应用案例

Picarro G2201-i（原位测量CO₂和CH₄稳定碳同位素与土壤通量）

发表时间：2024-04-17

浏览量：193

点击

关注我们FOLLOW US

摘要

Abstract

二氧化碳 (CO₂) 和甲烷 (CH₄) 的碳稳定同位素测量往往有助于了解土壤气体通量产生的来源和机制，人们常常测量。举例来说，CO₂的同位素可用来确定植物根部和微生物产生的 CO₂ 对土壤总CO₂ 通量的贡献。或者，在光合途径已经从碳三 (C3) 转变为碳四 (C4) 或过程相反的体系中 (图1a)，可以运用同位素示踪技术来确定源自每个途径的碳对土壤总呼吸的相对贡献。同样，甲烷稳定同位素可用来区分土壤气体通量 (图1b) 的生物来源与地质来源，还可以用来检验甲烷的产生与氧化机制。

本应用文章简要介绍了Picarro G2201-i&ensp;CO₂ 和 CH₄ 碳同位素分析仪的配置和使用，以便区分瑞典南部过渡农业实验中的C3和C4呼吸源。

图1(a) 在瑞典乌普萨拉市奥尔图纳 (Ultuna) 场地，将 eosAC 叶室与 Picarro G2201-i 进行耦合

图1(b) 在黄石国家公园雏菊间歇泉（Daisy Geyser）附近测量碳同位素

cen-sun

样品处理

Sample processing

配有A0702循环泵的 Picarro G2201-i&ensp;的标称流量为25标准毫升每分钟(sccm)，并且经过优化，能够实现基于再循环的测量。由于流量较低，因此必须考虑腔室测量所需的总传输时间和混合时间。下表 1中显示了将样品输送到分析仪中所需的最短估计时间 (根据管道长度)。

表1 将气体输送至 G2201-i 分析仪的标称传输时间，假设管道内径为 3.175 毫米 (⅛ 英寸) 并且采用 Picarro A0702 再循环泵

由于所需的最短传输时间较长，因此用户使用了次级泵来加速取样过程。Eosense 建议采用一款专为再循环应用而设计、标称流量小于1标准升每分钟 (SLPM, 1000sccm) 的泵。图2显示了系统中次极泵的配置。

图 2 子循环系统的示例图，采用次级泵来加速 eosMX 至 G2201-i分析仪的流量。系统总流量是 Picarro 泵流量和次级泵流量的总和

cen-sun

野外场地与系统配置

Field Site and System Configuration

长期野外实验位于瑞典乌普萨拉市，实验样地在制定实验性试验之前已在农业领域 (主要是C3作物) 种植使用了至少300年。启动实验性试验的目的是研究各种有机改良剂(无论是否施氮肥)对土壤肥力的影响。自1956 年至1999年间，该场地主要种植春大麦、燕麦、油菜、甜菜、芥菜和萝卜等C3一年生作物。这些 C3 作物的平均δ¹³C特征值为−28.0&permil;。1999 年的土壤δ¹³C特征值约为−26.6&permil;。2000年，C3作物被C4青贮玉米所取代，根部δ¹³C 特征值为−12.5&permil;。由于土壤有机碳含量较低，因此该场地的二氧化碳通量率普遍较低。

为监测CO₂、CH₄气体通量以及其同位素组成，现场安装了Picarro G2201-i以及12个与eosMX 多路复路系统相耦合的eosAC自动土壤通量叶室。每个叶室采用四种肥料 (未施肥、硝酸钙、硫酸铵、氰氨化钙) 的其中一种进行处理，每次施肥处理都进行三次重复的叶室测量。使用30 m的PTFE管将腔室与系统进行耦合，系统吹扫与气体传输时间大约为5 - 6分钟。对于该实验，每个腔室闭合的时长共计15分钟，以便积聚足量的气体。运用 eosAnalyze-AC 软件以及CO₂ 和CH₄ 同位素的Keeling图来处理数据，该软件能够生成线性通量估计值和指数通量估计值。

cen-sun

特征通量与同位素数据

Data

下文图3显示了来自单个叶室闭合的两个浓度曲线。Picarro G2201-i 分析仪的高精度与数据收集的高时间分辨率意味着，数据的线性拟合和指数拟合都非常稳健。另外，对于Ultuna野外场地，我们观察到了大气中的 CO₂ 排放和土壤中的 CH₄吸收；该场地具有典型的排水良好的农业土壤。图4显示了运用 eosAnalyze-AC 软件来执行CO₂Keeling 图分析的示例。

图 3 摘自 eosAnalyze-AC 软件的 CO₂ 排放曲线（左）和 CH₄ 吸收曲线（右）示例

图 4 CO₂ 同位素 Keeling 图显示土壤 CO₂ 通量的估计 δ¹³C 同位素值为-21.8&permil;

cen-sun

结论

Conclusion

将 Picarro G2201-i、eosMX复路系统和eosAC自动腔室系统结合使用，可以确定施肥处理中CO₂和CH₄通量的差异。运用 Keeling 图分析，实时确定了土壤呼吸的CO₂同位素组成。通过对数据运用简单线性混合模式，估计出土壤总呼吸中 C3 和 C4 碳的比例，以及该比例在施肥处理地块之间的变化情况。这些碳同位素测量值将用来确定 Ultuna土壤经过施肥处理所产生的“老碳”（来自 C3 植物）和“新碳”（C4 植物）的呼吸损失，这将有助于研究人员了解如何改善农业土壤的长期肥力。

cen-sun

- END -

参考文献

Shahbaz et al. (2019), Science of the Total Environment,658, 1539-1548.Hartmann et al. (2011), Plant & Soil, 342, 265-275.

如果希望进一步了解以上案例的仪器信息以及更多的应用方向，欢迎与我们联系讨论：

Email:

james@cen-sun.com

+86-

chenxf@cen-sun.com

+86-