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。同時(shí)相應(yīng)溫室氣體穩(wěn)定同位素信號(hào)則能為此提供的示蹤信息, 是一個(gè)重要的研究手段。微氣象學(xué)方法是觀測溫室氣體及其穩(wěn)定同位素通量的重要方法。該方法主要的優(yōu)勢是可以進(jìn)行原位無干擾的連續(xù)觀測,而且在單點(diǎn)上觀測的通量信號(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。

文獻(xiàn)研究內(nèi)容：

    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(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2014)。

根據(jù)渦度相關(guān)法的基本原理,需要對(duì)觀測的目標(biāo)氣體進(jìn)行高頻采樣(≥10 Hz), 當(dāng)前的科技可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CO₂、CH₄、   N₂O、水汽濃度較為穩(wěn)定的高頻觀測,而且有比較完備的渦度相關(guān)系統(tǒng)可供使用。  

通量梯度法成功應(yīng)用的前提條件是目標(biāo)氣體和同位素濃度梯度的準(zhǔn)確觀測。要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室氣體及其穩(wěn)定同位素濃度梯度的準(zhǔn)確觀測, 對(duì)氣體分析儀和采樣系統(tǒng)有如下要求: 首先, 分析儀的準(zhǔn)度足夠高, 能夠準(zhǔn)確觀測溫室氣體及穩(wěn)定同位素的濃度; 分析儀的精度足夠高, 能夠明確分辨出兩個(gè)高度上溫室氣體及穩(wěn)定同位素濃度的微小差異。其次, 采樣系統(tǒng)的響應(yīng)更新時(shí)間足夠快, 分析儀能夠在很短的時(shí)間內(nèi)在上下進(jìn)氣口之間完成切換, 以確保上下進(jìn)氣口觀測到的是同一個(gè)空氣團(tuán)的特性。

主要研究結(jié)果：

1、 森林生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

通量梯度法被用于森林生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測,特別是在通量信號(hào)較弱的情況下觀測結(jié)果較好。Simpson等(1997)在加拿大薩斯克徹溫省采用TDLAS技術(shù)結(jié)合FG方法,對(duì)寒帶針闊混交林的CH4和N2O通量進(jìn)行了連續(xù)5個(gè)月的觀測,捕捉到了微弱的CH4和N2O排放信號(hào),作者在文中提到對(duì)于寒帶針闊混交林中較弱的溫室氣體通量信號(hào),為了準(zhǔn)確估計(jì)其通量值,要求觀測方法能夠捕捉所有攜帶通量成分的湍流渦,特別是對(duì)低頻成分的捕捉,其低頻噪聲信號(hào)可能會(huì)淹沒真實(shí)的小通量信號(hào),因而相比EC方法,作者使用的FG系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同進(jìn)氣口之間的快速切換(切換時(shí)間4 s),進(jìn)而起到了高通濾波的作用,降低了低頻噪聲,因此可以更有效地捕捉到小通量信號(hào)。

2、 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

     對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),通量梯度法被用于觀測CO2、CH4和N2O通量。對(duì)于CO2通量,最直接的觀測方法就是渦度相關(guān)法,但是該方法在夜間大氣湍流較弱的情況下觀測效果不理想,也就是觀測土壤和植被呼吸通量存在較大的不確定性(Baldocchi,2014),在這種情況下,FG法能夠提供很好的補(bǔ)充和校正。    基于FG方法的原位長期連續(xù)高精度觀測, 更有助于分析稻田或其他作物在不同生長階段以及管理措施對(duì)溫室氣體通量變化的影響。Simpson等(1995)利用TDLAS技術(shù)結(jié)合FG方法對(duì)灌溉水稻田的CH4通量進(jìn)行了觀測,分析了在水稻不同生長階段CH4排放的變化特征以及影響因子。

3、 草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

對(duì)于濕地/草地生態(tài)系統(tǒng),通量梯度法比傳統(tǒng)的箱式通量法(簡稱箱式法)具有明顯優(yōu)勢。相比其他生態(tài)系統(tǒng),草地和泥炭地下墊面的風(fēng)浪區(qū)更廣且相對(duì)更為均一, 能夠滿足MBR模型中對(duì)于參考?xì)怏w和目標(biāo)氣體源匯均一分布的假設(shè), 因此研究者們也常將EC和FG方法連用。對(duì)于EC和FG方法同步觀測的研究, Laubach等(2016)采用通量梯度法和夜間存儲(chǔ)比法觀測草地上的CH4和N2O通量; Karlsson (2017)利用EC和FG方法對(duì)北方泥炭地的CO2通量進(jìn)行了同步觀測,發(fā)現(xiàn)兩者之間具有較好的一致性。

4、 水體生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量觀測

     近年來,隨著測量技術(shù)的發(fā)展和K參數(shù)理論的進(jìn)一步深入研究,FG方法的應(yīng)用已不僅限于陸地生態(tài)系統(tǒng),研究者們將其應(yīng)用于水體生態(tài)系統(tǒng),已成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2、H2O和CH4等溫室氣體通量的觀測，如在G?rdsj?n湖(Meyers et al., 1996)和海貍池塘(Roulet et al., 1997)進(jìn)行的CO2、H2O和CH4通量觀測等。  

5、 溫室氣體穩(wěn)定同位素通量的觀測

     對(duì)于13C-CO2通量同位素比來說, 通量梯度法主要被用于觀測非生長季農(nóng)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 者觀測森 林 內(nèi)地面上 的13C-CO2 和 18O-CO2 通量同位素比 (Santos et al. 2012)。

北京澳作生態(tài)儀器有限公司的Aerodyne、AZG-300氣體分析儀在EC/FG兩種研究方法中可以靈活應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線穩(wěn)定測量溫室氣體以及穩(wěn)定同位素通量的測量，使用戶得到滿意的測量效果….