解決方案丨CO2 CH4 NH3 N2O H2O 氣體地上地下立體觀測(cè)方案
全天候、立體化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤-大氣碳氮水循環(huán)過程中CO2，CH4，NH3，N2O和H2O等氣體的產(chǎn)生與輸送，可以為碳氮水物質(zhì)和能量循環(huán)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過程、氣候變化響應(yīng)等研究具有重要意義。本期與大家分享的就是——
CO2 CH4 NH3 N2O H2O 氣體地上地下立體觀測(cè)方案
準(zhǔn)確量化生物圈與大氣圈之間的溫室氣體交換對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)過程、物質(zhì)循環(huán)機(jī)制和氣候變化響應(yīng)等方面的研究具有重要意義。對(duì)于許多痕量氣體而言，其在土壤和大氣間的交換對(duì)于評(píng)價(jià)其區(qū)域或全球的收支非常重要。
<圖源丨網(wǎng)絡(luò)>微氣象學(xué)方法是觀測(cè)溫室氣體通量的重要方法，其主要的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行原位無干擾的連續(xù)觀測(cè)，而且在單點(diǎn)上觀測(cè)的通量信號(hào)是通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)不同位置地面通量的加權(quán)平均（Baldocchi et al., 1988）, 可以代表一定區(qū)域的通量交換信息。
目前，常用的微氣象學(xué)方法主要包括渦度相關(guān)法（EC）和通量梯度法（FG）。渦度相關(guān)法被認(rèn)為是觀測(cè)生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間能量和物質(zhì)交換的直接方法，其計(jì)算原理不基于任何假設(shè)且無需經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并且已有較完善的理論和實(shí)踐驗(yàn)證，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)及能量觀測(cè)（Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2014）。根據(jù)渦度相關(guān)法的基本原理，需要對(duì)觀測(cè)的目標(biāo)氣體進(jìn)行高頻采樣（≥10 Hz）。
全天候、立體化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤-大氣碳氮水循環(huán)過程中CO2，CH4，NH3，N2O和H2O等氣體的產(chǎn)生與輸送，可以定量研究生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵過程參數(shù)，土壤-大氣界面氣體交換過程、土壤和大氣層內(nèi)氣體垂直運(yùn)移過程，闡述土壤-大氣循環(huán)生物化學(xué)過程物質(zhì)和能量交換，為碳氮水物質(zhì)和能量循環(huán)提供高頻大數(shù)據(jù)支持。
氣體在土壤中和土壤和大氣間的傳輸是通過垂直濃度梯度驅(qū)動(dòng)的。我們開發(fā)了一套地上廓線+界面排放+地下廓線的立體式痕量氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)可以監(jiān)控土壤水分、溫度和鹽度參數(shù)。主要的包含的技術(shù)如下：
利用風(fēng)桿/通量塔布設(shè)不同高度的采樣點(diǎn)，高度依據(jù)研究目標(biāo)和目的來確定。一般可分3-5層不同高度來采樣，采樣管線為1/4″特氟龍管，因?yàn)橐獪y(cè)試NH3，管線需鋪設(shè)加熱帶，保持氣體不冷凝，盡量防止NH3和水汽作用。
針對(duì)該技術(shù)普瑞億科從2009年開始為不同需求的客戶定制開發(fā)對(duì)應(yīng)產(chǎn)品，已具有10余年的經(jīng)驗(yàn)。為國內(nèi)多所科研院所、高校提供不下30套產(chǎn)品，涵蓋森林、農(nóng)田、草原、城市等不同生態(tài)系統(tǒng)。
該采樣技術(shù)（專利號(hào)：202021501088.2）是基于氣體擴(kuò)散傳輸，能夠適于任何痕量氣體。采用半滲透膜技術(shù)，只允許目標(biāo)氣體通過滲透膜進(jìn)入采樣管路。實(shí)驗(yàn)前將管路埋入土壤剖面，等待一周的時(shí)間讓土壤沉降恢復(fù)，后期取樣對(duì)土壤無擾動(dòng)，無破壞。因?yàn)橥寥琅欧艢怏w量非常少，我們需要引入稀釋模塊對(duì)采集的氣體進(jìn)行自動(dòng)稀釋。稀釋的目的有2個(gè)：一是獲得足夠測(cè)量的氣體量；二是土壤中的CO2氣體濃度比大氣高出10倍以上（大氣中CO2濃度約為400ppm，土壤中濃度可達(dá)4000到幾萬ppm），超出了分析儀的測(cè)量范圍，需要稀釋以滿足其測(cè)量。半透膜管的氣體擴(kuò)散有效性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用N2O、CO2和CH4確定。
針對(duì)該技術(shù)普瑞億科從2016年開始作為國家重大儀器項(xiàng)目研制組課題參與成員，負(fù)責(zé)地下廓線系統(tǒng)的開發(fā)和研制。目前設(shè)備已經(jīng)安裝至項(xiàng)目研究地點(diǎn)，運(yùn)行1年多，獲得地理所實(shí)施監(jiān)測(cè)的老師的認(rèn)可。
界面通量一般提供明暗兩種呼吸室。暗室主要用來測(cè)試土壤呼吸，因?yàn)闊o光進(jìn)入，在黑暗環(huán)境中，測(cè)量的是植物、土壤、土壤動(dòng)物和土壤微生物等的呼吸釋放。采用了獨(dú)特的動(dòng)壓平衡設(shè)計(jì)（專利號(hào)：ZL201420354126.4），有效減少了風(fēng)對(duì)氣體濃度的擾動(dòng)。透明呼吸室（專利號(hào)：ZL202010450149.5）主要用來進(jìn)行同化作用測(cè)定，透明呼吸室采用高透光性的材料，透光率≥90%，內(nèi)部往往倒扣有植物，因?yàn)橛泄獾膮⑴c，同一時(shí)間既有植物的光合作用，也有植物、土壤、土壤動(dòng)物和土壤微生物等的呼吸釋放，是一種綜合作用的結(jié)果。
由明暗葉室和分析儀之間構(gòu)成閉路循環(huán)，測(cè)定氣路中的CO2、CH4、NH3、N2O和H2O氣體濃度。該技術(shù)研發(fā)從2011年開始，至今已經(jīng)有10余年的歷史。在設(shè)備使用過程中，我們遇到不同的要求和挑戰(zhàn)，設(shè)備也在不斷的迭代。目前設(shè)備安裝地點(diǎn)有：長白山森林，青藏高原，山東農(nóng)大試驗(yàn)田，新疆石河子大學(xué)試驗(yàn)站，千煙洲，貢嘎山，廈門大學(xué)濕地試驗(yàn)站，青海濕地保護(hù)區(qū)等?；緦儆跓o人值守長期監(jiān)測(cè)應(yīng)用。
分析儀本身只有一個(gè)進(jìn)氣口，因此，多通道復(fù)路系統(tǒng)的作用就是將地上、地下廓線和明暗葉室采集的氣體按設(shè)定順序和工作間隔送入主機(jī)進(jìn)行測(cè)試。
多通道復(fù)路技術(shù)（專利號(hào)：ZL201810968150.X）主要配合地上地下和界面采樣系統(tǒng)，因此也有10余年的歷史。該產(chǎn)品也經(jīng)歷過2次技術(shù)更新，適應(yīng)各種嚴(yán)酷條件，可長期野外無故障運(yùn)行。
氣體濃度測(cè)量設(shè)備為法國AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O氣體分析儀，能同步測(cè)量這五種組分的氣體濃度。主要采用專利的紅外激光反饋技術(shù)OFCEAS（專利號(hào)：WO03031949）和低壓采樣技術(shù)LPS（專利號(hào)：WO2010058107）進(jìn)行測(cè)量。
渦度相關(guān)測(cè)量設(shè)備為瑞士MIRO公司 MGA5-Flux系列測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)可高頻（10 Hz）采集監(jiān)測(cè)CO2 CH4 N2O NH3 H2O五組分氣體濃度，同時(shí)集成三維超聲風(fēng)速。所有數(shù)據(jù)整合通過主機(jī)自主完成。分析儀可通過有線或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并具有主機(jī)遠(yuǎn)程自主報(bào)錯(cuò)提醒功能，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，最大限度滿足科研需要。
PRI-ECO獨(dú)立開發(fā)的Prieco-loT云平臺(tái)，可實(shí)時(shí)采集各站點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可通過手機(jī)、PC等多終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看與收取、實(shí)時(shí)畫面監(jiān)控以及自動(dòng)生成報(bào)表等。全局把控，隨時(shí)訪問，統(tǒng)一管理。
整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地上地下廓線系統(tǒng)、渦度相關(guān)系統(tǒng)和界面通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三部分組成。這三部分可整體布局，也可分開各自布局，根據(jù)研究方向而定。
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渦度相關(guān)系統(tǒng) 包含MIRO MGA-flux渦度相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)和Gill WindMaster( Pro）三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀。
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地上地下廓線系統(tǒng) 包含AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O分析儀，PRI-8400地下閉路連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)，PRI-8500大氣廓線分析系統(tǒng)和Warden土壤水分、溫度、鹽分測(cè)量系統(tǒng)。
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界面通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 包含AP2E ProCeas CO2 CH4 N2O NH3 H2O分析儀，PRI-8600多通道土壤呼吸（群落光合）測(cè)量系統(tǒng)
今天與大家分享了關(guān)于CO2 CH4 N2O NH3 H2O 氣體地上地下立體觀測(cè)方案，更多關(guān)于生態(tài)觀測(cè)的新技術(shù)與新應(yīng)用的方案分享，歡迎大家移步至中國生態(tài)大講堂2021春季研討會(huì)專題報(bào)告——
報(bào)告詳盡地展示了如何利用新技術(shù)更加精準(zhǔn)高效地進(jìn)行生態(tài)觀測(cè)研究以及全新觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方案分享。
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