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箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展
植物生态学报
2020, 44 (4):
318-329.
DOI: 10.17521/cjpe.2019.0201
碳(CO2、CH4)、氮(N2O)和水汽(H2O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ 13C)和氧稳定同位素比值(δ 18O)(CO2)、δ 13C (CH4)、氮稳定同位素比值(δ 15N)和δ 18O (N2O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ 18O (H2O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO2及其δ 13C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。  View image in article
图1
非稳态系统(A、B)和稳态系统(C、D)及其气室箱体内CO2浓度变化特征示意图。Cc, Ca分别表示气室内和气室外CO2浓度; Pc, Pa分别表示气室内和气室外大气压; Tc, Wc表示气室内温度和湿度。
正文中引用本图/表的段落
箱式通量观测系统通常由气室箱体、采样气路、气体分析仪、系统控制等部分构成, 如图1A和1C所示。箱式通量观测系统是根据物质守恒的基本原理, 将气室箱体罩于CO2源表面, 或将CO2源置于气室箱体内, 利用采样气路离散或连续采集CO2气体, 通过气体分析仪准确测定一定时间内箱体中CO2浓度变化速率或箱体进气口和出气口CO2浓度差, 进而计算得到CO2及其δ13C通量, 上述过程可以通过人工或自动系统控制装置实现。
根据箱体内CO2浓度变化特征, 通常可以分为非稳态(也称为闭路)箱式通量观测系统(图1A、1B)和稳态(也称为开路)箱式通量观测系统(图1C、1D)(Midwood & Millard, 2011)。同时, 根据箱体内气体是否持续流动分为静态或动态系统, 根据箱体内气体浓度测定方式分为离线或在线系统, 根据箱体开闭方式可以分为人工或自动系统, 根据箱体是否透光分为明箱或暗箱系统等(Midwood & Millard, 2011; Epron et al., 2016)。目前, 根据上述不同方式的组合形成了各具特色的商业化及研究者自制的箱式通量观测系统。根据研究目的不同, 气室箱体通常设计为底部开放, 将箱体罩于CO2源表面, 例如, 土壤或茎干呼吸的气室箱体等; 或者, 气室箱体设计为全封闭系统, 将CO2源置于箱体内, 例如, 叶片气体交换的气室箱体或生长箱等(Rey, 2015)。
非稳态箱式通量观测系统是通过使箱体内气体形成闭路循环, 允许箱体内CO2浓度持续上升, 通过一定时间内箱体内CO2浓度的变化速率计算通量, 如图1A和1B所示。测定过程中, 箱体内总CO2浓度逐渐升高, 同时12CO2和13CO2浓度均逐渐升高。随着气室内CO2浓度增加, 由于CO2扩散梯度的逐渐减小而对CO2释放的抑制程度增加, 导致CO2通量被低估(Livingston et al., 2006)。选择适宜的观测时间可以最大程度避免CO2抑制效应。与大气CO2 δ13C相比, 植物或土壤呼吸释放CO2 δ13C贫化(即偏负)。由于动力学分馏效应导致较轻的12CO2比13CO2更利于扩散进入气室箱体, 进而导致测定过程中箱体内CO2 δ13C值逐渐降低。如果存在由于扩散梯度变化而产生的同位素分馏效应, 则导致箱体内CO2δ13C值逐渐降低, 特别是低CO2排放通量条件下, 导致δ13C通量被高估。以土壤呼吸为例, 由于扩散梯度改变, 地表排出的CO2 δ13C比土壤中储存的CO2 δ13C显著偏负, 幅度最高可达4.4‰ (Livingston et al., 2006)。
稳态箱式通量观测系统是通过使箱体内气体形成开放气路, 保持箱体内外CO2浓度一致或仅略高于大气, 通过测定箱体进气口和出气口CO2浓度差计算通量, 如图1C和1D所示。根据是否增加CO2浓度调节装置, 通常可以分为两类: (1)不增加CO2浓度调节装置, 仅通过将气泵和电磁阀切换实现利用气体分析仪测定进气口(参考气)和出气口(样品气) CO2浓度并计算差值。在测定过程中, 箱体内总CO2浓度略高于大气, 同时12CO2和13CO2浓度均略高于大气(Bahn et al., 2009; Plain et al., 2009; Subke et al., 2009)。(2)增加CO2浓度调节装置, 通过向箱体内注入无CO2的空气, 保持箱体进气口和出气口气体流速相同, 使箱体内总CO2浓度始终与箱体外总CO2浓度基本保持一致, 仅略高于大气, 但设计和操作较难(Midwood et al., 2006; Marron et al., 2009)。稳态系统通常没有明显的CO2累积(一般低于100 μmol·mol-1)(Midwood & Milllard, 2011), 因此, 测定过程中通常不会对CO2扩散产生明显影响, 这使得稳态系统在测定δ13C时比非稳态系统更有优势(Bahn et al., 2009; Plain et al., 2009; Subke et al., 2009)。
箱式通量观测系统需要保证气体分析仪以及系统气路的气密性, 即不存在与外界大气的气体交换过程。测定过程中, 需要箱体内以及系统内气体充分混合才能代表待测气体。通常采取在气室箱体顶端安装风扇方式进行气体混匀(Midwood et al., 2008)。但是由于风扇可能导致气室内压力波动, 影响CO2扩散梯度, 进而导致CO2排放通量的高估或低估(Midwood et al., 2008)。通常仅通过气室箱体与气体分析仪间的气体循环过程实现系统内气体充分混合(Pumpanen et al., 2004; Kammer et al., 2011)。需要注意的是, 开始测量时, 系统内均会残留上一个测定的气体, 需要短暂的系统平衡时间(图1B、1D), 才能实现系统内的气体充分混合。需要保证不同气室箱体间的有效切换才能代表待测气体, 即需要剔除气路切换后的无效数据后保证足够的有效数据量。无效数据量所对应的时间越短代表切换效率越高。同时, 对于CO2 δ13C通量测定, 需要选用不会造成同位素分馏效应的材料构建系统。
本文的其它图/表
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