G4301便攜式溫室氣體分析儀在高海拔地區測定土壤甲烷通量

　　甲烷(CH₄)是一種強效的溫室氣體，在大氣中的濃度在一定程度上受土壤微生物生理過程的調節。加拿大埃德蒙頓阿爾伯塔大學Leanne L. Chai等學者*對páramo新熱帶高山區 (哥斯達黎加Chirripó國家公園)的CH₄通量進行了測量，并考察了這些通量在旱季至雨季期間與地形、土壤濕度和植被的關系。

　　溫室氣體分析儀是一種用于生物學、農學、林學領域的分析儀器。

　　溫室氣體分析儀系統主要包含分析主機、樣品選擇模塊和壓力和流量控制模塊。

　　分析主機：主要用于高精度分析不同樣品的CO2、CH4、CO、H2O濃度，并顯示分析不同樣品的濃度。

　　樣品選擇模塊：主要功能為選擇環境空氣或標氣，進入系統分析。

　　壓力和流量控制模塊：主要功能為控制進氣流量，使不同支路進入儀器氣體流量一致。

　　此外，數據可以通過數字信號（RS232）、模擬信號或以太網實時發送給其他數據采集器。

哥斯達黎加Chirripó國家公園

儀器配置情況：

1、Picarro G4301 CO₂/CH₄便攜式高精度氣體分析儀

• 輕量級、超便攜、低能耗（內置可充電鋰電池，支持長8小時連續運行）
• ppb級高精度（1σ, 5分鐘均值）： CO₂ < 0.04ppm, CH₄ <0.3ppb

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2、自制呼吸室

實驗背景與方法：

實驗于哥斯達黎加Chirripó國家公園的Valle de Los Conejos研究基地內進行，樣地平均海拔3480米。根據植被類型和地形不同劃分為四個分區：(1)草本平原(Grassy Plain)，(2)高植平原 (Tall Chusquea Plain)，(3) 矮植斜坡(Short Chusquea Slope)，(4) 矮植高原(Short Chusquea Plateau)(圖1)。區內布置52個內徑5cm呼吸室底座，自制呼吸室高12cm。在2018年4月7日至11日連續5天內，每天進行兩次土壤通量測量(上午8:30至中午12:00，下午12:30至4:00)。

圖1.  位于哥斯達黎加Chirripó國家公園內的Conejos研究基地。(A) 研究地點界線和五種土壤剖面的位置(a - e)。(B) 區內共安裝了52個底座進行多次通量測量，包括6組等距底座組合，以研究 páramo 植被的鄰近優勢對土壤通量的影響，底座位置用圓圈表示。

實驗數據分析：

實驗期間獲得CH₄通量平均值為−53.1±29.6 (均值±SE)µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹(圖2)。其中草本平原區CH4通量大(-63.9 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹),顯著高于高植平原區(-51.2 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹) 和矮植斜坡區 (-50.8 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)，而矮植高原區CH₄通量(-56.6µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)同其他區域通量差異均不顯著(圖2)。

圖2.  (A)四個試驗區的甲烷通量，(C) 0 - 6cm表層土壤的體積含水量，小寫字母表示比較分組。

圖3.  土壤CH4通量隨土壤0-6cm含水量的變化規律。(A)所有通量-濕度測量數據擬合圖。(B)將通量-濕度數據根據土壤含水量分為五個等級擬合圖 (如圖所示，從10到60%);雙向誤差條為標準誤差;多項式擬合描述了明顯的曲線響應;小寫字母(a-d)表示根據五個水分等級劃分的通量顯著性分析(P < 0.001)。

在高植平地區的通量測試發現，Chusquea斑塊中心處通量(-101 µg CH4-C m−2hr−1)要顯著高于Chusquea斑塊外側的通量值(-52 µg CH4-C m−2hr−1)。而在矮植斜坡區內的矮 Chusquea植被則*沒有這種空間差異(圖7B)。

在評估遠離Chusquea植被的空間效應時，在高Chusquea植被(圖4C)和矮Chusquea植被(圖4D)之外的遠位置發現了顯著的干燥土壤條件。Chusquea植物下的土壤含水量通常比周圍以草為主區域的土壤高8-9%(圖4C和4D)。同樣地，在對離Chusquea植被中心不同距離處的氣溫、地面溫度(紅外線)和土壤溫度進行量化后，很明顯，地面溫度比空氣或土壤溫度對植被的存在更敏感。此外，矮Chusquea植被也表現出同樣的定向效應，盡管它并不顯著(圖4H)。

圖4.  (A, B) 甲烷通量 (C, D)土壤體積含水量和(E, F)土壤0-6cm表層溫度、(G, H)地表紅外溫度(I, J)空氣溫度。左側為高Chusquea斑塊平坦區，右側為的矮Chusquea斑塊斜坡區。小寫字母表示分組比較是基于Kruskal-Wallis和Dunn檢驗。

結論

páramo地區CH₄通量的關鍵驅動因素之一是土壤水分，而土壤水分終受植被、地形和土壤剖面排水屬性的空間變化調節。通過對不同土壤和植被分布的研究，揭示了沒有排水障礙的土層或有Chusquea植被覆蓋地方，與土壤濕潤、透氣少的地方相比，會更有利甲烷的吸收。

該研究是*對新熱帶高原páramo生態系統中的甲烷通量進行量化研究，表明這些阿爾卑斯地貌總體上充當了大氣中CH₄的一個重要碳匯。這些通量數據提供了中美洲帕拉莫雨季開始時的甲烷吸收率的時空快照，雨季是該生態系統中生物物理和生物地球化學劇烈變化的關鍵時期。未來的研究可以檢驗這些高山景觀中的CH₄通量在暴雨季節是如何響應的，以及當土壤過于濕潤時，它們是如何轉換成CH₄排放源的。   

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