摘要：研究以土壤碳呼吸作为工作基础，充分分析了仪器数据格式，总结了传输数据流中的关键字（项目主要监测数值土壤碳通量的关键字为EXPFLUX），并基于.NET技术开发了实时传输数据解析软件，解决了研究过程中的国外仪器数据传输解析的问题。利用开源软件开发技术，实现了监测点位的分布展示、动态曲线图表生成、Excel数据导入导出等功能，为更好地进行土壤碳呼吸监测，提高科研工作效率，提供了保障。
关键词：土壤碳呼吸；实时传输数据解析；开源软件开发技术；科研工作效率
以CO2为代表的温室气体的增加是导致全球气候变暖的主要因素，增温效应中CO2占全部温室气体的9％～26％[1]。IPCC（政府间气候变化专门委员会）2007年气候变化第4次评估报告指出，土地利用变化形成的碳通量是仅次于化石燃料燃烧，对地球大气CO2化的贡献约为25％[2]。通过对土壤呼吸的相关参数的监测，可以对根系和土壤微生物对气候变化的响应进行评估[3]，其准确性直接影响到陆地碳源、碳汇的准确评估。土壤呼吸是反映生态系统对于环境胁迫响应的指标之一[4]。精确测定各种土壤类型分布区内的土壤呼吸速率对于研究我国土壤质量的变化趋势，碳源、碳汇区域的确定及局部生态系统碳收支模型的建立十分重要[5]。本项研究选择我国典型地区农耕区土壤，东北平原黑土区，华北平原褐土区和洞庭湖平原红壤区作为土壤呼吸监测研究对象，还选择碳变化源、汇和平衡区进行土壤呼吸监测，构建土壤碳源/汇转化模型，预测我国土壤碳汇变化趋势。在每个土壤类型研究地区选取荒地HD，休耕地HGD，耕地GD，组分ZF4种类型土地进行土壤温湿度、大气压力、二氧化碳含量等数据监测。研究过程中项目组利用软件开发技术解决了仪器数据的实时传输、点位分布展示、动态曲线图表生成、Excel数据导入导出等功能。
1基于.NET技术的实时传输数据解析软件的开发
1.1数据采集仪器
项目研究选择了美国LI-COR公司的LI-8100A土壤碳通量自动测量系统。2003年LI-COR推出了堪称业界标准的LI-8100全自动土壤碳通量测量系统，LI-8100A土壤碳通量自动测量系统能够对土壤CO2流量进行定期测量。长期测量时，LI-8100A能在同一位置，自动测量土壤CO2流量的日变化，测量时间从几周到几个月，保证在长时间条件下测量可靠的实验数据。短期测量时，LI-8100A能快速测量多个位置土壤CO2流量，如图1所示。
1.2数据实时传输方案及实现
LI-8100A土壤碳通量自动测量系统仪器本身有采集软件，但只支持下载到本机硬盘，手动烤出的方式。经过分析和数据实验对比，设计了两种方案来解决传输的问题。解决办法一：采用工控电脑连接监测仪器，编写文件拷贝程序，定时从仪器硬盘烤取数据文件，通过无线网络上传到服务器解决办法二：采用工控电脑连接监测仪器，停止运行自带的采集软件，编写一套数据解析软件，将数据直接传回到服务器数据库表中。研究项目组经过对仪器数据的分析和可行性的研究对比，最终确定了采用第二种解决办法，并基于.NET开发了实时传输数据解析软件。
1.3数据分析
项目在研究代码时使用监听端口的方式，测试结果发现：监测仪器默认的数据格式是分割的，不容易发现规律，如下所示：经过分析，将无规律分散的数据流在通过串口传输数据时进行拼接，对一些关键字进行截取和对比分析，得到仪器监测的关键数据。比如：<SR><DATA>和</DATA></SR>之间的数据为瞬时监测值，<SR><SUMMARY>和</SUMMARY></SR>之间为经过设定时间间隔后进行碳通量计算的过程。EXPFLUX代表经过计算的碳通量结果值。
2开源软件开发技术在土壤碳呼吸实时监测系统中的应用
2.1百度API在监测点位置展示
百度地图JavaScript是基于百度地图API二次开发的开源代码库。目前提供多个lib库，开发者可以利用百度地图JavaScript快速实现在地图添加Marker、自定义窗口、快速加载城市列表、放大、路线搜索等功能。项目组利用公开注册生成的百度地图API帐号，在线申请公开服务，将百度地图嵌入到网站中，并且利用各监测点的坐标信息在地图上对应位置生成监测点。
2.2jQuery框架和Highcharts图表插件在数据展示中的使用
jQuery是继prototype之后又一个优秀的Javascript框架。具有快速简洁的特点，用户能更方便地利用它处理HTMLdocuments、events、实现动画效果，并且方便地为网站提供AJax交互。jQuery一个优势是，文档说明全，各种应用也有详细说明，有许多成熟插件可供选择。Highcharts是一个纯JavaScript编写的图表库，能够简单便捷地在Web网站或Web应用程序添加交互性的图表，并且免费使用。目前支持的图表类型有曲线图、区域图、柱状图和综合图表等。在设计统计查询功能时，项目组充分考虑了各查询因子之间的组合关系，设计了3种查询方式方式1（结果1-4列）：单一监测点单一用地类型所有类型数据(单一土地类型求平均值，只显示GD，HD，XGD，ZF)。方式2（结果1列）：不同监测点同一用地类型不同类型数据。方式3（结果2列）：不同监测点所有用地类型相同类型数据。根据查询方式的不同，条件的选择和设置也不同。监测点通过下拉列表框；用地类型使用单选框。时间选择进行多选框勾选。时间选择分为按天和按年两种方式。按天：刻度（小时），数据求单一时间点几块地的平均值、柱状图。按年：刻度（30天），数据求每天的平均值、曲线。刻度（月），每月两次，一次一天，数据求平均。
2.3NPOI组件在Excel数据导入导出
由于项目组部分监测区域条件限制，无法实现实时监测工作，仍采用手动上传数据的方式。在网站系统设计的过程中必须要考虑历史监测数据通过在线上传的方式进行入库的需求，因此需要寻找一种支持Excel文件导入导出的组件来支持系统的二次开发工作。经过对比，项目组采用了NPOI组件，并分析了传统Office组件和NPOI组件的区别。传统Office组件：需要安装Office软件，且不容易封装，不适合开源的二次开发使用。NPOI组件：读写速度快，测试运行速度是Office组件的10倍；稳定性更好，相较于Office的OIA组件，NPOI组件更适合Server运行；API规范易用；完美支持Office2003。在进行数据导入导出程序设计时需要充分考虑采集数据的格式及规范要求。研究工作根据示范区-监测点-仪器类型-仪器号的顺序进行了系统的索引字段的编码设计，形成统一的编码规范。监测点：每块监测土地内有5个监测点，如荒地数据HD1---HD5，一个小时内的数据为HD1--HD5的平均值。5个休耕地数据XGD1--XGD5；3个异养呼吸土地ZF1--ZF3；5个耕地GD1--GD5。监测土地：4种类型，耕地GD，休耕地（撂荒休闲的耕地）XGD，荒地（树林、草地等）HD，异养呼吸土地ZF。每次可以按用地类型分为4个表入库，即耕地（120行）、休耕地（120行）、荒地（120行）、异养呼吸地（72行），也可以将4个表按照前述顺序合成一个表入库（432行），入库时进行校验。Excel数据格式：要求下面上传时按照标准的格式上传，每个Excel只有一张表，记录一个监测点一整天的监测数据，24组，每组5+5+3+5条数据。
3结语
土壤呼吸监测工作是一项长期复杂的工作，工作的核心是监测仪器采集到的各类监测数据值，通过对监测数据的分析，获取到各土壤类型之间土壤碳呼吸的对比数据，从而进行深层次的分析研究。软件开发技术作为信息时代科研工作必不可少的辅助，成为项目工作中很重要的一部分内容，并且已经在土壤碳呼吸项目中发挥了巨大的辅助作用。首先针对仪器监测数据的串口编程，可以在引进国外监测仪器时，更充分发挥其监测数据价值。其次，一些开源的二次开发组件的利用，可以提升数据的利用率，丰富最终成果的展示效果。最后，认为软件的二次开发应该是有目的性和针对性的去解决项目中科研遇到的实际问题，有的放矢。软件开发技术只是研究的工具，更好地获取科研成果数据才是最终的目的。
参考文献
[1]IPCC.ClimateChange2007:SynthesisReport.ContributionofWorkingGroupsⅠ,ⅡandⅢtotheFourthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange[R].Geneva,Switzerland:IPCC,2007.
[2]SolomonS,QinD,ManningM,etal.Climatechange2007:ThePhysicalScienceBasis.ContributionofWorkingGroupⅠtotheFourthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange,PublishedfortheIntergovernmentalPanelonClimateChange[M].Cambridge:CambridgeUni-versityPress,2007.
[3]JenkinsonDS,AdamsDE,WildA.ModelestimatesofCO2emissionsfromsoilinresponsetoglobalwarming[J].Na-ture,1991,351:304-306.
[4]陈素英,胡春胜.太行山前平原农田生态系统土壤呼吸速率的研究[J].生态农业研究，1997,5(2):42-46.
[5]刘国栋，杨柯，崔玉军，等.松嫩平原典型黑土分布区土壤呼吸研究[J].地学前缘，2011,18(6)：101-102.
作者：任涛 张磊 杨柯 刘国栋 单位：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 黑龙江省地质调查研究总院
