陆地温室气体排放的同位素示踪检测技术

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1、陆地温室气体排放的同位素示踪检测技术齐孟文中国农业大学自工业化以来，由于人类活动产生的温室气体，如CO2、CH4和N2O的排放，所致的大气臭氧层的破坏和产生的生态温室效应，已经引起国际社会和学术界的强烈关注，并在联合国主导下建立了联合国气候变化框架公约，用于约束和减少温室气体的排放，温室气体的研究和数据监测是履行该公约的技术支撑，因此成为基于全球或区域性通量网协助研究的重要内容。在全球和区域规模或具体的实践上，同位素示踪、尤其环境同位素原位示踪技术，结合常规的通量分析方法，如箱式法和涡度相关法，是开展温室气体源汇关系、来源解析和形成机制等研究的重要手段。1.通量监测1）

2、静态箱体法静态箱法是一种对土壤、水体、和植物群落界面微量气体通量进行定点测定的装置。箱体由无底的底座和有盖的箱体组成，有盖箱体可方便开启和封盖。测量时，盖上箱体盖并用水或胶条与底座密封，将测量的下垫面封围起来,保持箱内空气不与外界有任何交换,在一定的顺序时间间隔对箱内待测气体的浓度进行测量,得到被测气体浓度随时间的变化率,然后采用如下公式计算通量。VPT0dCF=ρ⋅⋅⋅⋅ggAPTdt0式中，V为箱内空气的体积，A为底面积，C为测量时刻箱内被测气体的体积比浓度，ρ为被测气体标准状态下的密度，T和P箱内空气的绝对温度和气压，g下角标0表示标准状态。静态箱法最大优点是简单

3、和易于操作，但的缺点是改变了被测界面空气的自然湍流状态,这种改变可能明显影响界面气体交换，而使测得的排放通量值偏离实际情况。[举例]（刘孝富等.嵌套式静态采样箱的设计及其在稻田甲烷通量监测中的应用.环境工程技术学报,2011,1(6):538-543采样采样时盖上盖后静止2min，采集箱内初始样，记为0号样，然后开启小风扇，混合箱内气体，每间隔10min取样1次，连续取样7次，依次编号为1～，7结果见表。计量对各测量点的甲烷浓度随时间变化求线性回归，由斜率得浓度变化率为33.0227−.0424mg/m⋅min，平均为.032mg/m⋅min，由文中推算箱体高度为0.0

4、54m，且测定时箱内温度为25C，则甲烷通量为273dc273dmF=⋅h⋅ρ=⋅h⋅273+Tdt273+Tdt2732=×.054×.032×60=.97mg/m⋅h273+252）涡度相关法这是一种利用微气候观察站点，基于测定被测微量气体浓度与测量下垫面垂直方向上速度的协方差而测定通量的方法。气候站点的测试设备主要由三维超声风速仪和微量气体分析仪组成,如测量CO的开路气体红外分析仪。2涡度相关法可由如下公式推导过程予以说明。由质量守衡关系，通过界面的待测微量气体的净通量为zmdcdNEE=ρwc′′+ρ=ρwc′′+ρc(z)dz(1)aaaa∫dtdt0式中，c

5、=ρ/ρ,ρ和ρ分别为待测气体和空气的密度，c′=c−c,w′为风速垂caca直分量，z为地表面（0）至通量测量界面处的高度。以上方程可通过约束条件m进行简化。根据流体动力学理论，流体力场上关于某标量随时间变化方程为dc∂c∂c∂Fi=+∑ui=−∑+SB(x,y,z)dt∂t∂x∂xii2∂c=−D∑+S(x,y,z)（2）2∂x式中，c是标量的浓度，t是时间，是正交方向ux(i=)3,2,1的风速分量，D是cii在空气中的分子扩散系数，S是流体场中的源/汇，“－”表示对时间的平均，∂c/∂t是体积元中浓度的平均变化率，其它两项是净平动流和分子扩散通量。涡动方程一般假

6、定1)稳态(∂c/∂t=)0;2)测定下垫面没有源/汇（S=0）；3).上风向区有22足够的水平均匀的下垫面,∂uc/∂x=0和D∂c/∂x=（0i=1，2）。此时iii∂c∂Fzw+=0（3）∂t∂z对（3）式积分有F=(wc)=(wc)=F（4）00zz应用雷诺变换w=w′+w,c=c′+c，有wc=(w+w′)(c+c′)=wc+wc′+w′c+wc′′（5）按定义，上式的第1和2项为零（w=0和c′=0），如果向上和向下的风速大体平衡（平均垂直速度大体为零），则第3项也近似为零，最终有F=wc′′（6）z上式是测定界面处通量的关系式，即为垂直风速w脉动和标量c脉

7、动的协方差，具体计算关系为N1Fz=∑(w−w)(c−c)（7）Ni=1参考文献：沈艳等.应用涡动相关法计算水热、CO2通量的国内外进展概况.南京气象学院学报，2005,28（4）：559-5652.源汇研究利用环境同位素地球化学特征进行来源解析的示踪方法，广范地用于全球温室气体源汇及收支清单的研究。2.1NO（徐文彬.大气NO的稳定氮同位素质量平衡探讨.地质地球化22学,199,27(2):22-27NO在对流层非常稳定,与大气中其它含氮化合物之间无明显的氮同位素2交换,因此对流层大气NO的氮同位素组成主要取决于其来源。大量研究表明,2