Picarro G2201-i | 城市环境中甲烷吸收的时空模式

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2023/12/08 14:39

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Picarro G2201-i | 城市环境中甲烷吸收的时空模式

江苏海兰达尔 2023-12-08 13:49 发表于江苏

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.uclim.2021.101073

研究背景

甲烷是全球碳循环的重要组成部分，其在大气中的含量取决于大量控制甲烷的产生和氧化、土壤与大气之间交换的因素。人为引起的通量，如化石燃料燃烧、工业活动、废物管理和土地使用做法，极大地改变了大气中储存的甲烷量。城市发展和城市化进程增强了大气和城市生态系统之间的碳通量交换，并导致了全球变暖。

与自然生态系统相比，人们对城市环境中甲烷吸收的作用较为受限，因此忽略了重要的生物成因甲烷通量。尽管对与不同土地利用类型相关的土壤温室气体通量进行了大量估计，但对由人为活动改变的城市环境中观察到的甲烷产生/吸收的规模知之甚少。因此，这项研究的目的是评估在城市公园、草地和耕地这三个受管理的城市生态系统中，甲烷通量的时空差异。同时分析土壤理化性质、城市绿地类型以及气象条件对甲烷吸收的影响。

研究方法

现场描述

这项研究是在波兰第四大城市弗罗茨瓦夫进行的，复杂的水文地质条件和强烈的人为影响（高度工业化、城市化，繁忙的交通状况，家用燃煤取暖以及密集的农业集约化生产等）是弗罗茨瓦夫市最大的环境威胁。弗罗茨瓦夫周围的人为甲烷的潜在来源包括废弃物和废水处理设施、固定源和移动源燃烧、工业过程、天然气分布网、农业活动以及一些小型的养牛场。

弗罗茨瓦夫城区研究点位的地图

实验设置

在2017年7月至2018年8月间，对弗罗茨瓦夫城区不同的土地利用类型（草地、公园和耕地）进行了密集的采样活动，以量化甲烷土壤-大气的气体交换（包括碳同位素分析δ¹³C-CH₄）。

甲烷的通量测量采用静态腔室法，用于评估1年实验期间的生态系统甲烷交换。对每个选定的测量地点，将覆盖面积0.049 m²的PVC圆环插入植被覆盖的土壤以下约3~4 cm。在圆环上放置一个圆柱形的腔室盖（内径25 cm，高25cm），其顶部设有气体采样口。每个腔室的有效体积为15.97 dm³。测量方案包括对每个观测点的三类小区域的处理工作，每项处理重复三次，采用不透明室技术研究植物同化和非植物同化呼吸过程中土壤甲烷吸收的差异。

对于每个已设置的腔室，每两周在下午时收集一次气体样本，以确保测量的通量/吸收量能代表每天的甲烷排放量。每个采样周期内，记录扩散气体参数。关闭腔室后30 min，以10 min为间隔从腔室内提取4个空气样品，并用采样袋收集后带到实验室中做进一步分析。

在实验室中使用Picarro G2201-i碳同位素分析仪对样品进行分析，测定了CO₂，CH₄的摩尔分数和碳同位素组成（δ¹³C）。在测试期间，使用了一组可溯源到WMO的CH₄和CO₂混合标准气体进行定期校准，以控制整个工作范围内的仪器线性。

研究结果（部分）

土壤通量测量结果证实，城市生态系统在大气甲烷环境中是重要的汇，甲烷氧化速率有很大的日变化和季节变化，这主要是由于生态系统对温度和降水波动的响应。夏季土壤甲烷吸收效率在-0.86~-1.78 nmol·m^-2·s^-1，冬季则为-0.34~-0.87 nmol·m^-2·s^-1。甲烷的同位素组成显示，相较于冬季，夏季从表面通量室收集的气体样品中甲烷的δ¹³C更为富集。

在寒冷和温暖条件下，城市草地甲烷汇的平均δ¹³C分别为-54.2‰和-55.3‰。同时，甲烷同位素组成也受到日温度变化状态的影响。夜间消耗的甲烷较少，同位素值达到-52.3±1.1‰，而白天消耗更多，同位素值为-54.4±1.3‰。在甲烷测量中，甲烷的消耗与温度呈负相关，其中城市草地生态系统的甲烷吸收与土壤温度关系最强。

不同土地类型和时期甲烷同位素值和吸收速率

根据指数拟合确定土壤CO₂通量、CH₄吸收与每日土壤温度和湿度之间的关系可以发现，土壤湿度只能解释部分生态系统呼吸的变化，温度与土壤湿度的依赖性可以提高指数模型对土壤呼吸预测的相关系数。当土壤湿度水平和土壤温度较高时，平均土壤CO₂的通量和CH₄吸收量随植被季节性的增加而增加。

土壤二氧化碳呼吸、甲烷吸收与土壤温度和含水量之间的关系

总结

本研究展示了城市范围内三种土地利用类型（草地、城市公园和耕地）的甲烷通量/吸收的时空变化结果。研究结果为具有复杂碳循环的城市生态系统拥有重要的土壤碳储存潜力提供了证据。观察到的甲烷消耗季节差异表明，土壤管理活动、植被覆盖以及土壤温度变化能显著影响城市空间甲烷的甲烷汇强度。

研究发现，2017-2018年间，弗罗茨瓦夫市的植被区域的甲烷容量约为-45±18吨/年，取决于地表覆盖范围、分布和城市绿地面积的比例。总的来说，地表通量/吸收的较大时空变异性对于准确估计季节和年度生态系统-大气交换是一个限制因素。因此，尽管在评价甲烷土壤-大气的季节循环和长期趋势方面取得了成就和进展，但仍建议进一步长期研究，比较不同生态系统的甲烷吸收情况。

编辑人：陆文涛

审核人：史恒霖

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