應(yīng)用案例

Picarro G2201-i（原位測量CO?和CH?穩(wěn)定碳同位素與土壤通量）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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摘要

Abstract

二氧化碳 (CO₂) 和甲烷 (CH₄) 的碳穩(wěn)定同位素測量往往有助于了解土壤氣體通量產(chǎn)生的來源和機(jī)制，人們常常測量。舉例來說，CO₂的同位素可用來確定植物根部和微生物產(chǎn)生的 CO₂ 對土壤總CO₂ 通量的貢獻(xiàn)。或者，在光合途徑已經(jīng)從碳三 (C3) 轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓?(C4) 或過程相反的體系中 (圖1a)，可以運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)來確定源自每個(gè)途徑的碳對土壤總呼吸的相對貢獻(xiàn)。同樣，甲烷穩(wěn)定同位素可用來區(qū)分土壤氣體通量 (圖1b) 的生物來源與地質(zhì)來源，還可以用來檢驗(yàn)甲烷的產(chǎn)生與氧化機(jī)制。

本應(yīng)用文章簡要介紹了Picarro G2201-i&ensp;CO₂ 和 CH₄ 碳同位素分析儀的配置和使用，以便區(qū)分瑞典南部過渡農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)中的C3和C4呼吸源。

圖1(a) 在瑞典烏普薩拉市奧爾圖納 (Ultuna) 場地，將 eosAC 葉室與 Picarro G2201-i 進(jìn)行耦合

圖1(b) 在黃石國家公園雛菊間歇泉（Daisy Geyser）附近測量碳同位素

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樣品處理

Sample processing

配有A0702循環(huán)泵的 Picarro G2201-i&ensp;的標(biāo)稱流量為25標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘(sccm)，并且經(jīng)過優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)基于再循環(huán)的測量。由于流量較低，因此必須考慮腔室測量所需的總傳輸時(shí)間和混合時(shí)間。下表 1中顯示了將樣品輸送到分析儀中所需的最短估計(jì)時(shí)間 (根據(jù)管道長度)。

表1 將氣體輸送至 G2201-i 分析儀的標(biāo)稱傳輸時(shí)間，假設(shè)管道內(nèi)徑為 3.175 毫米 (? 英寸) 并且采用 Picarro A0702 再循環(huán)泵

由于所需的最短傳輸時(shí)間較長，因此用戶使用了次級泵來加速取樣過程。Eosense 建議采用一款專為再循環(huán)應(yīng)用而設(shè)計(jì)、標(biāo)稱流量小于1標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘 (SLPM, 1000sccm) 的泵。圖2顯示了系統(tǒng)中次極泵的配置。

圖 2 子循環(huán)系統(tǒng)的示例圖，采用次級泵來加速 eosMX 至 G2201-i分析儀的流量。系統(tǒng)總流量是 Picarro 泵流量和次級泵流量的總和

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野外場地與系統(tǒng)配置

Field Site and System Configuration

長期野外實(shí)驗(yàn)位于瑞典烏普薩拉市，實(shí)驗(yàn)樣地在制定實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)之前已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 (主要是C3作物) 種植使用了至少300年。啟動實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)的目的是研究各種有機(jī)改良劑(無論是否施氮肥)對土壤肥力的影響。自1956 年至1999年間，該場地主要種植春大麥、燕麥、油菜、甜菜、芥菜和蘿卜等C3一年生作物。這些 C3 作物的平均δ¹³C特征值為−28.0&permil;。1999 年的土壤δ¹³C特征值約為−26.6&permil;。2000年，C3作物被C4青貯玉米所取代，根部δ¹³C 特征值為−12.5&permil;。由于土壤有機(jī)碳含量較低，因此該場地的二氧化碳通量率普遍較低。

為監(jiān)測CO₂、CH₄氣體通量以及其同位素組成，現(xiàn)場安裝了Picarro G2201-i以及12個(gè)與eosMX 多路復(fù)路系統(tǒng)相耦合的eosAC自動土壤通量葉室。每個(gè)葉室采用四種肥料 (未施肥、硝酸鈣、硫酸銨、氰氨化鈣) 的其中一種進(jìn)行處理，每次施肥處理都進(jìn)行三次重復(fù)的葉室測量。使用30 m的PTFE管將腔室與系統(tǒng)進(jìn)行耦合，系統(tǒng)吹掃與氣體傳輸時(shí)間大約為5 - 6分鐘。對于該實(shí)驗(yàn)，每個(gè)腔室閉合的時(shí)長共計(jì)15分鐘，以便積聚足量的氣體。運(yùn)用 eosAnalyze-AC 軟件以及CO₂ 和CH₄ 同位素的Keeling圖來處理數(shù)據(jù)，該軟件能夠生成線性通量估計(jì)值和指數(shù)通量估計(jì)值。

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特征通量與同位素?cái)?shù)據(jù)

Data

下文圖3顯示了來自單個(gè)葉室閉合的兩個(gè)濃度曲線。Picarro G2201-i 分析儀的高精度與數(shù)據(jù)收集的高時(shí)間分辨率意味著，數(shù)據(jù)的線性擬合和指數(shù)擬合都非常穩(wěn)健。另外，對于Ultuna野外場地，我們觀察到了大氣中的 CO₂ 排放和土壤中的 CH₄吸收；該場地具有典型的排水良好的農(nóng)業(yè)土壤。圖4顯示了運(yùn)用 eosAnalyze-AC 軟件來執(zhí)行CO₂Keeling 圖分析的示例。

圖 3 摘自 eosAnalyze-AC 軟件的 CO₂ 排放曲線（左）和 CH₄ 吸收曲線（右）示例

圖 4 CO₂ 同位素 Keeling 圖顯示土壤 CO₂ 通量的估計(jì) δ¹³C 同位素值為-21.8&permil;

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結(jié)論

Conclusion

將 Picarro G2201-i、eosMX復(fù)路系統(tǒng)和eosAC自動腔室系統(tǒng)結(jié)合使用，可以確定施肥處理中CO₂和CH₄通量的差異。運(yùn)用 Keeling 圖分析，實(shí)時(shí)確定了土壤呼吸的CO₂同位素組成。通過對數(shù)據(jù)運(yùn)用簡單線性混合模式，估計(jì)出土壤總呼吸中 C3 和 C4 碳的比例，以及該比例在施肥處理地塊之間的變化情況。這些碳同位素測量值將用來確定 Ultuna土壤經(jīng)過施肥處理所產(chǎn)生的“老碳”（來自 C3 植物）和“新碳”（C4 植物）的呼吸損失，這將有助于研究人員了解如何改善農(nóng)業(yè)土壤的長期肥力。

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參考文獻(xiàn)

Shahbaz et al. (2019), Science of the Total Environment,658, 1539-1548.Hartmann et al. (2011), Plant & Soil, 342, 265-275.

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