温室气体大气通量

温室气体大气通量
大气中温室气体体积分数增加导致的全球气温升高，引起了世界各国政府和科学家的共同关注，已成为全球生态环境研究中的一个热点领域。

CO2、CH4、N2O是大气中最主要的3
种温室气体，在对温室效应的贡献中，CO2占70％，CH4占23％，N2O占7％，它们对全球气候变暖的增温贡献分别是60％、15％和5％。

人类活动的影响，大气中CO2，体积分数从1800年的80×10-6增加到目前的345 X 10-6，而且目前正以每年0．5％的速度在增长；CH4是大气中除CO2外最为丰富的含碳化合物，虽然在大气中只有10a的存活时间，但它是一种红外辐射活性气体，其红外吸收能力是CO2的20～30倍，是一种很重要的温室气体。

20世纪70年代末80年代初，大气CH4含量随时间变化的监测工作开始在世界不同地方进行，随着研究的不断深入，国内外多项观测结果表明，大气中CH4体积分数从过去的0．72×10-6上升到现在的1．78×10-6，已经增长了一倍多，且目前正以每年0.8％-1.1％的年速率在增长。

据估计，全球每年排放CH4总量约为420×1012～620×1012g。

1.湿地温室气体国内外研究现状
国外对自然湿地温室气体的排放研究报道较少，中国的湿地温室气体研究主要集中若尔盖和青藏高原的草丛湿地。

辽河三角洲芦苇湿地、三江平原的草丛湿地和沿海红树林湿地等湿地的研究。

在若尔盖高原沼泽的研究中温度条件是影响沼泽湿地CH4排放的重要因之一，若尔盖高原沼泽地由于其气候条件影响，其CH4排放量平均值仅是我国面积最大的三江平原沼泽湿地排放量的1/5左右。

水分条件和温度条件是影响沼泽地CH4排放地域差异的主要因子。

对芦苇湿地温室气体CH4进行研究发现，其排放有明显的季节性变化规律性，大量的CH4发生在夏季，之前因土壤含水量低，表现为吸收CH4，秋季排水后，CH4排放明显减少。

芦苇植株不仅能通过其根系的作用促进CH4产生，而且还能将土壤中产生的CH4传到大气中去，芦苇湿地CH4排放与温度呈现正相关。

湿地稻田CH4抑制剂的研究、高产低CH4排放的水稻田品种的培育也是当今研究的热点，也是最佳途径。

目前世界上研究较为完善的是日本等发达国家。

典型草甸小叶章湿地的N20排放与5cm地温的相关性较大，而沼泽化草甸小叶章湿地与之相关并不明显，积水环境条件对其影响更为明显。

三江平原沼泽湿地是N2O排放的源，冬季则表现为N2O的汇。

地壤温度是影响N2O排放通量季节性娈化的重要环境因素，生长季内的积水水位与土壤温度则会影响到N2O排放通量的年际变化。

三江平原沼泽湿地N20与C02排放通量问相关性显著，促使二者之间产生这种内在联系的因素：温度、植物根系、有机质分解及植物气孔行为调节等，这些因素的共同作用使得N20与CO2。

排放间存在较为密切的联系]，三江湿地毛果苔草沼泽和小叶章湿地草甸贴地气层中植物冠层附近CH4浓度相对较高，冠层以上随高度增加，CH4浓度递减明显。

2大气通量的测量方法
2．1箱法
箱法是目前最常用的方法，用来测量土壤和大气间微量气体交换通量，工作原理简单，用特制箱子罩在一定面积的下垫面上方，隔绝箱内外气体的交换，随时间的变化测定箱内温室气体，根据计算得出气体交换通量。

主要分为3种类型：密闭式静态箱、密闭式动态箱和开放式动态箱。

密闭式静态箱又包括碱液吸收法和气相色谱法2种，碱液吸收法是用溶液吸收CO2，形成碳酸根，主要是NaOH或KOH溶液，吸收结束后进行滴定，计算出土壤在这一段时间内的CO2排放量。

采样箱分为透明箱和暗箱2种。

透明箱一般用薄聚酯纤维或有机玻璃制成，在理想状况下该法可测得土壤界面或植被界面与大气间痕量气体的交换通量，但太阳辐射会使箱内温度升高进而影响结果。

暗箱是指避光的采样箱，其采样原理和操作方法基本与明箱一样，使用暗箱的主要目的就是减少太阳辐射的影响。

动态箱法测定温室气体通量开始于20世纪70年代。

这种方法是指气体在气室和传感器之间循环，利用传感器来测量气室内待测气体浓度的变化。

分为密闭式动态箱和开放式动态箱。

密闭式动态箱只是增加了气体
的循环过程，具体测量原理与静态箱原理相似。

而开放式动态箱气体并不再回流，并且是通过计算箱入口和出口处气体浓度差异来确定气体的排放通量。

箱内气体排放、吸收速率用通量的计算方法，即单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化，正值表示气体排放到大气，负值表示气体的吸收，用公式表示为：
式中，F为气体通量(mg·m-2·h-1)，V为观测箱的容积(L)，V为观测时包围的土壤面积(m2)，
为采样箱内气体浓度随时间的变化率H为采样箱露出沉积物大气界面的高度(m)，Δv
Δc
(mg·L-1·h-1)。

2．2微气象学法
微气象学法包括空气动力学方法、涡度相关法、波文比能量平衡法等。

（1）空气动力学方法。

该方法认为，近地面层温度、水汽压和风速等各种物理属性的垂直梯度，受大气传导性的制约，根据温度、湿度和风速的梯度及廓线方程，用不同的积分公式求解出农田上的蒸发潜热和显热通量。

（2）涡度相关法。

用特制的涡动通量仪直接测算下垫面显热和潜热的湍流脉动值，而求得植被腾发量的方法。

其计算式为：
式中：E为瞬时蒸发值；ρ是空气密度；是垂直风速；q是湿度的瞬时脉动值。

在计算时取它们乘积的半小时或长时间的平均值。

(3)波文比能量平衡法。

以下垫面的水热交换为基础，在假定热量交换系数和水汽的湍流交换系数相等的情况下，根据相似理论引入波文比显热通量与潜热通量之比，并将β微分化为差分后代入湿度常数系数，简化下垫面的能量平衡方程而求得植被腾发量的方法。

2．3土壤浓度廓线法
该法是指假设土壤浓度均一，就可以通过测定土壤剖面不同深度的气体浓度来计算土壤与大气间的气体交换通量。

土壤剖面温室气体浓度的测量方法主要有2类：土壤气体采样管和多层采样探头，但是无论哪一种，都必须先破坏土壤基质再进行管路或探头的埋设。

2．4同位素法
该法是指含有较轻原子(如12C)的化学键活化能较低，产物中C浓度会由于化学或生物酶反应增加，而反应基质中则是12C浓度增加，从而可以鉴定土壤中排放出来的CH4的量。

由于在沉积物中氧化生成CH4，因此碳同位素比例上有很大不同，因此可通过实验测定土壤产生的CO2和CH4中的元素同位素组成。

根据同样原理，也可用同位素15N鉴定N20。

但N20含量较低，很难获得准确的分析结果。

3方法比较
箱法操作简单，目前应用比较广泛。

但密闭静态箱对观测有扰动，并且多种因素都会对气体交换通量的测量产生影响。

而所有微气象法对观测下垫面都有极为严格的要求。

从测量原理分析，土壤浓度廓线法可以获得真实的气体交换通量，但测量土壤剖面CO2浓度时，都必须先破坏土壤基质，采样过程中也同样会存在压差问题。

而同位素法价格昂贵，难以广泛采用。

综上所述，现有的测量方法没有哪一种是完美的。

具体的方法比较见表1。

具体的方法选择要根据实际情况决定。

4温室气体通量测量方法应用
与发展方向
4.1与遥感技术结合
近年来，新兴的遥感技术被逐渐应用在通量研究中，尤以Rs和GIS 技术应用广泛。

早在20世纪90年代初，加拿大学者研究森林生态系统的碳库及其动态变化所用的就是GIS
方法，取得了良好的效果，同时建立了气候变化和碳通量之间的关系模型。

由于RS的连续动态监测能力和GIS的空间数据分析能力，使它们越来越多地被应用在通量研究中。

4.2与高精度仪器结合
测量仪器的精密、准确程度决定了气体通量测量的准确性。

近年来新兴的技术有可调谐二极管激光吸收光谱技术和美国LICOR公司的
LI-8150系统，其中前者为快速测定温室气体浓度提供了新的手段，可实现多种土壤温室气体同步观测，而后者则可实现多点测定。

因此，高精度仪器的研发及其各项功能的拓展有助于获得更精确的碳通量研究结果，并进一步推动气体通量及其相关研究的进程。