溫室氣體通量

1、引言 大氣中溫室氣體體積分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致的全球氣溫升大氣中溫室氣體體積分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致的全球氣溫升高，引起了世界各國(guó)政府和科學(xué)家的共同關(guān)注，高，引起了世界各國(guó)政府和科學(xué)家的共同關(guān)注，已成為全球生態(tài)環(huán)境研究中的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域已成為全球生態(tài)環(huán)境研究中的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。 COCO2 2、CHCH4 4、N N2 2O O是大氣中最主要的是大氣中最主要的3 3種溫室氣體，種溫室氣體，在對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)中，在對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)中，COCO2 2占占7070，CHCH4 4占占2323，N N2 2O O占占7 7，它們對(duì)全球氣候變暖的增溫貢獻(xiàn)分別，它們對(duì)全球氣候變暖的增溫貢獻(xiàn)分別是是6060、1515和和5 5。 人

2、類活動(dòng)的影響，大氣中人類活動(dòng)的影響，大氣中COCO2 2，體積分?jǐn)?shù)從，體積分?jǐn)?shù)從18001800年的年的80801010-6 -6增加到目前的增加到目前的345 X 10345 X 10-6 -6，而且目前正以每年，而且目前正以每年0 05 5的速度在增長(zhǎng)；的速度在增長(zhǎng)；CHCH4 4是大氣中除是大氣中除COCO2 2外最為豐富的含碳化合外最為豐富的含碳化合物，雖然在大氣中只有物，雖然在大氣中只有10a10a的存活時(shí)間，但它是一種紅外輻的存活時(shí)間，但它是一種紅外輻射活性氣體，其紅外吸收能力是射活性氣體，其紅外吸收能力是COCO2 2的的20203030倍，是一種很倍，是一種很重要的溫室氣體重要

3、的溫室氣體。 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代末年代末8080年代初，大氣年代初，大氣CHCH4 4含量隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)含量隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)工作開始在世界不同地方進(jìn)行，隨著研究的不斷深入，國(guó)工作開始在世界不同地方進(jìn)行，隨著研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果表明，大氣中內(nèi)外多項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果表明，大氣中CHCH4 4體積分?jǐn)?shù)從過去的體積分?jǐn)?shù)從過去的0 072721010-6 -6上升到現(xiàn)在的上升到現(xiàn)在的1 178781010-6 -6，已經(jīng)增長(zhǎng)了一倍多，已經(jīng)增長(zhǎng)了一倍多，且目前正以每年且目前正以每年0.80.8-1.1-1.1的年速率在增長(zhǎng)的年速率在增長(zhǎng)。 據(jù)據(jù)估計(jì)，全球每年排放估計(jì)，全球每年排放CHCH

4、4 4總量約為總量約為4204201010121262062010101212g g。1.濕地溫室氣體國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)自然濕地溫室氣體的排放研究報(bào)道較少，中國(guó)的國(guó)外對(duì)自然濕地溫室氣體的排放研究報(bào)道較少，中國(guó)的濕地溫室氣體研究主要集中若爾蓋和青藏高原的草叢濕濕地溫室氣體研究主要集中若爾蓋和青藏高原的草叢濕地。遼河三角洲蘆葦濕地、三江平原的草叢濕地和沿海地。遼河三角洲蘆葦濕地、三江平原的草叢濕地和沿海紅樹林濕地等濕地的研究紅樹林濕地等濕地的研究。 目前世界上研究較為完善的是日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。典型草目前世界上研究較為完善的是日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。典型草甸小葉章濕地的甸小葉章濕地的N20N20排放與排放

5、與5cm5cm地溫的相關(guān)性較大，而地溫的相關(guān)性較大，而沼澤化草甸小葉章濕地與之相關(guān)并不明顯，積水環(huán)境條沼澤化草甸小葉章濕地與之相關(guān)并不明顯，積水環(huán)境條件對(duì)其影響更為明顯。件對(duì)其影響更為明顯。2大氣通量的測(cè)量方法 2 21 1箱法箱法箱箱法是目前最常用的方法，用來測(cè)量土壤和大氣間微法是目前最常用的方法，用來測(cè)量土壤和大氣間微量氣體交換通量，工作原理簡(jiǎn)單，用特制箱子罩在一定面積量氣體交換通量，工作原理簡(jiǎn)單，用特制箱子罩在一定面積的下墊面上方，隔絕箱內(nèi)外氣體的交換，隨時(shí)間的變化測(cè)定的下墊面上方，隔絕箱內(nèi)外氣體的交換，隨時(shí)間的變化測(cè)定箱內(nèi)溫室氣體，根據(jù)計(jì)算得出氣體交換通量。主要分為箱內(nèi)溫室氣體，根據(jù)計(jì)

6、算得出氣體交換通量。主要分為3 3種種類型：密閉式靜態(tài)箱、密閉式動(dòng)態(tài)箱和開放式動(dòng)態(tài)箱。類型：密閉式靜態(tài)箱、密閉式動(dòng)態(tài)箱和開放式動(dòng)態(tài)箱。 密閉式靜態(tài)箱又包括堿液吸收法和氣相色譜法密閉式靜態(tài)箱又包括堿液吸收法和氣相色譜法2 2種，堿液吸種，堿液吸收法是用溶液吸收收法是用溶液吸收CO2CO2，形成碳酸根，主要是，形成碳酸根，主要是NaOHNaOH或或KOHKOH溶液，吸收結(jié)束后進(jìn)行滴定，計(jì)算出土壤在這一段時(shí)溶液，吸收結(jié)束后進(jìn)行滴定，計(jì)算出土壤在這一段時(shí)間內(nèi)的間內(nèi)的CO2CO2排放量。采樣箱分為透明箱和暗箱排放量。采樣箱分為透明箱和暗箱2 2種種。 密閉式動(dòng)態(tài)箱只是增加了氣體的循環(huán)過程，具體測(cè)量原理密

7、閉式動(dòng)態(tài)箱只是增加了氣體的循環(huán)過程，具體測(cè)量原理與靜態(tài)箱原理相似。而開放式動(dòng)態(tài)箱氣體并不再回流，并與靜態(tài)箱原理相似。而開放式動(dòng)態(tài)箱氣體并不再回流，并且是通過計(jì)算箱入口和出口處氣體濃度差異來確定氣體的且是通過計(jì)算箱入口和出口處氣體濃度差異來確定氣體的排放通量。箱內(nèi)氣體排放、吸收速率用通量的計(jì)算方法，排放通量。箱內(nèi)氣體排放、吸收速率用通量的計(jì)算方法，即單位時(shí)間單位面積觀測(cè)箱內(nèi)該氣體質(zhì)量的變化，正值表即單位時(shí)間單位面積觀測(cè)箱內(nèi)該氣體質(zhì)量的變化，正值表示氣體排放到大氣，負(fù)值表示氣體的吸收，用公式表示為：示氣體排放到大氣，負(fù)值表示氣體的吸收，用公式表示為： 式中，式中，F(xiàn) F為氣體通量為氣體通量(mgm

8、-2h-1)(mgm-2h-1)，V V為觀測(cè)箱的容積為觀測(cè)箱的容積(L)(L)，V V為觀測(cè)時(shí)包圍的土壤面積為觀測(cè)時(shí)包圍的土壤面積(m2)(m2)，H H為采樣箱露出沉積物大氣為采樣箱露出沉積物大氣界面的高度界面的高度(m)(m)，vv/ /cc為采樣箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化為采樣箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率率(mgL-1h-1)(mgL-1h-1)。2 22 2微氣象學(xué)法微氣象學(xué)法 微微氣象學(xué)法包括空氣動(dòng)力學(xué)方法、渦度相關(guān)法、波文比能量平氣象學(xué)法包括空氣動(dòng)力學(xué)方法、渦度相關(guān)法、波文比能量平衡法等。衡法等。（1 1）空氣動(dòng)力學(xué)方法。該方法認(rèn)為，近地面層溫度、水汽壓和風(fēng)）空氣動(dòng)力學(xué)方法。該方法認(rèn)

9、為，近地面層溫度、水汽壓和風(fēng)速等各種物理屬性的垂直梯度，受大氣傳導(dǎo)性的制約，根據(jù)溫度、速等各種物理屬性的垂直梯度，受大氣傳導(dǎo)性的制約，根據(jù)溫度、濕度和風(fēng)速的梯度及廓線方程，用不同的積分公式求解出農(nóng)田上濕度和風(fēng)速的梯度及廓線方程，用不同的積分公式求解出農(nóng)田上的蒸發(fā)潛熱和顯熱通量。的蒸發(fā)潛熱和顯熱通量。（2 2）渦度相關(guān)法。用特制的渦動(dòng)通量?jī)x直接測(cè)算下墊面顯熱和潛）渦度相關(guān)法。用特制的渦動(dòng)通量?jī)x直接測(cè)算下墊面顯熱和潛熱的湍流脈動(dòng)值，而求得植被騰發(fā)量的方法。其計(jì)算式為：熱的湍流脈動(dòng)值，而求得植被騰發(fā)量的方法。其計(jì)算式為： 式式中：中：E E為瞬時(shí)蒸發(fā)值；為瞬時(shí)蒸發(fā)值； 是空氣密度；是垂直風(fēng)速；是空氣

10、密度；是垂直風(fēng)速；q q是濕度的瞬是濕度的瞬時(shí)脈動(dòng)值。在計(jì)算時(shí)取它們乘積的半小時(shí)或長(zhǎng)時(shí)脈動(dòng)值。在計(jì)算時(shí)取它們乘積的半小時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)間的平均值平均值。(3) 3)波文比能量平衡法。以下墊面的水熱交換為基礎(chǔ)，在假定熱量波文比能量平衡法。以下墊面的水熱交換為基礎(chǔ)，在假定熱量交換系數(shù)和水汽的交換系數(shù)和水汽的湍流交換湍流交換系數(shù)相等的情況下，根據(jù)相似理論引系數(shù)相等的情況下，根據(jù)相似理論引入波文比顯熱通量與潛熱通量之比，并將入波文比顯熱通量與潛熱通量之比，并將 微分化為差分后代入濕微分化為差分后代入濕度常數(shù)系數(shù)，簡(jiǎn)化下墊面的能量平衡方程而求得植被騰發(fā)量的方度常數(shù)系數(shù)，簡(jiǎn)化下墊面的能量平衡方程而求得植被騰

11、發(fā)量的方法。法。 2 23 3土壤濃度廓線法土壤濃度廓線法 該該法是指假設(shè)土壤濃度均一，就可以通過測(cè)定土法是指假設(shè)土壤濃度均一，就可以通過測(cè)定土壤剖面不同深度的氣體濃度來計(jì)算土壤與大氣間的壤剖面不同深度的氣體濃度來計(jì)算土壤與大氣間的氣體交換通量。土壤剖面溫室氣體濃度的測(cè)量方法氣體交換通量。土壤剖面溫室氣體濃度的測(cè)量方法主要有主要有2 2類：土壤氣體采樣管和多層采樣探頭，但是類：土壤氣體采樣管和多層采樣探頭，但是無論哪一種，都必須先破壞土壤基質(zhì)再進(jìn)行管路或無論哪一種，都必須先破壞土壤基質(zhì)再進(jìn)行管路或探頭的埋設(shè)。探頭的埋設(shè)。 2 24 4同位素法同位素法 該法是指含有較輕原子該法是指含有較輕原子(

12、 (如如1212C)C)的化學(xué)鍵活化能的化學(xué)鍵活化能較低，產(chǎn)物中較低，產(chǎn)物中C C濃度會(huì)由于化學(xué)或生物酶反應(yīng)濃度會(huì)由于化學(xué)或生物酶反應(yīng)增加，而反應(yīng)基質(zhì)中則是增加，而反應(yīng)基質(zhì)中則是1212C C濃度增加，從而濃度增加，從而可以鑒定土壤中排放出來的可以鑒定土壤中排放出來的CHCH4 4的量。由于在的量。由于在沉積物中氧化生成沉積物中氧化生成CHCH4 4，因此碳同位素比例上，因此碳同位素比例上有很大不同，因此可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定土壤產(chǎn)生的有很大不同，因此可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定土壤產(chǎn)生的COCO2 2和和CHCH4 4中的元素同位素組成。根據(jù)同樣原中的元素同位素組成。根據(jù)同樣原理，也可用同位素理，也可用同位素15

13、15N N鑒定鑒定N N2 20 0。但。但N N2 20 0含量較含量較低，很難獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。低，很難獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。3方法比較 箱法操作簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用比較廣泛。但密閉靜態(tài)箱對(duì)觀測(cè)箱法操作簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用比較廣泛。但密閉靜態(tài)箱對(duì)觀測(cè)有擾動(dòng)，并且多種因素都會(huì)對(duì)氣體交換通量的測(cè)量產(chǎn)生影有擾動(dòng)，并且多種因素都會(huì)對(duì)氣體交換通量的測(cè)量產(chǎn)生影響響。 而而所有微氣象法對(duì)觀測(cè)下墊面都有極為嚴(yán)格的要求。從測(cè)所有微氣象法對(duì)觀測(cè)下墊面都有極為嚴(yán)格的要求。從測(cè)量原理分析，土壤濃度廓線法可以獲得真實(shí)的氣體交換通量原理分析，土壤濃度廓線法可以獲得真實(shí)的氣體交換通量，但測(cè)量土壤剖面量，但測(cè)量土壤剖面COCO2 2

14、濃度時(shí)，都必須先破壞土壤基質(zhì)，濃度時(shí)，都必須先破壞土壤基質(zhì)，采樣過程中也同樣會(huì)存在壓差問題采樣過程中也同樣會(huì)存在壓差問題。 而而同位素法價(jià)格昂貴，難以廣泛采用同位素法價(jià)格昂貴，難以廣泛采用。 綜上所述綜上所述，現(xiàn)有的測(cè)量方法沒有哪一種是完美的。具體的，現(xiàn)有的測(cè)量方法沒有哪一種是完美的。具體的方法比較見表方法比較見表1 1。具體的方法選擇要根據(jù)實(shí)際情況決定。具體的方法選擇要根據(jù)實(shí)際情況決定。4 4溫室氣體通量測(cè)量方法應(yīng)用與溫室氣體通量測(cè)量方法應(yīng)用與發(fā)展方向發(fā)展方向 4.14.1與遙感技術(shù)結(jié)合與遙感技術(shù)結(jié)合 近年來近年來，新興的遙感技術(shù)被逐漸應(yīng)用在通量研，新興的遙感技術(shù)被逐漸應(yīng)用在通量研究中，尤以

15、究中，尤以RsRs和和GISGIS技術(shù)應(yīng)用廣泛。早在技術(shù)應(yīng)用廣泛。早在2020世紀(jì)世紀(jì)9090年年代初，加拿大學(xué)者研究森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)及其動(dòng)代初，加拿大學(xué)者研究森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)及其動(dòng)態(tài)變化所用的就是態(tài)變化所用的就是GISGIS方法，取得了良好的效果，方法，取得了良好的效果，同時(shí)建立了氣候變化和碳通量之間的關(guān)系模型。由同時(shí)建立了氣候變化和碳通量之間的關(guān)系模型。由于于RSRS的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力和的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力和GISGIS的空間數(shù)據(jù)分析能的空間數(shù)據(jù)分析能力，使它們?cè)絹碓蕉嗟乇粦?yīng)用在通量研究中。力，使它們?cè)絹碓蕉嗟乇粦?yīng)用在通量研究中。 4.24.2與高精度儀器結(jié)合與高精度儀器結(jié)合 測(cè)量測(cè)量?jī)x器的精密、準(zhǔn)確程度決定了氣體通儀器的精密、準(zhǔn)確程度決定了氣體通量測(cè)量的準(zhǔn)確性。近年來新興的技術(shù)有可調(diào)諧二量測(cè)量的準(zhǔn)確性。近年來新興的技術(shù)有可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)和美國(guó)極管激光吸收光譜技術(shù)和美國(guó)LICORLICO