應用案例

Picarro G2508（多組分溫室氣體分析儀的新應用 ? 助力實現(xiàn)濱海濕地“降氮”和“固碳”兼得）

發(fā)表時間：2024-04-17

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華東師范大學唐劍武教授和陳雪初教授團隊，基于Picarro G2508 多組分溫室氣體分析儀同步監(jiān)測CO₂、CH₄、N₂O濃度變化、濕地反硝化速率，揭示“富營養(yǎng)化條件下濱海濕地中CH₄參與反硝化過程，進而實現(xiàn)同步降氮固碳”，研究成果于2021年12月13日在線發(fā)表在“Journal of Cleaner Production”期刊上（IF=9.297），楊華蕾副研究員為第一作者，陳雪初教授和唐劍武教授為通訊作者，張春松、趙明明、趙鑫盟同學參與本研究。本研究得到了國家自然科學基金（32101338, 42141016）、自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測與修復技術重點實驗室開放研究基金（MEMRT202119）、華師大幸福之花“生態(tài)+”等項目資助。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.130082

研究成果

濱海濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)緩沖區(qū)域，在全球碳氮循環(huán)中起著重要作用。近年來，由于人類活動加劇，導致近岸水體中氮負荷呈現(xiàn)逐年上升趨勢，大量氮素隨潮汐進入鹽沼濕地后，鹽沼濕地通過硝化-反硝化微生物作用、沉積物吸附、植物吸收等過程實現(xiàn)對污染水體的高效凈化。同時，鹽沼濕地由于較高的光合能力和較低的分解速率，具備很高的初級生產(chǎn)力和固碳能力，被認為是海岸帶藍碳生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。

然而，富營養(yǎng)化鹽沼濕地土壤中具有豐富的有機物并容易形成缺氧環(huán)境，為CH₄的產(chǎn)生創(chuàng)造了適宜的條件，被認為是重要的CH₄排放源。因此，過多的CH₄排放則會抵消其CO₂吸收作用。最近研究發(fā)現(xiàn)，鹽沼濕地存在反硝化型甲烷厭氧氧化（denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO）過程，即在厭氧條件下，CH₄可以作為以NO₃-/NO₂-為電子受體的反硝化過程的唯一碳源，生成N₂和CO₂，進而實現(xiàn)鹽沼濕地去氮。但CH₄排放與反硝化速率之間的原位相關性及其耦合機制仍不清楚。本文以杭州灣北岸鹽沼濕地為研究對象，研究了富營養(yǎng)化濱海濕地整個潮汐過程中的氮去除模式；使用高精度溫室氣體分析儀（Picarro-G2508，Picarro Inc.，USA）測量原位CH₄通量，量化了 CH₄排放與反硝化速率之間的原位相關性，并探索了其相關微生物機制。

研究結果表明，潮汐過程中，鹽沼濕地對外源氮的去除模式為“先物理擴散為主，后反硝化作用為主”。在反硝化階段， CH₄排放通量與NO_X去除率和反硝化率均呈顯著正相關（圖1)，這表明CH₄排放可以增強反硝化作用，從而提升鹽沼濕地的降氮能力。水動力調(diào)控CH₄排放的試驗結果也表明CH₄排放能有效提高鹽沼濕地的氮去除能力。

圖1：CH₄排放與脫氮率的相關性以及CH₄排放與反硝化率之間的關系。

圖2：流動組中NO_X-濃度和CH₄通量的變化（流速為0.03m/s）和外加氮后的靜態(tài)組（無水文交換）（NO_X-濃度約為1mg/L）。此處BA表示“加氮前”，0h、4h、8h、24h表示“加氮后停留時間”

微生物樣品分析結果表明，鹽沼濕地存在DAMO細菌與DAMO古菌，且高CH₄排放可以通過促進DAMO功能基因活性，從而提高反硝化速率，這表明CH₄驅(qū)動的DAMO是一種可能的反硝化過程，并在鹽沼濕地降氮過程中起重要作用。在全球氣候變化和富營養(yǎng)化的背景下，這些結果可以更好地了解潮汐中無機氮的動態(tài)去除過程，有助于深入認識富營養(yǎng)化河口鹽沼濕地碳氮循環(huán)機制。

核心儀器介紹

Picarro G2508 氣體濃度分析儀通過同時測量五種氣體（N₂O、CH₄、CO₂、NH₃ 和 H₂O），從根本上簡化了溫室氣體通量研究，且描繪了溫室氣體排放的全貌。G2508 可以與多種呼吸室兼容，無需組裝或同步不同的氣體分析儀，就可以實現(xiàn)所有主要溫室氣體的行為觀測。為多種環(huán)境下的溫室氣體觀測、碳氮循環(huán)過程研究提供有力支持。

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