北極苔原位于北半球，是多風(fēng)無樹的平原。因其溫度低，生長季短，在冬季土壤下層（向下25-90 cm）被永久凍結(jié)（“多年凍土層”），阻礙了樹木的生長。在夏季，多年凍土層融化僅足夠用于植物的生長和繁殖，由于下層土壤凍結(jié)，水分無法下沉并形成湖泊和沼澤。苔原凍土地區(qū)占世界土壤結(jié)合碳的很大一部分（是當(dāng)今大氣中碳的1.5倍），湖泊和濕地中植被腐爛會(huì)產(chǎn)生CH4。過去幾十年，人們認(rèn)為北極苔原是碳匯，因?yàn)樗梢酝ㄟ^光合作用捕獲大氣中大量的CO2，而如今受氣候變化的影響，它已經(jīng)成為重要的碳源，將溫室氣體釋放到大氣中。因此，對(duì)環(huán)境科學(xué)家而言，理解該生態(tài)系統(tǒng)中季節(jié)，植被，氣候因子對(duì)CH4排放的影響至關(guān)重要。
大量研究表明，由于多年凍土層的季節(jié)性融化，在北極地區(qū)夏季CH4從大量不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)中排放。然而，很少有研究去理解秋季，冬季和春季（代表了北極地區(qū)一年中的70-80%）的CH4排放現(xiàn)象。以往的幾個(gè)研究表明秋季甲烷通量高，而春冬季節(jié)無甲烷通量。在所附的文章中“ Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget”，一組國際跨學(xué)科的科學(xué)家們報(bào)道了全年CH4排放，包括從沿著阿拉斯加北坡300公里緯度樣帶上的5個(gè)阿拉斯加北極苔原渦度協(xié)方差（EC）站點(diǎn)測得的通量數(shù)據(jù)，旨在理解CH4通量的季節(jié)性變化。此項(xiàng)目中，EC塔上安裝了開路分析儀和閉路LGR-ICOS快速溫室氣體分析儀（GLA331-GGA，前身為FGGA-24EP）以在連續(xù)多年凍土層上進(jìn)行全年CH4渦度通量觀測。
ABB LGR-ICOS 加強(qiáng)型機(jī)載溫室氣體分析儀（GLA331-GGA）
合并開路和閉路儀器中CH4的測量值并平均以產(chǎn)生半小時(shí)的渦度通量值。綜合估算了5個(gè)站點(diǎn)從2013年6月到2015年1月的CH4通量，獲取了兩個(gè)夏-秋-冬周期數(shù)據(jù)，具有高時(shí)間分辨率。
A-E：北坡5個(gè)EC站點(diǎn)測得的甲烷通量（mg C- CH4 m?2 h?1）。
F：阿拉斯加地圖，表明站點(diǎn)位置和表面淹沒的百分比（Zona et al.）。
這些觀測結(jié)果表明長期以來，冷季（9-5月）CH4排放量與夏季排放量相當(dāng)或更高。在最干燥的地區(qū)，冷季排放量主導(dǎo)了全年的CH4預(yù)算，這比以前在其它連續(xù)多年凍土地區(qū)模型中預(yù)測的貢獻(xiàn)（35%）明顯更高，同時(shí)也高于阿拉斯加北部（40%）的全年觀測值數(shù)。
作者也研究了土壤狀況對(duì)CH4通量變化的影響（淹水和溫度）。
在所示時(shí)段內(nèi)，阿拉斯加北坡3個(gè)EC站點(diǎn)甲烷通量隨土壤溫度的變化。黑色箭頭指示每個(gè)階段的季節(jié)性進(jìn)程（Zona et al.）。
他們發(fā)現(xiàn)在低淹水的EC站點(diǎn)CH4排放量最高，這與常規(guī)預(yù)測模型模擬和預(yù)測的淹水環(huán)境中CH4排放量最高的結(jié)果相矛盾。在土壤溫度對(duì)CH4通量的影響上，作者假設(shè)冷季大量CH4排放與延長的“零點(diǎn)幕”期有關(guān)，該時(shí)期土壤和地下溫度都保持在0℃附近，表明總排放量對(duì)土壤環(huán)境以及相關(guān)因素（例如降雪深度）非常敏感。
假設(shè)土壤物理過程會(huì)影響CH4產(chǎn)生和氧化示意圖，該過程與季節(jié)有關(guān)。淺藍(lán)色表示土壤溫度較低，淺棕色表示土壤溫度較高；箭頭指向夏季解凍鋒面的方向，冷季凍結(jié)鋒面的方向（Zona et al.）。
作者認(rèn)為在零點(diǎn)幕期，即使CH4生成量較低，土壤近地表凍結(jié)降低了CH4氧化，導(dǎo)致了大量的CH4排放。零點(diǎn)幕期持續(xù)時(shí)間比生長季長，并且當(dāng)持續(xù)時(shí)間延長時(shí)，如深厚的積雪會(huì)延長融化深度，CH4排放量增加。
總之，研究表明冷季（9-5月）CH4排放量占阿拉斯加苔原全年CH4排放量的50%以上，且這些排放量對(duì)土壤環(huán)境和相關(guān)的因素非常敏感。同時(shí)表明了，預(yù)計(jì)北極地區(qū)未來會(huì)持續(xù)變暖和積雪，這將導(dǎo)致全球CH4排放量的顯著增加，且該過程中冷季排放量（9-5月）重要性增加。
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Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget.pdf
美國和英國研究團(tuán)隊(duì)在同一EC阿拉斯加4個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行了另一項(xiàng)研究，解決了北極苔原空間異質(zhì)性的難題。他們測量了土壤CH4和CO2通量以及一系列環(huán)境變量，旨在理解北極生態(tài)系統(tǒng)植被類型與CH4排放的關(guān)系和控制機(jī)制。該研究成果報(bào)道在所附的文章中“Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes”。
為了能在生長季早期安裝通量環(huán)，作者利用每個(gè)站點(diǎn)的航拍圖進(jìn)行了調(diào)查，并檢查了所有站點(diǎn)的植被地圖以及描述，以最大程度與現(xiàn)存分類保持一致性。他們確實(shí)了EC研究地區(qū)6種不同的植被類型：
叢生苔草（a）
苔蘚-地衣（b）
苔蘚-灌木（c）
濕苔草（d）
禾本科干雜草（e）
苔蘚（f）
在融化季節(jié)（2014年6月）安裝PVC環(huán)（高15 cm/直徑20 cm）對(duì)選定植被類型的土壤樣品進(jìn)行分離，并在高峰季節(jié)（2014年7月）對(duì)植被進(jìn)行調(diào)查。每個(gè)植被類型共放置6或7個(gè)（取決于站點(diǎn)）重復(fù)環(huán)，深度大約15 cm，所有站點(diǎn)總共91個(gè)環(huán)。
LGR的便攜式溫室氣體分析儀（GLA132-GGA，前身是UGGA）依次連接各種植被環(huán)，使用圓柱形有機(jī)玻璃氣室通過進(jìn)口和出口管在閉路循環(huán)模式下以1HZ采樣率測量CH4和CO2通量。
ABB LGR便攜式溫室氣體分析儀（GLA132-GGA）
在每個(gè)采樣點(diǎn)，有機(jī)玻璃氣室放置2 min，以實(shí)現(xiàn)氣室頂空CH4和CO2濃度的穩(wěn)定增加。測量后，移開氣室以重建環(huán)境氣體濃度，用黑色毛氈蓋覆蓋，再放回到環(huán)上2 min。
氣室通量測量設(shè)置示意圖，包括氣室，環(huán)尺寸以及所用設(shè)備的詳細(xì)信息
用一個(gè)透明的氣室測量凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量（NEE），用不透明的氣室測量生態(tài)系統(tǒng)的呼吸量（ER），以計(jì)算代表生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生碳生物量總量的總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）。（GPP=NEE+ER）。利用線性斜率擬合技術(shù)計(jì)算氣體通量。所有樣地都在一天的相同時(shí)間測量（10 am-3 pm）。
2014年夏季在4個(gè)阿拉斯加北極站點(diǎn)測得的總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）通量（Davidson et al.）
利用該設(shè)備，科學(xué)家們在所有樣地的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濕苔草的平均CH4排放量最高，其它植被類型排放量較低。此外，還發(fā)現(xiàn)地下水位高于或位于土壤表面的樣地CH4排放量最高。作者建立了幾個(gè)多元回歸模型以確定CH4通量的驅(qū)動(dòng)因子，并檢驗(yàn)GPP，溶解性有機(jī)碳和CH4通量之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)高度簡化的植被分類僅包括3種植被類型（濕苔草，叢生苔草和其它），解釋了整個(gè)樣帶中54%的CH4通量變化。其表現(xiàn)幾乎與一個(gè)更復(fù)雜的模型一樣，該模型包括多種生物和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子例如地下水位，苔草高度以及土壤水分（解釋58%的CH4通量變化）。
A：CH4通量，B：2014年夏季在4個(gè)阿拉斯加北極站點(diǎn)測得的地下水位深度（正值=積水，負(fù)值=水位在土壤表層以下）。條形圖是每個(gè)日期的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差（Davidson et al.）
作者得出的結(jié)論是植被是主要變量，解釋了來自多個(gè)植被群落，環(huán)境狀況以及地理位置的各種苔原類型CH4通量的空間異質(zhì)性。濕苔草群落主導(dǎo)CH4排放，而其他植被類型排放率更低。這些發(fā)現(xiàn)表明了植被組成作為與CH4通量有關(guān)的條件的綜合度量的重要性。
多年來，LGR-ICOS儀器在分析性能，易用性以及耐用性方面享有很高的聲譽(yù)。其專利離軸積分腔輸出光譜技術(shù)（OA-ICOS）已在多家同行評(píng)審的出版物中得到了證明與肯定。LGR ICOS分析儀可以在多樣化的環(huán)境中收集科學(xué)數(shù)據(jù)，在海底1000 m處，積雪覆蓋的森林，北極苔原，亞馬遜河漫灘平原，沙漠，飛機(jī)，直升機(jī)或無人機(jī)上，運(yùn)行的汽車或卡車上，火車屋頂上或極地海洋巡游的研究船上都可以看到其身影。
ABB LGR-ICOS儀器的應(yīng)用場景
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Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes.pdf