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激光配合自动箱用于森林土壤树δ13C通量测量

2021.3.01

量子级联激光光谱仪配合自动箱用于森林土壤、树干和树根δ¹³C通量的测量

文献信息：
Brndholt, A., Ibrom, A., Ambus, P., Larsen, K. S., & Pilegaard, K. (2019). Combining a quantum cascade laser spectrometer with an automated closed-chamber system for δ13c measurements of forest soil, tree stem and tree root co2 fluxes. Forests, 10(5), 432. https://doi.org/10.3390/f10050432.

文献摘要：
激光光谱学的最新进展使人们能够实时测量二氧化碳中的¹³C/¹²C同位素比值，从而为研究自然生态系统中的碳循环提供了新的途径。在这项研究中，我们将Aerodyne量子级联式CO₂同位素光谱仪与LI-COR LI-8100A/8150自动箱系统相结合，在密闭自动箱测量二氧化碳的δ¹³C。
应用Keeling plot方法测定了每个测量室的二氧化碳流量的同位素组成。我们发现激光光谱仪测得的δ¹³C受到样品空气中的水蒸气和CO₂浓度的影响，我们开发了一种方法来校正这些元素，以获得精确的δ¹³C测量值，与水蒸气校正的2.1‰相比，修正二氧化碳浓度使Keeling plot方法测定的δ¹³C增加了3.4‰。
在丹麦山毛榉林进行为期两个月的试验，我们使用该组合系统每两小时自动测量一次完整土壤、挖沟土壤（排除根系）、树干和粗根中的CO₂通量的δ¹³C。完整土样地的平均δ¹³C为-29.8±0.32‰，与挖沟土样地的平均δ¹³C为-29.8±1.2‰相似。根区δ¹³C最低，平均值为-32.6±0.78‰。树干的平均δ¹³C为-30.2±0.74‰，与土壤样地的平均δ¹³C相似。总之，该研究显示了使用量子级联激光光谱仪在自动箱进行自动测量过程中，测量CO₂的δ¹³C的潜力，从而允许在高时间分辨率下测量同位素生态系统CO₂通量。它还强调了适当修正样品空气中水蒸气和二氧化碳浓度的交叉敏感性以获得准确测量δ¹³C的重要性。

文献监测方案：
这项活动中，系统是在一个重复的自动两小时循环中设置的，在此期间，对完整土壤、挖沟土壤、粗树根和树干室进行测量，然后校准QCL系统。试验箱封闭时间设为5分钟，预吹扫和后吹扫均设为40秒。在每个两小时测量周期的最后12分钟内，对QCL系统进行自动校准。使用50L气瓶提供的大气样本进行校准。在哥本哈根大学土壤、植物和空气中稳定同位素实验室，IRMS（gasbbench in continuous flow mode with a Delta V PLUS，Thermo Scientific，Bremen，Germany）测定了校准气体的δ¹³C。二氧化碳浓度在390到410ppm之间。校准气瓶通过三通电磁阀与激光进气管相连。在正常的气室测量过程中，来自气瓶的阀门是关闭的，因此在QCL系统Li-8100A/8150之间保持闭环。在校准过程中，阀门切换，使得来自钢瓶的气体被引导到QCL系统入口。此外，在QCL系统入口之前，T形三通中的常闭单向电磁阀也打开。这就打开了闭合回路，并提供了来自气瓶的任何进入气体的溢出。阀门的开启和关闭时间由QCL系统TDL Wintel软件（版本14.92，Aerodyne Research Inc.，Billerica，MA，USA）控制。将校准的前80 s设置为冲洗时间，随后20 s用于获取校准数据。随后，阀门恢复正常运行，新的两小时循环可能开始。为了准确无偏地测量δ¹³C，测定了样品水蒸气和二氧化碳绝对浓度对测量δ¹³C的影响。QCL系统不能测量空气中的水蒸气含量。因此，我们将LI-7000红外气体分析仪（美国东北林肯市LI-COR Environmental）连接到QCL系统的出口，以测量水蒸气浓度。

仪器布设
如图：QCL系统被放置在森林中一个有空调的小屋里，温度保持在20℃不变，而LI-8100A/8150则被放置在木屋外10米处。QCL系统单元中的压力保持在低于环境压力（在本例中为30托，由QCL系统阀通过流量控制器控制），而LI-8100A/8150中的压力保持在环境压力下。Pfeiffer真空MVP 070-3泵（Pfeiffer Vacuum GmbH）连接至QCL系统出口，该系统以1.0 L min−1的流速通过QCL系统吸入空气，即略低于LI-8100A和LI-8150之间的标称流量。将Pfeiffer泵和QCL系统被放置在机舱内，机舱内的CO2浓度很高（≈1000 ppm）。如果系统泄漏，这将导致系统中二氧化碳浓度随时间增加。在仔细安装和拧紧进出泵的管接头后，系统中的环境二氧化碳浓度保持恒定，表明系统无泄漏。

图1。QCL系统和Li-8100A/8150的设置。QCL系统和校准气瓶（标记为“CAL”）放置在森林间小屋内，LI-8100A和LI-8150放置在外部。在腔室测量过程中，设置与阀的位置一起显示。

测量土壤、根和树干呼吸的仪器布设：
利用LI-8100A自动土壤二氧化碳排放系统对每个室进行自动连续测量。八个4L不透明土壤室分别测量直径为20cm的圆形土壤项圈（永久插入土壤中4cm）的土壤CO2通量。土壤项圈含有土壤和凋落物，但不含地上植物部分。其中三个土壤室是8100-101个长期二氧化碳排放室，五个是8100-104个长期二氧化碳排放室。2016年4月6日进行了挖沟，以消除自养根呼吸对四个地块总土壤的贡献。围绕八个土壤室中的四个，用铁锹将土壤垂直切割到25cm的深度。大块根用锯子切割。为了防止根随着时间的推移而长出，每月进行一次重新开沟。根和茎呼吸分别用两个定制的根室和两个定制的干室进行测量。根室由透明丙烯酸的玻璃制成，圆柱形，内长24cm，内径7cm，体积923cm³。这些腔室于2015年6月安装。对于每个腔室，将直径约0.5 cm的粗根在5–10 cm的深度小心暴露，并用自来水冲洗。圆筒由两半组成，这样根部就可以完整地封闭在腔室中。随后，这些腔室被泥土覆盖。干室呈圆柱形，由不透明聚丙烯制成，内径为15cm，内部高度为10厘米，体积为1757cm²。

数据采集方式及频率：
该组合系统每两小时自动测量一次完整土壤、挖沟土壤（排除根系）、树干和粗根中的CO₂通量的δ¹³C。

结论：
1.在水蒸气校正方面，四种样地之间只有微小的差异。与此相反，CO2浓度相关性校正对茎测量的影响最大，其次是完整土壤、沟渠土壤和根系，测得的δ¹³C分别增加了4.1%、3.3%、3.1%和2.9%o。
2.根据水蒸气校正（表1），Keeling plot的坡度没有变化。这与CO2浓度相关性校正形成对比，后者平均将斜率降低了14.9%（从9588±1325降至8164±1329）。茎室减少幅度最大，其次是完整土、沟土和根室，分别减少了18.3%、15.1%、14.0%和11.5%。
3.完整土样地的平均δ¹³C为-29.8±0.32‰，与挖沟土样地的平均δ¹³C为-29.8±1.2‰相似。根区δ¹³C最低，平均值为-32.6±0.78‰。树干的平均δ¹³C为-30.2±0.74‰，与土壤样地的平均δ¹³C相似。

有关Aerodyne仪器优势：