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基于同位素激光光谱分析的草地土壤N2O来源研究

2021-12-09 10:49     来源:澳作生态     同位素分析

文献摘要:

一氧化二氮(N2O)是主要的同温层臭氧耗竭的大气成分和通过正辐射强迫机制促进了气候系统的变化强势贡献。大气N2O的丰度从在前工业时代的约270ppb(十亿分之一,10-9molmol-1)增长到2018年约330 ppb。尽管众所周知农业和自然土壤中的微生物过程是最重要的N2O主要来源,但特定土壤过程的贡献仍然是不确定的。N2O同位素的相对丰度(14N14N16N, 14N15N16O, 15N14N16O和14N14N18O)带来特定过程的信息,因此可以用于追踪生产和消耗途径。

同位素比率质谱(IRMS)是用于高精度测量同位素组成的传统方法,量子级联激光吸收光谱(QCLAS)作为一种补充技术被提出具有现场分析的潜力。近年来, 提出了预浓缩与QCLAS相结合的方法作为一种解决环境中一氧化二氮同位素组成细微变化的技术。从2016年5月底到8月初,我们调查了一个集中管理的德国南部芬特研究基地的草原N2O排放。总的来说, 用QCLAS分析预浓缩系统综合测量了612次环境N2O,产生了δ15Nα,δ15Nβ,δ18O,N2O浓度随时间变化,分辨率约1h,精度分别是0.46‰,0.36‰,0.59‰,1.24ppb。土壤δ15N-NO3-值和NO3-与NH4+浓度值的测量进一步限制可能的N2O散发来源的过程统计。此外,测量N2O的浓度足迹面积用拉格朗日粒子分散法测定模型(FLEXPART-COSMO)使用局部风和湍流观察。这些模拟表明,夜间浓度观测结果对局部地区通量的变化非常敏感,同时细菌反硝化和硝化反硝化被确定为主要的N2O发散过程,N2O还原为N2在很大程度上决定了测量的N2O同位素成分。真菌脱氮和硝化衍生N2O占总N2O发散的34%~42%,并对测量的同位素源特征有明显的影响。本研究提出了现场N2O同位素分析适用性,以理清来源和在原位的下沉过程,并在Fendt现场发现细菌反硝化或硝化反硝化是主要的N2O的来源,而N2O的还原作用是主要的土壤产生N2O的汇。

测量过程:

图1:半连续分析N2O同位素的仪器装置,耦合预富集激光光谱法(TREXQCLAS) (Ibraim等人,2018),包括用于调节样品气体的外围设备。连续的样品气体处理包括采用渗透干燥除湿,调整样品气体压力在隔膜泵后用泄压阀,和用烧碱石棉或者Mg.(ClO4)2阱去除二氧化碳或水,以及使用烧结金属过滤器对颗粒进行过滤。一个自动的多位置阀使我们能够在8种不同烧碱石棉阱之间切换,从而将维护工作减少到每八天一次。所示气体为目标气体(T)、合成空气(SA)、标准气体1 (S1)和标准气体2 (S2)。一氧化碳从使用Sofnocat催化剂(423型,分子产品有限公司)。在右上角,给出了一个完整的测量周期。y轴上对应不同气体类型:标准1 (S1) 标准2(S2)样品(S)和目标(T)气体。x轴给出运行时间(以分钟为单位)。整个测量周期持续约4小时,这导致频率约为每小时一个环境空气测量。

图2:(a)通过连合于GC-ECD的五个重复通量室测量的平均N2O通量(f (N2O))。(b)NH4+-N和NO3--N浓度。除了施肥那一周的取样外,在De-Fen站点每星期取样两次,频率增加最多取样8个节点。因此,一个采样天内的可变性指的是在给定的一天内整个De-Fen站点的空间可变性。(c)观测到的土壤含水量(红色)和降水(蓝色)。(d)观测到的环境温度(2ma.g.l.)和土壤温度(地下2-6 cm)。蓝色的虚线表示插秧事件,红线表示施肥事件。

图3:N2O浓度时间序列(a),δ15Nα(b),δ15Nβ(c),和δ18O(d), 左轴表示浓度和同位素δ值在各自的尺度上,而右轴描述与背景值的差异(δX=Xmeasured-Xbackground, 其中X为N2O,δ15Nα,δ15Nβ,或者δ18O)。在右上角,给出了四个量的直方图。颜色的象征表示2ma.g.l的环境空气样本(S)。黑色符号表示目标气体的相应测量值(T;表2)。阴影区域表示1个标准差(σ),这是对t连续三次测量的计算结果测量周期在右边给出,用彩色字体表示S,用黑色表示t。垂直的蓝色虚线表示在2016年7月4日一个切割事件,红色虚线表示2016年7月12日的施肥情况。

图4:土壤浸出液中NO3-在8个不同节点处于De-Fen的N2O通量和同位素测量地点的δ15N的时间变化趋势,表示空间变异性大。(a)中浓度加权平均值(红色填充符号)及其不确定度(1个标准偏差)。来源特征(b) δ15Nbulk,(c)SP和(d)δ18O来自Miller和tan(2003)土壤释放的N2O给出了方法(红叉)和基林(1961、1958)绘图方法(蓝色填充符号)。不确定性用淡红色表示,Miller-Tans方法的阴影区域和Keeling图方法的误差条(用蒙特卡罗模型计算1个标准差)。蓝色虚线表示切割事件,红色虚线表示肥料施用情况。右边的三个面板:相关性由Miller和Tans(2003)和基林(1961, 1958)图法得到的结果图。虚线对应于1v1的斜率。

图5:(a)草地De-Fen站点午-午平均N2O通量f (N2O)与吸水孔隙空间(WFPS)的关系。表示不确定性代表了f (N2O)和WFPS在1天内的变化。图S1给出了单个腔室的结果。一氧化二氮通量是最高为85%-92%WFPS。红色虚线对应于这里显示的数据的两项指数拟合。(b) SP作为WFPS的函数,在85%~95% WFPS范围内SP值最低,对应的N2O通量最高。红色虚线描述了这里显示的数据的双指数拟合(这个拟合不显著)。用于拟合数据的模型对应于y=a•exp(b•x)+c•exp(d•x) (系数a, b, c和D在正文中给出)。

图6:6月22日至24日(星星1-3)、7月9日至12日(方格6、9、11和12)和7月17日至21日(六边形4、5、7、8和10)土壤排放的N2O的源特征。符号的颜色编码是指WFPS,其中蓝色代表高值,红色代表低值的WFPS(确切值见表3)。真菌反硝化作用和/或硝化衍生N2O (FD/N)和细菌反硝化作用的来源特征和/或硝化反硝化衍生的N2O (BD/ND)用矩形表示,根据表4中给出的值,阴影部分表示两个域的混合区域。橙色的十字表示各自的通量平均值源特征。红色箭头表示部分N2O还原为N2的路径,黑色箭头表示混合方向FD/N-derived一氧化二氮。实箭头表示场景1(第一次减少,然后混合),而虚线箭头表示场景2(第一次混合,然后减少)。(a)SP与Δδ15N相对图根据Koba等人(2009),Δδ15N=δ15N-NO3 --δ15N-N2O(b) SP与Δδ18O来源于土壤排放N2O相对图根据Lewicka-Szczebak等人(2017),Δδ18O=δ18O-N2O -δ18O-H2O,土壤水间的同位素影响,和形成N2O。Δδ18O的BD/ND被认为是恒定的,因为土壤的水和土壤之间的高氧交换在WFPS的高值状态时反应中间体。

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