應(yīng)用案例
點擊
關(guān)注我們FOLLOW US
摘要
Abstract
二氧化碳 (CO2) 和甲烷 (CH4) 的碳穩(wěn)定同位素測量往往有助于了解土壤氣體通量產(chǎn)生的來源和機制,人們常常測量。舉例來說,CO2的同位素可用來確定植物根部和微生物產(chǎn)生的 CO2 對土壤總CO2 通量的貢獻?;蛘撸诠夂贤緩揭呀?jīng)從碳三 (C3) 轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓?(C4) 或過程相反的體系中 (圖1a),可以運用同位素示蹤技術(shù)來確定源自每個途徑的碳對土壤總呼吸的相對貢獻。同樣,甲烷穩(wěn)定同位素可用來區(qū)分土壤氣體通量 (圖1b) 的生物來源與地質(zhì)來源,還可以用來檢驗甲烷的產(chǎn)生與氧化機制。
本應(yīng)用文章簡要介紹了Picarro G2201-i CO2 和 CH4 碳同位素分析儀的配置和使用,以便區(qū)分瑞典南部過渡農(nóng)業(yè)實驗中的C3和C4呼吸源。
圖1(a) 在瑞典烏普薩拉市奧爾圖納 (Ultuna) 場地,將 eosAC 葉室與 Picarro G2201-i 進行耦合
圖1(b) 在黃石國家公園雛菊間歇泉(Daisy Geyser)附近測量碳同位素
cen-sun
樣品處理
Sample processing
配有A0702循環(huán)泵的 Picarro G2201-i 的標(biāo)稱流量為25標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘(sccm),并且經(jīng)過優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)基于再循環(huán)的測量。由于流量較低,因此必須考慮腔室測量所需的總傳輸時間和混合時間。下表 1中顯示了將樣品輸送到分析儀中所需的最短估計時間 (根據(jù)管道長度)。
表1 將氣體輸送至 G2201-i 分析儀的標(biāo)稱傳輸時間,假設(shè)管道內(nèi)徑為 3.175 毫米 (? 英寸) 并且采用 Picarro A0702 再循環(huán)泵
由于所需的最短傳輸時間較長,因此用戶使用了次級泵來加速取樣過程。Eosense 建議采用一款專為再循環(huán)應(yīng)用而設(shè)計、標(biāo)稱流量小于1標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘 (SLPM, 1000sccm) 的泵。圖2顯示了系統(tǒng)中次極泵的配置。
圖 2 子循環(huán)系統(tǒng)的示例圖,采用次級泵來加速 eosMX 至 G2201-i分析儀的流量。系統(tǒng)總流量是 Picarro 泵流量和次級泵流量的總和
cen-sun
野外場地與系統(tǒng)配置
Field Site and System Configuration
長期野外實驗位于瑞典烏普薩拉市,實驗樣地在制定實驗性試驗之前已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 (主要是C3作物) 種植使用了至少300年。啟動實驗性試驗的目的是研究各種有機改良劑(無論是否施氮肥)對土壤肥力的影響。自1956 年至1999年間,該場地主要種植春大麥、燕麥、油菜、甜菜、芥菜和蘿卜等C3一年生作物。這些 C3 作物的平均δ13C特征值為−28.0‰。1999 年的土壤δ13C特征值約為−26.6‰。2000年,C3作物被C4青貯玉米所取代,根部δ13C 特征值為−12.5‰。由于土壤有機碳含量較低,因此該場地的二氧化碳通量率普遍較低。
為監(jiān)測CO2、CH4氣體通量以及其同位素組成,現(xiàn)場安裝了Picarro G2201-i以及12個與eosMX 多路復(fù)路系統(tǒng)相耦合的eosAC自動土壤通量葉室。每個葉室采用四種肥料 (未施肥、硝酸鈣、硫酸銨、氰氨化鈣) 的其中一種進行處理,每次施肥處理都進行三次重復(fù)的葉室測量。使用30 m的PTFE管將腔室與系統(tǒng)進行耦合,系統(tǒng)吹掃與氣體傳輸時間大約為5 - 6分鐘。對于該實驗,每個腔室閉合的時長共計15分鐘,以便積聚足量的氣體。運用 eosAnalyze-AC 軟件以及CO2 和CH4 同位素的Keeling圖來處理數(shù)據(jù),該軟件能夠生成線性通量估計值和指數(shù)通量估計值。
cen-sun
特征通量與同位素數(shù)據(jù)
Data
下文圖3顯示了來自單個葉室閉合的兩個濃度曲線。Picarro G2201-i 分析儀的高精度與數(shù)據(jù)收集的高時間分辨率意味著,數(shù)據(jù)的線性擬合和指數(shù)擬合都非常穩(wěn)健。另外,對于Ultuna野外場地,我們觀察到了大氣中的 CO2 排放和土壤中的 CH4吸收;該場地具有典型的排水良好的農(nóng)業(yè)土壤。圖4顯示了運用 eosAnalyze-AC 軟件來執(zhí)行CO2Keeling 圖分析的示例。
圖 3 摘自 eosAnalyze-AC 軟件的 CO2 排放曲線(左)和 CH4 吸收曲線(右)示例
圖 4 CO2 同位素 Keeling 圖顯示土壤 CO2 通量的估計 δ13C 同位素值為-21.8‰
cen-sun
結(jié)論
Conclusion
將 Picarro G2201-i、eosMX復(fù)路系統(tǒng)和eosAC自動腔室系統(tǒng)結(jié)合使用,可以確定施肥處理中CO2和CH4通量的差異。運用 Keeling 圖分析,實時確定了土壤呼吸的CO2同位素組成。通過對數(shù)據(jù)運用簡單線性混合模式,估計出土壤總呼吸中 C3 和 C4 碳的比例,以及該比例在施肥處理地塊之間的變化情況。這些碳同位素測量值將用來確定 Ultuna土壤經(jīng)過施肥處理所產(chǎn)生的“老碳”(來自 C3 植物)和“新碳”(C4 植物)的呼吸損失,這將有助于研究人員了解如何改善農(nóng)業(yè)土壤的長期肥力。
cen-sun
- END -
參考文獻
Shahbaz et al. (2019), Science of the Total Environment,658, 1539-1548.Hartmann et al. (2011), Plant & Soil, 342, 265-275.
如果希望進一步了解以上案例的儀器信息以及更多的應(yīng)用方向,歡迎與我們聯(lián)系討論:
Email:
james@cen-sun.com
+86-
chenxf@cen-sun.com
+86-