G4301便携式温室气体分析仪在高海拔地区测定土壤甲烷通量

　　甲烷(CH₄)是一种强效的温室气体，在大气中的浓度在一定程度上受土壤微生物生理过程的调节。加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学Leanne L. Chai等学者*对páramo新热带高山区 (哥斯达黎加Chirripó国家公园)的CH₄通量进行了测量，并考察了这些通量在旱季至雨季期间与地形、土壤湿度和植被的关系。

　　温室气体分析仪是一种用于生物学、农学、林学领域的分析仪器。

　　温室气体分析仪系统主要包含分析主机、样品选择模块和压力和流量控制模块。

　　分析主机：主要用于高精度分析不同样品的CO2、CH4、CO、H2O浓度，并显示分析不同样品的浓度。

　　样品选择模块：主要功能为选择环境空气或标气，进入系统分析。

　　压力和流量控制模块：主要功能为控制进气流量，使不同支路进入仪器气体流量一致。

　　此外，数据可以通过数字信号（RS232）、模拟信号或以太网实时发送给其他数据采集器。

哥斯达黎加Chirripó国家公园

仪器配置情况：

1、Picarro G4301 CO₂/CH₄便携式高精度气体分析仪

• 轻量级、超便携、低能耗（内置可充电锂电池，支持长8小时连续运行）
• ppb级高精度（1σ, 5分钟均值）： CO₂ < 0.04ppm, CH₄ <0.3ppb

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2、自制呼吸室

实验背景与方法：

实验于哥斯达黎加Chirripó国家公园的Valle de Los Conejos研究基地内进行，样地平均海拔3480米。根据植被类型和地形不同划分为四个分区：(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)(图1)。区内布置52个内径5cm呼吸室底座，自制呼吸室高12cm。在2018年4月7日至11日连续5天内，每天进行两次土壤通量测量(上午8:30至中午12:00，下午12:30至4:00)。

图1.  位于哥斯达黎加Chirripó国家公园内的Conejos研究基地。(A) 研究地点界线和五种土壤剖面的位置(a - e)。(B) 区内共安装了52个底座进行多次通量测量，包括6组等距底座组合，以研究 páramo 植被的邻近优势对土壤通量的影响，底座位置用圆圈表示。

实验数据分析：

实验期间获得CH₄通量平均值为−53.1±29.6 (均值±SE)µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹(图2)。其中草本平原区CH4通量大(-63.9 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹),显著高于高植平原区(-51.2 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹) 和矮植斜坡区 (-50.8 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)，而矮植高原区CH₄通量(-56.6µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)同其他区域通量差异均不显著(图2)。

图2.  (A)四个试验区的甲烷通量，(C) 0 - 6cm表层土壤的体积含水量，小写字母表示比较分组。

图3.  土壤CH4通量随土壤0-6cm含水量的变化规律。(A)所有通量-湿度测量数据拟合图。(B)将通量-湿度数据根据土壤含水量分为五个等级拟合图 (如图所示，从10到60%);双向误差条为标准误差;多项式拟合描述了明显的曲线响应;小写字母(a-d)表示根据五个水分等级划分的通量显著性分析(P < 0.001)。

在高植平地区的通量测试发现，Chusquea斑块中心处通量(-101 µg CH4-C m−2hr−1)要显著高于Chusquea斑块外侧的通量值(-52 µg CH4-C m−2hr−1)。而在矮植斜坡区内的矮 Chusquea植被则*没有这种空间差异(图7B)。

在评估远离Chusquea植被的空间效应时，在高Chusquea植被(图4C)和矮Chusquea植被(图4D)之外的远位置发现了显著的干燥土壤条件。Chusquea植物下的土壤含水量通常比周围以草为主区域的土壤高8-9%(图4C和4D)。同样地，在对离Chusquea植被中心不同距离处的气温、地面温度(红外线)和土壤温度进行量化后，很明显，地面温度比空气或土壤温度对植被的存在更敏感。此外，矮Chusquea植被也表现出同样的定向效应，尽管它并不显著(图4H)。

图4.  (A, B) 甲烷通量 (C, D)土壤体积含水量和(E, F)土壤0-6cm表层温度、(G, H)地表红外温度(I, J)空气温度。左侧为高Chusquea斑块平坦区，右侧为的矮Chusquea斑块斜坡区。小写字母表示分组比较是基于Kruskal-Wallis和Dunn检验。

结论

páramo地区CH₄通量的关键驱动因素之一是土壤水分，而土壤水分终受植被、地形和土壤剖面排水属性的空间变化调节。通过对不同土壤和植被分布的研究，揭示了没有排水障碍的土层或有Chusquea植被覆盖地方，与土壤湿润、透气少的地方相比，会更有利甲烷的吸收。

该研究是*对新热带高原páramo生态系统中的甲烷通量进行量化研究，表明这些阿尔卑斯地貌总体上充当了大气中CH₄的一个重要碳汇。这些通量数据提供了中美洲帕拉莫雨季开始时的甲烷吸收率的时空快照，雨季是该生态系统中生物物理和生物地球化学剧烈变化的关键时期。未来的研究可以检验这些高山景观中的CH₄通量在暴雨季节是如何响应的，以及当土壤过于湿润时，它们是如何转换成CH₄排放源的。   

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