量子級聯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.

文獻摘要：
激光光譜學的最新進展使人們能夠實時測量二氧化碳中的¹³C/¹²C同位素比值，從而為研究自然生態系統中的碳循環提供了新的途徑。在這項研究中，我們將Aerodyne量子級聯式CO₂同位素光譜儀與LI-COR LI-8100A/8150自動箱系統相結合，在密閉自動箱測量二氧化碳的δ¹³C。
應用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。我們發現激光光譜儀測得的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‰。
在丹麥山毛櫸林進行為期兩個月的試驗，我們使用該組合系統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激光光譜儀在自動箱進行自動測量過程中，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系統CO₂通量。它還強調了適當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確測量δ¹³C的重要性。

文獻監測方案：
這項活動中，系統是在一個重復的自動兩小時循環中設置的，在此期間，對完整土壤、挖溝土壤、粗樹根和樹干室進行測量，然后校準QCL系統。試驗箱封閉時間設為5分鐘，預吹掃和后吹掃均設為40秒。在每個兩小時測量周期的最后12分鐘內，對QCL系統進行自動校準。使用50L氣瓶提供的大氣樣本進行校準。在哥本哈根大學土壤、植物和空氣中穩定同位素實驗室，IRMS（gasbbench in continuous flow mode with a Delta V PLUS，Thermo Scientific，Bremen，Germany）測定了校準氣體的δ¹³C。二氧化碳濃度在390到410ppm之間。校準氣瓶通過三通電磁閥與激光進氣管相連。在正常的氣室測量過程中，來自氣瓶的閥門是關閉的，因此在QCL系統Li-8100A/8150之間保持閉環。在校準過程中，閥門切換，使得來自鋼瓶的氣體被引導到QCL系統入口。此外，在QCL系統入口之前，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入氣體的溢出。閥門的開啟和關閉時間由QCL系統TDL Wintel軟件（版本14.92，Aerodyne Research Inc.，Billerica，MA，USA）控制。將校準的前80 s設置為沖洗時間，隨后20 s用于獲取校準數據。隨后，閥門恢復正常運行，新的兩小時循環可能開始。為了準確無偏地測量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系統的出口，以測量水蒸氣濃度。

儀器布設
如圖：QCL系統被放置在森林中一個有空調的小屋里，溫度保持在20℃不變，而LI-8100A/8150則被放置在木屋外10米處。QCL系統單元中的壓力保持在低于環境壓力（在本例中為30托，由QCL系統閥通過流量控制器控制），而LI-8100A/8150中的壓力保持在環境壓力下。Pfeiffer真空MVP 070-3泵（Pfeiffer Vacuum GmbH）連接至QCL系統出口，該系統以1.0 L min−1的流速通過QCL系統吸入空氣，即略低于LI-8100A和LI-8150之間的標稱流量。將Pfeiffer泵和QCL系統被放置在機艙內，機艙內的CO2濃度很高（≈1000 ppm）。如果系統泄漏，這將導致系統中二氧化碳濃度隨時間增加。在仔細安裝和擰緊進出泵的管接頭后，系統中的環境二氧化碳濃度保持恒定，表明系統無泄漏。
測量土壤、根和樹干呼吸的儀器布設：
利用LI-8100A自動土壤二氧化碳排放系統對每個室進行自動連續測量。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日進行了挖溝，以消除自養根呼吸對四個地塊總土壤的貢獻。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行測量。根室由透明丙烯酸的玻璃制成，圓柱形，內長24cm，內徑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，內徑為15cm，內部高度為10厘米，體積為1757cm²。

數據采集方式及頻率：
該組合系統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.根據水蒸氣校正（表1），Keeling plot的坡度沒有變化。這與CO2濃度相關性校正形成對比，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Aerodyne儀器優勢：
1.Aerodyne量子級聯激光光譜儀可以與LI-8100A/8150自動箱系統成功結合使用；
2.在自然森林生態系統條件下部署該系統，可獲得樹干、樹根、完整土壤和溝渠土壤的室內二氧化碳通量δ¹³C的高頻測量結果；
3.可量化取決于樣品空氣中水蒸氣的測量δ¹³C以及在室內測量期間變化的CO2濃度，來獲得準確的δ¹³C測量值。