され、閉鎖式と開放式の2つのモードがあり、各モードには透明または非透明呼吸室があり、測定範囲のために40.0 mmols m^-3（0-896ppm）,解像度は1 ppm，オートゼロキャリブレーション装置付き

11. 気象モニタリング：Vaisala気象センサ、気温モニタリング範囲-52℃～60℃、精度±0.3℃、大気圧モニタリング範囲600〜1100 hPa、精度±0.5 hPa、空気の比較的適度な監視範囲は0〜100%、精度は±3%、降雨量出力分解能0.01 mm、精度5%

12. ソフトウェア端末を通じてデータを閲覧、ダウンロードし、データを統計分析することができる無線データ転送

13. ルート系生態観測（オプション）：マイクロルート管、マイクロルート管鏡及び分析ソフトウェア組成、標準配置マイクロルート管直径44 mm（内径42 mm）、高透明度、高靭性、雨水防止、マイクロルート管鏡長は17インチ、22インチ、28インチ、37インチのオプションがあり、マイクロルート管イメージングユニット、1/4”カラーCCD、画素768 x 494、信号対雑音比48 DB、オプション配合手持ち式高解像度イメージングユニット、1/3”カラーCCD、解像度は最高1600 x 1200画素に達することができる、USBとパソコンを介した通信、画像取り込み、操作が簡単

上図は夏と秋の異なる土壌断面深さ（5 cm、12.5 cm、35 cm）のCO 2フラックスR（上）とCO 2濃度（下）の変化状況であり、降雨状況は右縦座標（Z.Nagyなど、2011）を参照。研究によると、渦動法の測定はCO 2フラックスを過小評価しており（特にフラックスが低い場合）、干ばつ区の草原では豪雨後に大気から土壌へのCO 2の逆フラックスが発生することが多い。

産地：ヨーロッパ