通量梯度法在溫室氣體及同位素通量觀測研究中的應(yīng)用

 準確量化生物圈與大氣圈之間的溫室氣體交換對于生態(tài)系統(tǒng)過程、物質(zhì)循環(huán)機制和氣候變化響應(yīng)等方面的研究具有重要意義。同時相應(yīng)溫室氣體穩(wěn)定同位素信號則能為此提供的示蹤信息, 是一個重要的研究手段。微氣象學(xué)方法是觀測溫室氣體及其穩(wěn)定同位素通量的重要方法。該方法主要的優(yōu)勢是可以進行原位無干擾的連續(xù)觀測,而且在單點上觀測的通量信號是通量貢獻區(qū)內(nèi)不同位置地面通量的加權(quán)平均(Baldocchi et al., 1988),可以代表一定區(qū)域的通量交換信息。

文獻研究內(nèi)容：

    常用的微氣象學(xué)方法主要包括渦度相關(guān)法(EC)和通量梯度法(FG)。渦度相關(guān)法被認為是觀測生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間能量和物質(zhì)交換的直接方法,其計算原理不基于任何假設(shè)且無需經(jīng)驗參數(shù),并且已有較完善的理論和實踐驗證,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)及能量觀測(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2014)。

根據(jù)渦度相關(guān)法的基本原理,需要對觀測的目標氣體進行高頻采樣(≥10 Hz), 當前的科技可以實現(xiàn)對CO₂、CH₄、   N₂O、水汽濃度較為穩(wěn)定的高頻觀測,而且有比較完備的渦度相關(guān)系統(tǒng)可供使用。  

通量梯度法成功應(yīng)用的前提條件是目標氣體和同位素濃度梯度的準確觀測。要實現(xiàn)對溫室氣體及其穩(wěn)定同位素濃度梯度的準確觀測, 對氣體分析儀和采樣系統(tǒng)有如下要求: 首先, 分析儀的準度足夠高, 能夠準確觀測溫室氣體及穩(wěn)定同位素的濃度; 分析儀的精度足夠高, 能夠明確分辨出兩個高度上溫室氣體及穩(wěn)定同位素濃度的微小差異。其次, 采樣系統(tǒng)的響應(yīng)更新時間足夠快, 分析儀能夠在很短的時間內(nèi)在上下進氣口之間完成切換, 以確保上下進氣口觀測到的是同一個空氣團的特性。

主要研究結(jié)果：

1、 森林生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

通量梯度法被用于森林生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測,特別是在通量信號較弱的情況下觀測結(jié)果較好。Simpson等(1997)在加拿大薩斯克徹溫省采用TDLAS技術(shù)結(jié)合FG方法,對寒帶針闊混交林的CH4和N2O通量進行了連續(xù)5個月的觀測,捕捉到了微弱的CH4和N2O排放信號,作者在文中提到對于寒帶針闊混交林中較弱的溫室氣體通量信號,為了準確估計其通量值,要求觀測方法能夠捕捉所有攜帶通量成分的湍流渦,特別是對低頻成分的捕捉,其低頻噪聲信號可能會淹沒真實的小通量信號,因而相比EC方法,作者使用的FG系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同進氣口之間的快速切換(切換時間4 s),進而起到了高通濾波的作用,降低了低頻噪聲,因此可以更有效地捕捉到小通量信號。

2、 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

     對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),通量梯度法被用于觀測CO2、CH4和N2O通量。對于CO2通量,最直接的觀測方法就是渦度相關(guān)法,但是該方法在夜間大氣湍流較弱的情況下觀測效果不理想,也就是觀測土壤和植被呼吸通量存在較大的不確定性(Baldocchi,2014),在這種情況下,FG法能夠提供很好的補充和校正。    基于FG方法的原位長期連續(xù)高精度觀測, 更有助于分析稻田或其他作物在不同生長階段以及管理措施對溫室氣體通量變化的影響。Simpson等(1995)利用TDLAS技術(shù)結(jié)合FG方法對灌溉水稻田的CH4通量進行了觀測,分析了在水稻不同生長階段CH4排放的變化特征以及影響因子。

3、 草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

對于濕地/草地生態(tài)系統(tǒng),通量梯度法比傳統(tǒng)的箱式通量法(簡稱箱式法)具有明顯優(yōu)勢。相比其他生態(tài)系統(tǒng),草地和泥炭地下墊面的風(fēng)浪區(qū)更廣且相對更為均一, 能夠滿足MBR模型中對于參考氣體和目標氣體源匯均一分布的假設(shè), 因此研究者們也常將EC和FG方法連用。對于EC和FG方法同步觀測的研究, Laubach等(2016)采用通量梯度法和夜間存儲比法觀測草地上的CH4和N2O通量; Karlsson (2017)利用EC和FG方法對北方泥炭地的CO2通量進行了同步觀測,發(fā)現(xiàn)兩者之間具有較好的一致性。

4、 水體生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

     近年來,隨著測量技術(shù)的發(fā)展和K參數(shù)理論的進一步深入研究,FG方法的應(yīng)用已不僅限于陸地生態(tài)系統(tǒng),研究者們將其應(yīng)用于水體生態(tài)系統(tǒng),已成功實現(xiàn)了對CO2、H2O和CH4等溫室氣體通量的觀測，如在G?rdsj?n湖(Meyers et al., 1996)和海貍池塘(Roulet et al., 1997)進行的CO2、H2O和CH4通量觀測等。  

5、 溫室氣體穩(wěn)定同位素通量的觀測

     對于13C-CO2通量同位素比來說, 通量梯度法主要被用于觀測非生長季農(nóng)田土壤的13C-CO2通量同位素比(Griffis et al., 2004; Drewitt et al., 2009; Glenn et al., 2011), 或 者觀測森 林 內(nèi)地面上 的13C-CO2 和 18O-CO2 通量同位素比 (Santos et al. 2012)。

北京澳作生態(tài)儀器有限公司的Aerodyne、AZG-300氣體分析儀在EC/FG兩種研究方法中可以靈活應(yīng)用，實現(xiàn)實時在線穩(wěn)定測量溫室氣體以及穩(wěn)定同位素通量的測量，使用戶得到滿意的測量效果….