通量梯度法在温室气体及同位素通量观测研究中的应用

 准确量化生物圈与大气圈之间的温室气体交换对于生态系统过程、物质循环机制和气候变化响应等方面的研究具有重要意义。同时相应温室气体稳定同位素信号则能为此提供的示踪信息, 是一个重要的研究手段。微气象学方法是观测温室气体及其稳定同位素通量的重要方法。该方法主要的优势是可以进行原位无干扰的连续观测,而且在单点上观测的通量信号是通量贡献区内不同位置地面通量的加权平均(Baldocchi et al., 1988),可以代表一定区域的通量交换信息。

文献研究内容：

    常用的微气象学方法主要包括涡度相关法(EC)和通量梯度法(FG)。涡度相关法被认为是观测生态系统与大气之间能量和物质交换的直接方法,其计算原理不基于任何假设且无需经验参数,并且已有较完善的理论和实践验证,已经被广泛应用于不同生态系统的物质及能量观测(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2014)。

根据涡度相关法的基本原理,需要对观测的目标气体进行高频采样(≥10 Hz), 当前的科技可以实现对CO₂、CH₄、   N₂O、水汽浓度较为稳定的高频观测,而且有比较完备的涡度相关系统可供使用。  

通量梯度法成功应用的前提条件是目标气体和同位素浓度梯度的准确观测。要实现对温室气体及其稳定同位素浓度梯度的准确观测, 对气体分析仪和采样系统有如下要求: 首先, 分析仪的准度足够高, 能够准确观测温室气体及稳定同位素的浓度; 分析仪的精度足够高, 能够明确分辨出两个高度上温室气体及稳定同位素浓度的微小差异。其次, 采样系统的响应更新时间足够快, 分析仪能够在很短的时间内在上下进气口之间完成切换, 以确保上下进气口观测到的是同一个空气团的特性。

主要研究结果：

1、 森林生态系统温室气体通量观测

通量梯度法被用于森林生态系统温室气体通量观测,特别是在通量信号较弱的情况下观测结果较好。Simpson等(1997)在加拿大萨斯克彻温省采用TDLAS技术结合FG方法,对寒带针阔混交林的CH4和N2O通量进行了连续5个月的观测,捕捉到了微弱的CH4和N2O排放信号,作者在文中提到对于寒带针阔混交林中较弱的温室气体通量信号,为了准确估计其通量值,要求观测方法能够捕捉所有携带通量成分的湍流涡,特别是对低频成分的捕捉,其低频噪声信号可能会淹没真实的小通量信号,因而相比EC方法,作者使用的FG系统能够实现不同进气口之间的快速切换(切换时间4 s),进而起到了高通滤波的作用,降低了低频噪声,因此可以更有效地捕捉到小通量信号。

2、 农田生态系统温室气体通量观测

     对于农田生态系统,通量梯度法被用于观测CO2、CH4和N2O通量。对于CO2通量,最直接的观测方法就是涡度相关法,但是该方法在夜间大气湍流较弱的情况下观测效果不理想,也就是观测土壤和植被呼吸通量存在较大的不确定性(Baldocchi,2014),在这种情况下,FG法能够提供很好的补充和校正。    基于FG方法的原位长期连续高精度观测, 更有助于分析稻田或其他作物在不同生长阶段以及管理措施对温室气体通量变化的影响。Simpson等(1995)利用TDLAS技术结合FG方法对灌溉水稻田的CH4通量进行了观测,分析了在水稻不同生长阶段CH4排放的变化特征以及影响因子。

3、 草地和湿地生态系统温室气体通量观测

对于湿地/草地生态系统,通量梯度法比传统的箱式通量法(简称箱式法)具有明显优势。相比其他生态系统,草地和泥炭地下垫面的风浪区更广且相对更为均一, 能够满足MBR模型中对于参考气体和目标气体源汇均一分布的假设, 因此研究者们也常将EC和FG方法连用。对于EC和FG方法同步观测的研究, Laubach等(2016)采用通量梯度法和夜间存储比法观测草地上的CH4和N2O通量; Karlsson (2017)利用EC和FG方法对北方泥炭地的CO2通量进行了同步观测,发现两者之间具有较好的一致性。

4、 水体生态系统温室气体通量观测

     近年来,随着测量技术的发展和K参数理论的进一步深入研究,FG方法的应用已不仅限于陆地生态系统,研究者们将其应用于水体生态系统,已成功实现了对CO2、H2O和CH4等温室气体通量的观测，如在Gårdsjön湖(Meyers et al., 1996)和海狸池塘(Roulet et al., 1997)进行的CO2、H2O和CH4通量观测等。  

5、 温室气体稳定同位素通量的观测

     对于13C-CO2通量同位素比来说, 通量梯度法主要被用于观测非生长季农田土壤的13C-CO2通量同位素比(Griffis et al., 2004; Drewitt et al., 2009; Glenn et al., 2011), 或 者观测森 林 内地面上 的13C-CO2 和 18O-CO2 通量同位素比 (Santos et al. 2012)。

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