一 監(jiān)測背景

    氣體濃度和同位素特征可以揭示土壤中微生物的代謝及其對環(huán)境變化的響應(yīng)。土壤微量氣體，限制微生物的生化過程，如硝化作用、產(chǎn)甲烷作用、呼吸作用和微生物通訊。將土壤探針與靈敏的微量氣體分析儀集成在一起的地下痕量氣體同位素在線觀測系統(tǒng)可以通過測量來填補(bǔ)這一空白，解決現(xiàn)場土壤氣體濃度和同位素特征的空間（厘米尺度）和時(shí)間（分鐘）變化的測量問題。土壤氣體測量包括一氧化二氮（δ¹⁸O，δ¹⁵N，以及N₂O的¹⁵N位置偏好）、甲烷、二氧化碳（δ¹³C）的同位素比值。惰性二氧化硅基質(zhì)的探針來實(shí)現(xiàn)可控氣體條件下的采樣，我們優(yōu)化了恢復(fù)代表性的土壤氣體樣品采樣，同時(shí)減少了取樣對地表下氣體濃度的影響。中紅外激光光譜儀來測量δ¹⁴N¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N¹⁵N¹⁶O、δ¹⁵N¹⁴N¹⁶O和δ¹⁴N¹⁴N¹⁸O的同位素比值，具有高精度和低濃度依賴性。

二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由土壤采氣矛、多通道采集器、野外恒溫箱、Aerodyne中紅外吸收光譜閉路氣體分析儀組成。

主機(jī)Aerodyne閉路氣體分析儀采用可調(diào)諧紅外激光直接吸收光譜（TILDAS）技術(shù)， 用中紅外激光探測氣體分子，像散型多光程吸收池技術(shù)有效測量光程高達(dá)210m，有效提高氣體分子的測量精度，達(dá)ppt級。有兩種氣體組合選項(xiàng)：

1、CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)

2、CO₂、δ¹³C(CO₂)、δ¹⁸O(CO₂)、H₂O、δ¹⁸O(H₂O)、δHDO

 地下痕量氣體采氣矛用于土壤剖面氣體采集，埋入土壤剖面的不同深度，實(shí)現(xiàn)厘米尺度的氣體采集。采氣矛管壁的小孔與土壤氣體交換平衡后將氣體泵出，與氣體分析儀通過管路連接，可以測量土壤剖面不同深度處土壤氣體成分的實(shí)時(shí)濃度。

三 技術(shù)特點(diǎn)

1、 用中紅外激光直接吸收技術(shù)，測量頻率可達(dá)10Hz，檢測限達(dá)ppt級。

2、 雙激光測量技術(shù)，一個(gè)分析儀同時(shí)測量多個(gè)痕量氣體和同位素，減少多臺系統(tǒng)測量時(shí)的系統(tǒng)誤差。

3、 TDLWINTEL軟件提供光譜回放模式，可選擇HITRAN光譜標(biāo)庫里的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線，對測量的光譜重新擬合，對測量結(jié)果重新判定， 其它品牌無法做到。如，若標(biāo)氣不純、含雜質(zhì)，可從光譜回放中判定。

4、 多氣體測量時(shí)，可用高純度氮(99.9992%)沖洗測量室，定期測定零氣光譜，去除背景干擾。

5、 每次測量時(shí)關(guān)閉激光，從“Zero”測量光譜絕對值（非差分法、光腔衰蕩），測量過程無需標(biāo)定。

6、 技術(shù)-活性鈍化裝置可顯著提高粘性氣體分子如NH3的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)粘性氣體和非粘性氣體的同步觀測，如 NH3, CO2, O3， N2O, CH4同步觀測。

7、 技術(shù)-慣性顆粒物去除接口，專門用于粘性氣體測量時(shí)，去除進(jìn)氣口顆粒物殘余，去除對二次采樣的污染。

8、 具有激光頻點(diǎn)校準(zhǔn)腔室，可以在測量過程中實(shí)時(shí)校準(zhǔn)激光吸收光譜頻點(diǎn)，防止頻點(diǎn)飄移。

四 技術(shù)指標(biāo)

1 、測量精度: 1s/100s：

CH₄：0.2ppb/0.05ppb；δ¹³C(CH₄)：1‰/0.2‰；

N₂O ：0.03ppb/0.01ppb；δ¹⁴N¹⁵N¹⁶O：6‰/1.5‰；δ¹⁵N¹⁴N¹⁶O：9‰/2.3‰；

δ¹⁴N¹⁴N¹⁸O：12‰/3‰；

CO₂：0.1ppm/0.03ppm；δ¹³C(CO₂)：0.1‰/0.03‰；δ¹⁸O(CO₂)：0.1‰/0.03‰；

H₂O：10ppm/5ppm；δ¹⁸O(H₂O)：0.1‰/0.03‰；δHDO：0.3‰/0.1‰；

2 、測量量程：

CH₄ : 2 to 20ppm；N₂O : 0.3 to 100ppm；CO₂ ：300 – 1000ppm 或者 0.1

– 0.3μmole；H₂O ：4%。

3 、響應(yīng)時(shí)間：10Hz（1-10Hz可調(diào)）

4 、采樣速率：0-20slpm

5 、數(shù)據(jù)輸出：RS232、USB和以太網(wǎng)

6 、采氣矛: 有2種，一種不可浸水，一種可用于濕地

7 、采氣矛參數(shù)如下：

1、透氣孔直徑：10µm
  氣體交換面積：500cm2
 采氣腔體容積：140ml
 直徑：32mm，長度500mm（不可浸水）
2、透氣孔直徑：0.1µm
  氣體交換面積：50cm2
 采氣腔體容積：10ml
 直徑：12mm，長度150mm（可用于濕地）

五 技術(shù)應(yīng)用

文獻(xiàn)信息：

Versatile soil gas concentration and isotope monitoring: optimization and integration of novel soil gas probes with online trace gas detection

多功能土壤氣體濃度和同位素監(jiān)測：新型土壤氣體探針與在線痕量氣體檢測的優(yōu)化和集成

在線連續(xù)土壤氣體取樣和痕量氣體濃度連續(xù)測量的地下痕量氣體同位素觀測系統(tǒng)可同步測量兩種痕量氣體濃度和同位素。

TILDAS可使用一臺儀器以高靈敏度/光譜分辨率測量多種物種，并可在現(xiàn)場部署并隨時(shí)操作此系統(tǒng)的閥門和流量控制設(shè)備。多功能性可以擴(kuò)展到允許使用現(xiàn)有TILDAS技術(shù)分析一套土壤氣體，例如研究土壤微生物N循環(huán)（例如N2O、NO、NO2、NH3、HNO3、HONO、NH2OH）、微生物微量氣體清除（例如CO、OCS、CH4、O2）和其他大氣相關(guān)物種（例如H2O2、HONO、N2H4、HCHO、HCOOH、CH3OH）。

這些化合物是微生物群落的代謝物，是碳氮循環(huán)代謝途徑的中間產(chǎn)物。因此，將這些儀器與土壤探針相結(jié)合，將有助于獲得以前未探測到的反映土壤地下代謝和信號傳遞過程的生物信息。

擴(kuò)散式土壤探針可以在cm級空間分辨率下測量土壤氣體動力學(xué)過程。在試驗(yàn)現(xiàn)場可以按不同深度埋設(shè)采氣矛，進(jìn)行土壤廓線痕量氣體濃度觀測。土壤探針和高分辨率痕量氣體分析儀，利用土壤痕量氣體濃度和同位素特征的現(xiàn)場空間（厘米尺度）和時(shí)間（分鐘）測量，觀測到由于環(huán)境驅(qū)動因素（如土壤濕度和氧化還原條件）變化而產(chǎn)生的氣體排放變化，以及顯示微生物代謝和群落動態(tài)的熱時(shí)刻。這些試驗(yàn)表明，這種方法有可能揭示土壤微生物組與其當(dāng)?shù)丨h(huán)境在與現(xiàn)實(shí)世界變異性相關(guān)的時(shí)間尺度上的相互聯(lián)系。

a) 土壤濕潤引起土壤氮素的脈沖響應(yīng)2O（綠色陰影）及其同位素信號，包括δ448（藍(lán)色），

δ546（綠色）、δ456（紅色）和位置偏好（紫色）。

b) δ¹⁵N（x軸）、δ¹⁸O的N₂O同位素特征估算圖（y軸）和位置偏好（z軸），圓圈代表同位

 素特征變化的探針測量值，時(shí)間為499（小時(shí)），表明轉(zhuǎn)移到不同微生物活性區(qū)域（彩矩

形）。在x軸上，AOA（綠色500矩形）和AOB（紫色矩形）分別表示氨氧化古細(xì)菌和氨氧

化細(xì)菌的硝化作用501。灰色矩形表示真菌脫氮。

氧化還原條件

 由UZA沖洗引起的從厭氧到好氧土壤條件的突然變化，推動了動態(tài)變化。 使用集成TILDAS和基于擴(kuò)散的土壤探針捕獲N₂O、CO₂的濃度。