Picarro分析儀在土壤碳氮循環(huán)研究中的應(yīng)用——洪水地形中土壤通量測量的完全集成解決方案
我們受歡迎的完全集成土壤通量測量解決方案配對(duì)是 Picarro 的 G2000 系列分析儀與 Eosense 的eosAC通量室和eosMX多路復(fù)用器,。在本應(yīng)用中，我們看到了G2508溫室氣體分析儀如何與 Eosense 的自動(dòng)室和復(fù)路系統(tǒng)及改進(jìn)的絕緣外殼一起使用,，以便在周期性淹沒的田野中進(jìn)行連續(xù)測量,。感謝美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校環(huán)境科學(xué)、政策與管理系生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)組Whendee L. Silver 博士和Tyler L. Anthony對(duì)本研究的貢獻(xiàn),！
洪水灌溉的農(nóng)業(yè)土壤可能是溫室氣體 (GHG) 二氧化碳 (CO2 ),、甲烷 (CH4 ) 和一氧化二氮 (N2O) 的重要來源（Linquist 等人 2011，Oertel 等人 2016 ）,。由于這些生態(tài)系統(tǒng)通常具有高度的空間和時(shí)間異質(zhì)性,，因此需要連續(xù)的痕量氣體測量來更好地檢測模式和量化凈生態(tài)系統(tǒng)通量。在淹沒期間測量地表通量具有挑戰(zhàn)性,，但排除這些時(shí)期可能會(huì)顯著低估年度CH4排放量,，并可能高估N2O流出量。在這里,，我們報(bào)告了對(duì) Eosense eosAC系統(tǒng)的修改自動(dòng)室,、Picarro G2508溫室氣體分析儀和改進(jìn)的絕緣外殼（Bonar Plastics），用于在周期性淹沒的田野中進(jìn)行連續(xù)測量,。
Picarro G2508氣體濃度分析儀
1. 系統(tǒng)改造與維護(hù)
我們部署了三個(gè)微量氣體分析系統(tǒng),，由九個(gè)腔室組成，在 15 x 15 m 的網(wǎng)格中間隔 5 m 部署,。對(duì)于周期性淹沒系統(tǒng)中的持續(xù)現(xiàn)場部署,，部署了兩項(xiàng)主要修改,。個(gè)變化包括使用兩套加長室環(huán)，以確保eosAC室始終高于地下水位,。第二個(gè)修改是創(chuàng)建一個(gè)防風(fēng)雨的絕緣外殼,，在這種情況下改裝一個(gè) Bonar Plastics 絕緣釣魚箱。請(qǐng)注意,，鑒于維護(hù)空調(diào) (500 W),、Picarro G2508氣體分析儀和再循環(huán)泵 (~200 W) 和 Eosense eosAC所需的能源消耗，接入線路電源極大地促進(jìn)了連續(xù)測量/eosMX 腔室和多路復(fù)用器系統(tǒng) (~100 W),。
2. eosAC 腔室項(xiàng)圈的修改
本研究測定的農(nóng)田全年經(jīng)歷兩種類型的淹水,。在生長期會(huì)定期漫灌，地下水位保持在土壤表面以上 10 厘米處超過 24 小時(shí),。在休耕期,，這些田地持續(xù)被淹約三個(gè)月，以大程度地減少雜草的生長,，并為遷徙水禽提供棲息地,。休耕期淹水發(fā)生時(shí)，地下水位高可達(dá) 30 厘米,?？紤]到一年中淹水情況存在著巨大的差異，因此每個(gè)季節(jié)都需要使用不同高度的呼吸室土壤環(huán),。
圖 1. eosAC室現(xiàn)場部署,，帶有改進(jìn)的 15 厘米項(xiàng)圈（左），以及項(xiàng)圈內(nèi)外的類似土壤濕度示例（右）
在漫灌期,，從直徑為 6 英寸的美標(biāo) SCH 40 PVC 管橫切出 15 厘米的土壤環(huán),，這個(gè)尺寸必須與 eosAC 呼吸室所需的尺寸相匹配。在距離土壤環(huán)邊緣 2 厘米處鉆了 6 個(gè) 10 毫米的孔,，以確保土壤環(huán)內(nèi)外的表層土之間有足夠的液體交換,。土壤環(huán)底部距離土壤表面大約 3 至 4 厘米，以確保土壤覆蓋鉆孔,。我們?cè)诤粑业撞坎迦肓艘粋€(gè)與土壤環(huán)高度相同的小金屬支架，以提供更好的穩(wěn)定性（圖1）,。在這項(xiàng)研究中,，測試管架運(yùn)行良好。對(duì)于較長的休耕期,，采用直徑 6 英寸的美標(biāo) SCH 40 PVC 管制成類似的 35 厘米土壤環(huán),，并使用傳統(tǒng)的牛奶箱為腔室底部提供額外的支撐（圖2）。除了在農(nóng)田管理（犁地,、播種等）期間或更換土壤環(huán)進(jìn)行維護(hù)期間,，在整個(gè)農(nóng)田測定期間這兩套土壤環(huán)都固定在原始位置,。
為了測定腔室容積，每周測量呼吸室土壤環(huán)高度并在測量之間進(jìn)行插值,，以得到土壤和地下水位高度隨時(shí)間的變化,。這些值還用于計(jì)算 N2O 小可檢測通量（Nickerson 2016）。15 厘米土壤環(huán)高度下 N2O 小可檢測通量為 0.22 μmol m?2h?1,，30 厘米土壤環(huán)高度下 N2O 小可檢測通量為 0.33 μmol m?2h?1,，均比這兩個(gè)土壤環(huán)高度下測定的平均通量低大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這里報(bào)告的 N2O 小可檢測通量是保守估計(jì),，因?yàn)閷?shí)際的腔室容積總是小于用于計(jì)算上述值的大理論容積,。
使用 Eosense eosAnalyze-AC v. 3.7.7 軟件計(jì)算 CO2、N2O 和 CH4的通量,。然后數(shù)據(jù)以 .csv 文件格式導(dǎo)出,，并在 R 程序（R v.3.2.2） 中進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選（O’Connell 等，2018）,。以下情況則會(huì)從終數(shù)據(jù)集中剔除通量數(shù)據(jù)（均單獨(dú)采樣）：通量與異常溫度,、濕度或壓強(qiáng)讀數(shù)有關(guān)；CO2,、N2O 和 CH4的初始濃度為負(fù)數(shù)或與環(huán)境值顯著不同,；腔室部署時(shí)間少于 9 分鐘或超過 11 分鐘。根據(jù)研究地點(diǎn)的不同,，這種方法剔除了 1?10% 的單個(gè)通量測量值（在所有部署地點(diǎn),，單個(gè)通量測量值的數(shù)量都大于20000）。
圖 2. 休耕期淹水期間,，安裝有 30 厘米土壤環(huán)的呼吸室
3. 創(chuàng)建防風(fēng)雨絕緣外殼
我們改造一只大小為 21 立方英尺,、顏色為極地藍(lán)的 Bonar 塑料高密度聚乙烯（HDPE）漁具箱，為 Picarro G2508 制作一個(gè)具有佳操作溫度且防風(fēng)防雨的保溫箱,。為了將箱內(nèi)溫度保持在 27°C 左右,，需要使用空調(diào)。我們?cè)陂L的那一面上鋸了一個(gè) 40 厘米 × 35 厘米的方孔（圖 4）,，安裝了一臺(tái) Whirlpool WHAW050BW（或等同的）空調(diào),。空調(diào)用配套支架安裝,，其余孔用泡沫保溫材料密封,。為了使外殼頂部不受風(fēng)雨侵蝕，在箱蓋邊緣和箱體邊緣安裝了特大窗戶密封條,。為了防止儀器被盜還安裝了門閂和掛鎖作為安全措施,。
箱子自帶的排水孔大小剛好與儀器供電所需的管道和電纜所需的尺寸相匹配，因此不需要改造,。如果需要更多的電纜,，還可以用電鉆和孔鋸將箱子隨附的插頭座切掉（如圖 3 中的白色方框所示）,。用電膩?zhàn)踊蚺菽芊饽z對(duì)孔進(jìn)行密封。
圖 3. 現(xiàn)場部署經(jīng)過改造的 Bonar 塑料漁具箱（左）,。 圖 4. 裝有 Picarro G2508 和 Eosense eosMX 的箱子內(nèi)部（右）,。
我們采取了一些方法來盡量避免水進(jìn)入 Picarro G2508 。在 eosMX 多路器和 G2508 入口之間安裝了一個(gè)帶有陶瓷冷凝元件的總除水裝置（Parker A914-BX,，Picarro 未對(duì)其進(jìn)行評(píng)估）,。目的是在過度潮濕的空氣中凝結(jié)過量的 H2O，并作為保護(hù) G2508 的終措施,。在潮濕寒冷的冬季,，我們也保持較高的溫度，并盡可能多地將樣品管留在保溫箱內(nèi),。這樣有助于在樣氣接觸到 eosMX 內(nèi)部的金屬組件之前提高樣氣的溫度,。水平安裝 eosMX,這樣可以盡量避免冷凝水從 eosMX 出口流進(jìn) G2508 入口。
為了進(jìn)一步降低水對(duì)儀器造成損害的可能性,，在潮濕的冬季和春季,，我們每周使用帶有 5/16 英寸 Swagelok 接頭的空氣壓縮機(jī) （Husky Tools） 從氣體取樣管中清除液態(tài)水。每個(gè)腔室的入口管和出口管都連接到空氣壓縮機(jī),，并用壓強(qiáng)為 30 psi 的壓縮空氣對(duì)每條管路吹掃至少 15 秒,。
圖 5. Eosense flux 軟件中顯示的樣品 CO2測量值。 相隔一天在同一地點(diǎn)采用 15 厘米土壤環(huán) （左） 和 30 厘米土壤環(huán) （右） 測量的通量值 （μmol m-2s-1）,。 軟件輸出結(jié)果同時(shí)包括線性擬合和指數(shù)擬合— —佳擬合可以在后處理中確定,。
4. 抽樣驗(yàn)證和預(yù)期結(jié)果
我們觀察到在相似的土壤和氣候條件下，兩個(gè)不同土壤環(huán)高度下測得的通量值是相似的（圖5）,，這說明土壤環(huán)高度的差異并不會(huì)顯著影響土壤通量的測量結(jié)果,。上文描述的改造幫助我們從這些周期性淹水環(huán)境中連續(xù)收集了超過三年的通量測量結(jié)果。這些測量結(jié)果突出了 CH4和 N2O 凈通量的熱點(diǎn)時(shí)刻,，這是其它測量方法所沒有測到的,。這些發(fā)現(xiàn)將有助于為漫灌農(nóng)業(yè)提供更全面的年度溫室氣體預(yù)算。
如需更深入地了解這項(xiàng)研究,，可以參考文末 Hemes 等人的文獻(xiàn),。
參考文獻(xiàn)
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[5] Nickerson, N. 2016. Evaluating gas emission measurements using Minimum Detectable Flux (MDF). White Paper.
[6] O’Connell, C. S., L. Ruan, and W. L. Silver. 2018. Drought drives rapid shifts in tropical rainforest soil biogeochemistry and greenhouse gas emissions. Nature Communications 9:1348.
[7] Oertel, C., J. Matschullat, K. Zurba, F. Zimmermann, and S. Erasmi. 2016. Greenhouse gas emissions from soils -A review. Chemie der Erde -Geochemistry 76:327–352.
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