基于Aerodyne TILDAS海岸红杉林羰基硫交换与GPP示踪研究

羰基硫作为大气示踪气体，被广泛用于估算生态系统总初级生产力 GPP。土壤也同时存在 COS 吸收与释放，会干扰生态系统尺度 COS‑GPP 的换算关系。绝大多数 COS 通量研究集中在温带阔叶林、针叶林与农田，但红杉林具有独特的生活环境：常年多海雾、夏季干旱，雾水可以补充叶片水分，改变气孔开闭行为，传统 GPP 观测手段存在局限，Aerodyne QCL‑TILDAS 的 COS 示踪技术可以用于在此类特殊森林的相关研究。

本中指出， Aerodyne QCL‑TILDAS 量子级联激光光谱仪，结合涡度相关通量系统，在加州海岸红杉林开展野外观测，获取连续 COS、CO₂与水汽通量，解析海岸红杉林 COS 交换特征，探究雾事件对气孔导度、COS 吸收与 GPP 估算的影响，评估 COS 作为示踪剂在多雾湿润森林的应用潜力。

野外观测站点位于加州北部海岸红杉林，森林冠层高大，频繁受海洋平流雾的影响。观测系统核心为 Aerodyne QCL‑TILDAS 痕量气体监测仪，该设备实现 ppt 级 COS 连续测量，和三维超声风速仪组成涡度相关（EC）通量系统，原位连续观测 COS、CO₂、H₂O 浓度脉动；仪器 1 Hz 测量时，COS 测量精度可达 8‑10 ppt，满足涡度通量对快速痕量气体脉动捕捉的要求，仪器也可以用10Hz进行高速测量。除涡度通量外，研究同步开展叶片尺度密闭箱测量，测定红杉叶片 COS 吸收速率、气孔导度；配套环境观测：辐射、温度、湿度、雾水沉降、土壤温湿度，区分气象、雾事件对植被‑大气 COS 交换的调控。研究还进行了光谱基线校正、水汽干扰修正、频率损失校正、零点漂移校正，获取了可靠的 COS 生态系统通量。

上图为三维区域模拟得到的大气羰基硫（COS）混合比损耗图。(a) 三个试验站点正午时刻由模拟植被吸收造成的 COS 垂直损耗空间分布图。垂直损耗定义为自由对流层 COS 混合比与模式近地面层 COS 混合比的差值。(b) 大陆区域平均 COS 损耗模拟结果；分别由植被吸收、人为排放、土壤吸收驱动的模拟结果。

观测结果表明，海岸红杉生态系统整体表现为 COS 净汇，植被吸收是 COS 消耗主导项。研究发现雾过程显著改变森林气孔行为：在夏季干旱时段，无雾的晴朗白天，虽然光照充足，但空气干燥，红杉气孔部分关闭，COS 吸收速率下降；当发生海雾事件时，空气湿度大幅提升，叶片被雾水润湿，即便土壤水分依旧有限，红杉冠层气孔仍可打开，生态系统 COS 吸收明显增强。COS 通量与水汽通量（潜热通量）表现出良好相关性，印证了COS 通量可以表征冠层平均气孔导度。

上图为观测期间两个不同观测站点的大气羰基硫（COS）的时空变化趋势图。

文章重点还讨论了 COS‑GPP 换算系数（α因子）的不确定性。多数模型采用固定 α 值，本研究显示在海岸红杉这种雾胁迫生态系统，α会随雾事件、湿度发生变化。如果直接套用通用 α 参数，会造成 GPP 估算偏差。叶片箱实验证明红杉叶片本身对 COS 具有很高的吸收能力，生态系统尺度的 COS 吸收限制主要来自气孔开闭状态，而非叶片酶活性。

Aerodyne QCL‑TILDAS 系统是本研究能够开展 COS 涡度通量的关键设备，其优势体现在以下几个方面。第一，高时间分辨率与 ppt 级灵敏度，涡度相关需要捕捉高频浓度脉动，传统采样和实验室分析无法实现原位连续通量测量。第二，同步测量 COS、CO₂、H₂O，气体浓度来自同一台光谱仪器，避免多仪器之间时间同步误差，便于直接对比 COS、CO₂、水汽通量耦合关系。第三，较强的抗水汽干扰校正能力，海岸雾环境水汽含量波动剧烈，TILDAS高分辨光谱可以分离水汽与 COS 谱线重叠，降低高湿雾天的测量误差。第四，仪器野外长期运行稳定性强，该站点观测周期覆盖干旱与雾季，仪器零点漂移可控，适合野外长期无人值守。

本实验采用的Aerodyne痕量气体监测仪：

Aerodyne双激光系统                      1Hz采样频率下获得的谱图

Aerodyne双激光系统技术指标：

总体来看，该研究拓展了 COS 示踪研究到多雾海岸古老红杉林。证实了 COS 可以有效表征冠层气孔导度，但在雾频发生态系统，不能简单使用固定 α 系数进行 GPP 换算，需要考虑雾湿度带来的参数变化。Aerodyne QCL‑TILDAS 原位涡度通量技术，为潮湿多雾特殊森林生态系统硫循环与碳循环耦合研究提供了重要的观测手段。