激光配合自動箱用于森林土壤樹δ13C通量測量

量子級聯(lián)激光光譜儀配合自動箱用于森林土壤、樹干和樹根δ¹³C通量的測量

文獻(xiàn)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.

文獻(xiàn)摘要：
激光光譜學(xué)的最新進(jìn)展使人們能夠?qū)崟r測量二氧化碳中的¹³C/¹²C同位素比值，從而為研究自然生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)提供了新的途徑。在這項研究中，我們將Aerodyne量子級聯(lián)式CO₂同位素光譜儀與LI-COR LI-8100A/8150自動箱系統(tǒng)相結(jié)合，在密閉自動箱測量二氧化碳的δ¹³C。
應(yīng)用Keeling plot方法測定了每個測量室的二氧化碳流量的同位素組成。我們發(fā)現(xiàn)激光光譜儀測得的δ¹³C受到樣品空氣中的水蒸氣和CO₂濃度的影響，我們開發(fā)了一種方法來校正這些元素，以獲得精確的δ¹³C測量值，與水蒸氣校正的2.1‰相比，修正二氧化碳濃度使Keeling plot方法測定的δ¹³C增加了3.4‰。
在丹麥山毛櫸林進(jìn)行為期兩個月的試驗(yàn)，我們使用該組合系統(tǒng)每兩小時自動測量一次完整土壤、挖溝土壤（排除根系）、樹干和粗根中的CO₂通量的δ¹³C。完整土樣地的平均δ¹³C為-29.8±0.32‰，與挖溝土樣地的平均δ¹³C為-29.8±1.2‰相似。根區(qū)δ¹³C最低，平均值為-32.6±0.78‰。樹干的平均δ¹³C為-30.2±0.74‰，與土壤樣地的平均δ¹³C相似。總之，該研究顯示了使用量子級聯(lián)激光光譜儀在自動箱進(jìn)行自動測量過程中，測量CO₂的δ¹³C的潛力，從而允許在高時間分辨率下測量同位素生態(tài)系統(tǒng)CO₂通量。它還強(qiáng)調(diào)了適當(dāng)修正樣品空氣中水蒸氣和二氧化碳濃度的交叉敏感性以獲得準(zhǔn)確測量δ¹³C的重要性。

文獻(xiàn)監(jiān)測方案：
這項活動中，系統(tǒng)是在一個重復(fù)的自動兩小時循環(huán)中設(shè)置的，在此期間，對完整土壤、挖溝土壤、粗樹根和樹干室進(jìn)行測量，然后校準(zhǔn)QCL系統(tǒng)。試驗(yàn)箱封閉時間設(shè)為5分鐘，預(yù)吹掃和后吹掃均設(shè)為40秒。在每個兩小時測量周期的最后12分鐘內(nèi)，對QCL系統(tǒng)進(jìn)行自動校準(zhǔn)。使用50L氣瓶提供的大氣樣本進(jìn)行校準(zhǔn)。在哥本哈根大學(xué)土壤、植物和空氣中穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室，IRMS（gasbbench in continuous flow mode with a Delta V PLUS，Thermo Scientific，Bremen，Germany）測定了校準(zhǔn)氣體的δ¹³C。二氧化碳濃度在390到410ppm之間。校準(zhǔn)氣瓶通過三通電磁閥與激光進(jìn)氣管相連。在正常的氣室測量過程中，來自氣瓶的閥門是關(guān)閉的，因此在QCL系統(tǒng)Li-8100A/8150之間保持閉環(huán)。在校準(zhǔn)過程中，閥門切換，使得來自鋼瓶的氣體被引導(dǎo)到QCL系統(tǒng)入口。此外，在QCL系統(tǒng)入口之前，T形三通中的常閉單向電磁閥也打開。這就打開了閉合回路，并提供了來自氣瓶的任何進(jìn)入氣體的溢出。閥門的開啟和關(guān)閉時間由QCL系統(tǒng)TDL Wintel軟件（版本14.92，Aerodyne Research Inc.，Billerica，MA，USA）控制。將校準(zhǔn)的前80 s設(shè)置為沖洗時間，隨后20 s用于獲取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。隨后，閥門恢復(fù)正常運(yùn)行，新的兩小時循環(huán)可能開始。為了準(zhǔn)確無偏地測量δ¹³C，測定了樣品水蒸氣和二氧化碳絕對濃度對測量δ¹³C的影響。QCL系統(tǒng)不能測量空氣中的水蒸氣含量。因此，我們將LI-7000紅外氣體分析儀（美國東北林肯市LI-COR Environmental）連接到QCL系統(tǒng)的出口，以測量水蒸氣濃度。

儀器布設(shè)
如圖：QCL系統(tǒng)被放置在森林中一個有空調(diào)的小屋里，溫度保持在20℃不變，而LI-8100A/8150則被放置在木屋外10米處。QCL系統(tǒng)單元中的壓力保持在低于環(huán)境壓力（在本例中為30托，由QCL系統(tǒng)閥通過流量控制器控制），而LI-8100A/8150中的壓力保持在環(huán)境壓力下。Pfeiffer真空MVP 070-3泵（Pfeiffer Vacuum GmbH）連接至QCL系統(tǒng)出口，該系統(tǒng)以1.0 L min−1的流速通過QCL系統(tǒng)吸入空氣，即略低于LI-8100A和LI-8150之間的標(biāo)稱流量。將Pfeiffer泵和QCL系統(tǒng)被放置在機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙內(nèi)的CO2濃度很高（≈1000 ppm）。如果系統(tǒng)泄漏，這將導(dǎo)致系統(tǒng)中二氧化碳濃度隨時間增加。在仔細(xì)安裝和擰緊進(jìn)出泵的管接頭后，系統(tǒng)中的環(huán)境二氧化碳濃度保持恒定，表明系統(tǒng)無泄漏。
測量土壤、根和樹干呼吸的儀器布設(shè)：
利用LI-8100A自動土壤二氧化碳排放系統(tǒng)對每個室進(jìn)行自動連續(xù)測量。八個4L不透明土壤室分別測量直徑為20cm的圓形土壤項圈（永久插入土壤中4cm）的土壤CO2通量。土壤項圈含有土壤和凋落物，但不含地上植物部分。其中三個土壤室是8100-101個長期二氧化碳排放室，五個是8100-104個長期二氧化碳排放室。2016年4月6日進(jìn)行了挖溝，以消除自養(yǎng)根呼吸對四個地塊總土壤的貢獻(xiàn)。圍繞八個土壤室中的四個，用鐵鍬將土壤垂直切割到25cm的深度。大塊根用鋸子切割。為了防止根隨著時間的推移而長出，每月進(jìn)行一次重新開溝。根和莖呼吸分別用兩個定制的根室和兩個定制的干室進(jìn)行測量。根室由透明丙烯酸的玻璃制成，圓柱形，內(nèi)長24cm，內(nèi)徑7cm，體積923cm³。這些腔室于2015年6月安裝。對于每個腔室，將直徑約0.5 cm的粗根在5–10 cm的深度小心暴露，并用自來水沖洗。圓筒由兩半組成，這樣根部就可以完整地封閉在腔室中。隨后，這些腔室被泥土覆蓋。干室呈圓柱形，由不透明聚丙烯制成，內(nèi)徑為15cm，內(nèi)部高度為10厘米，體積為1757cm²。

數(shù)據(jù)采集方式及頻率：
該組合系統(tǒng)每兩小時自動測量一次完整土壤、挖溝土壤（排除根系）、樹干和粗根中的CO₂通量的δ¹³C。

結(jié)論：
1.在水蒸氣校正方面，四種樣地之間只有微小的差異。與此相反，CO2濃度相關(guān)性校正對莖測量的影響最大，其次是完整土壤、溝渠土壤和根系，測得的δ¹³C分別增加了4.1%、3.3%、3.1%和2.9%o。
2.根據(jù)水蒸氣校正（表1），Keeling plot的坡度沒有變化。這與CO2濃度相關(guān)性校正形成對比，后者平均將斜率降低了14.9%（從9588±1325降至8164±1329）。莖室減少幅度最大，其次是完整土、溝土和根室，分別減少了18.3%、15.1%、14.0%和11.5%。
3.完整土樣地的平均δ¹³C為-29.8±0.32‰，與挖溝土樣地的平均δ¹³C為-29.8±1.2‰相似。根區(qū)δ¹³C最低，平均值為-32.6±0.78‰。樹干的平均δ¹³C為-30.2±0.74‰，與土壤樣地的平均δ¹³C相似。

有關(guān)Aerodyne儀器優(yōu)勢：
1.Aerodyne量子級聯(lián)激光光譜儀可以與LI-8100A/8150自動箱系統(tǒng)成功結(jié)合使用；
2.在自然森林生態(tài)系統(tǒng)條件下部署該系統(tǒng)，可獲得樹干、樹根、完整土壤和溝渠土壤的室內(nèi)二氧化碳通量δ¹³C的高頻測量結(jié)果；
3.可量化取決于樣品空氣中水蒸氣的測量δ¹³C以及在室內(nèi)測量期間變化的CO2濃度，來獲得準(zhǔn)確的δ¹³C測量值。