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CPEC-AZ閉路渦度相關法通量觀測系統

一、 應用

目前，開路渦動相關法通量觀測系統無法同步測量多種氣體，其精度也無法滿足痕量溫室氣體的測量要求，在雨雪天氣數據不連續問題給科研帶來很多困擾。

CPEC-AZ閉路渦度相關法通量系統采用中紅外技術，測量頻率可達10Hz，檢測限達ppt級，可用于野外實時測量痕量氣體。

此外，還能同步測量多種含碳、含氮痕量氣體及氣體同位素，如：

CO/CO₂/CH₄/C₂H₄/HCHO/CHOOH/COS/SO₂

NO/N₂O/NO₂/NH₃/ HONO/ HNO₃

¹³C-CO₂， ¹⁸O-CO₂， ¹⁷O-CO_2，HOD，

¹⁵N¹⁴N¹⁶O（δ¹⁵N^α）， ¹⁴N¹⁵N¹⁶O（δ¹⁵N^β）

二、系統組成

該系統主機Aerodyne閉路氣體分析儀采用可調諧紅外激光直接吸收光譜（TILDAS）技術，用中紅外激光探測氣體分子，獨有的像散型多光程吸收池技術有效測量光程高達210m，有效提高氣體分子的測量精度，達ppt級。

該系統由Aerodyne閉路式氣體分析儀、超聲風速采集模塊、數據整合軟件、恒溫機箱、采氣管路等組成。

超聲風速采集模塊可與已有的開路渦度相關法通量觀測系統共用，在超聲風速儀中心設置采樣管，即可完成原有的開路渦度相關法系統升級，同步觀測多種氣體。

農田生態系統閉路渦度相關法含氮氣體通量觀測

三、系統優勢

1、該系統采用的Aerodyne閉路氣體分析儀對痕量氣體測量頻率可達10Hz，能完全滿足渦度相關法通量觀測條件，測量精度高，檢測限可達ppt級。各種氣體測量精度見技術指標。

2、該系統可同步觀測多種氣體，部分氣體分子組合如下（可根據科研需要，提供近百種氣體組合）：

1）N₂O、CO₂、NH₃、O₃、CO、H₂O

2) N₂O、CO₂、CH₄、COS、CO、H₂O

3）NO、NO₂、H₂O

4) N₂O、CO₂、CH₄、CO、C₂H₆、H₂O

5) HONO、HNO₃、H₂O

6) HCN、HCl

7）CH₄、C₂H₆、C₃H₈

采用活性鈍化系統后，NH3測量的時間常數和高頻通量變化（時間常數更快）

3、該系統還可同步觀測多種氣體同位素，部分氣體同位素組合如下：

1）N₂O、¹⁵N¹⁴N¹⁶O、¹⁴N¹⁵N¹⁶O、¹⁴N¹⁴N¹⁸O

2）CH₄¹³CH4、CH₃D

3）CO₂、¹³C-CO₂、¹⁷O-CO₂、¹⁸O-CO₂

4、**技術活性鈍化裝置可顯著提高粘性氣體分子如NH₃、HONO等的響應時間，實現粘性氣體和非粘性氣體的同步觀測，如 N₂O、CO₂、NH₃、O₃、CO、H₂O

同步觀測。

5、慣性顆粒物分離裝置，能有效減少顆粒物附著，確保兩次采樣不會交叉污染。

6、該系統能夠實現自動全量程校準和零點校準。

四、技術指標

該系統可測量氣體分子、1s及100s測量精度、相應時間如下：

常見痕量溫室氣體：

含碳氣體同位素：

含氮氣體同位素：

四、應用案列

1、意大利北部土壤農田氮施加控制試驗，通過CPEC方法探究氨態氮（NH₄⁺-N\NH₃）內部轉化過程及氨氣（NH₃）恢復性流失^【1】。

蘭德里亞諾Landriano 2009（SI-09）和2011（SI-11）試驗期間，通過渦流協方差系統（EC）和反向拉格朗日隨機模型（bLS）估算NH₃累積排放和歸一化損失

結果表明：氮施加實驗后24和30 h。的**NH₃排放水平為138.3 mg/m-²s-¹和243.5mg/m-²s-¹，NH₄-N的總損失比例在兩次擴散實驗后7天分別為19.4％ 和28.5％。

2、中國亞熱帶典型的蔬菜田利用CPEC方法同時測量一氧化二氮（N₂O），甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）通量^【2】。

N₂O，CH₄和CO₂（實心圓）和氣溫（空心圓）的頻率加權歸一化共譜）以及相應的高頻共譜傳遞函數

結果表明：通過Aerodyne雙激光分析儀的檢測結果計算出N₂O的中值精度（1σ）為0.14 nmol/mol^-1，在野外條件下，采樣頻率為10 Hz時，CH₄的摩爾濃度為3.3 nmol/mol，CO₂的摩爾濃度為0.36μmol/mol。

3、美國馬薩諸塞州溫帶森林中生態系統-大氣二氧化碳凈交換（NEE）的同位素組份（即¹²C¹⁶O₂、¹³C¹⁶O₂和¹⁸O¹²C¹⁶O的凈交換量）CPEC方法測量^【3】。

通過EC(實線)和EC/Flask(虛線)估算的6月（橙色）7月（綠色）、8月（藍色）和9月（紫色）的δ¹³C日變化。EC循環已平滑至2 h，并且僅展示了CO₂通量小于-2 mol m^-2 s^-1的時間。

NEE中δ¹⁸O6月（橙色）7月（綠色）、8月（藍色）和9月（紫色）的δ¹³C日變化，EC結果已平滑至2 h

結果表明： NEE中的¹³C組份表現出日變化的趨勢，可能反映了光合作用的擴散和生化限制之間的平衡轉移。白天，¹⁸O同位素通量表現出與蒸發的¹⁸O葉片水富集有關的特征。同位素通量和NEE中的¹³C組份都有明顯的季節性變化，NEE中的¹⁸O組份逐月更一致。

4、瑞士中部集約化經營草地采用量子級聯激光吸收光譜法（QCLAS）對N₂O**同位素表征。

標氣（紅色）和表層（黑色）N₂O摩爾分數（頂部）和同位素值（三個底部面板）在原為實驗期間的大氣表層測量

結果表明：同步渦度協方差N₂O通量測量確定了土壤中N₂O的通量平均同位素特征，集約經營草地N₂O的通量平均同位素組成SP、δ¹⁵N^buk和δ¹⁸O分別為6.9±4.3、-17.4±6.2和27.4±3.6‰。

5、美國哈佛森林溫帶落葉林通過羰基硫的吸收確立了林冠層氣孔導度，蒸騰和蒸發的動態變化。

冠層OCS吸收和初級生產總值（GPP）隨著葉相關吸收（LRU）和光和有效輻射（PAR）的綜

冠層OCS吸收和初級生產總值（GPP）隨著葉相關吸收（LRU）和光和有效輻射（PAR）

結果表明：在這個溫帶的落葉森林林地中，基于土壤中OSC含量預測土壤始終是羰基硫的匯。OCS通量測量可以作為探測其他生態系統中的氣孔導度的通用工具，并且可在葉片尺度和實驗室研究中用作探測氣孔導度的通用工具。

參考文獻：

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【2】Applicability of a gas analyzer with dual quantum cascade lasers for simultaneous measurements of N₂O， CH₄ and CO₂ fluxes from cropland using the eddy covariance technique，Dong Wang， Kai Wang a， ， Xunhua Zheng ， Klaus Butterbach-Bahl ， Eugenio Díaz-Pinés ， Han Chen.， Science of the Total Environment 729 (2020) 138784

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