碳氮气体同位素同步观测系统

大气中CO₂、CH₄、N₂O等温室气体迅速增加，是造成全球气候变化的最重要因素之一。 痕量温室气体的测定对准确评估大气温室气体源汇至关重要，目前在定量估计温室气体吸收汇方面还存在很大的不确定性，比较而言，甲烷吸收汇和氧化亚氮吸收汇的不确定性比CO₂吸收汇大得多。

新一代的Aerodyne稳定碳氮气体同位素光谱仪可以对气体和同位素同步进行高频（10Hz）连续的原位监测，同时可以实现痕量温室气体含量和碳氧同位素的同步观测，为痕量温室气体的监测和溯源提供了新的工具。

生态系统碳氮循环过程中的多种温室气体排放速率（CO₂、CH₄、N₂O等）的实时测定需要提高时间分辨率、空间分辨率，需要原位无损、长时间、全参数、高精度、一体化、自动化和远程操控等技术协助捕获参数的微量变化，并通过同位素¹³C-CO₂ 、¹⁸O-CO₂溯源，了解碳、氮、水循环耦合过程。

该系统主机Aerodyne闭路气体分析仪采用可调谐红外激光直接吸收光谱（TILDAS）技术， 用中红外激光探测气体分子，独有的像散型多光程吸收池技术有效测量光程高达210m，有效提高气体分子的测量精度，达ppt级。可以同时测量痕量气体及碳氧同位素N₂O、 CH₄、H₂O、CO₂、 δ¹³C-CO₂、δ¹⁸O-CO₂ 。

1、 用中红外激光直接吸收技术，测量频率可达10Hz，检测限达ppt级。

2、独有的双激光测量技术，一个分析仪同时测量多个痕量气体和同位素，减少多台系统测量时的系统误差。

3、TDLWINTEL软件提供光谱回放模式，可选择HITRAN光谱标库里的标准光谱曲线，对测量的光谱重新拟合，对测量结果重新判定， 其它品牌无法做到。如，若标气不纯、含杂质，可从光谱回放中判定。

4、多气体测量时，可用高纯度氮(99.9992%)冲洗测量室，定期测定零气光谱，去除背景干扰。

5、每次测量时关闭激光，从“Zero”测量光谱绝对值（非差分法、光腔衰荡），测量过程无需标定。

6、专利技术-活性钝化装置可显著提高粘性气体分子如NH3的响应时间，实现粘性气体和非粘性气体的同步观测，如NH₃, CO₂, O₃，N₂O, CH₄同步观测。

7、专利技术-惯性颗粒物去除接口，专门用于粘性气体测量时，去除进气口颗粒物残余，去除对二次采样的污染。

8、具有激光频点校准腔室，可以在测量过程中实时校准激光吸收光谱频点，防止频点飘移。

文献信息：

温带森林生态系统同位素组成的长期涡动协方差测量——大气CO₂交换

CO₂净生态系统-大气交换（NEE）的稳定同位素组成携带了有关生态系统碳循环机制的信息。二氧化碳在水中的羧化、扩散和溶解等过程分馏了二氧化碳的同位素。因此，净CO₂交换的同位素组成可用于探测这些过程，并为评估生物物理生态系统模型提供独立的约束条件。它还可以阐明生态系统对大气同位素收支的影响，这对陆地/海洋、源/汇分配有影响。此外，它还可用于将NEE划分为初级生产力总量和生态系统呼吸总量。

NEE通常最直接的测量方法是涡流协方差（EC）法，在缺乏直接同位素通量测量的情况下，一些旨在划分NEE的研究中使用了所谓的EC/烧瓶法（Bowling et al.，1999）间接确定了NEE的碳同位素组成。 ¹³C在1秒到30分钟的时间范围内发生，典型的标准偏差仅为0.02‰（Saleska等人，2006年），在2008年开发出专门的量子级联激光光谱仪（TILDAS）之前，还没有能够直接监测二氧化碳同位素的仪器。与标准EC系统一样，在平静的夜晚观察到“lostflux”，在其他时段也发挥一定作用。

上图.QCLS噪声（σm），单位为C（黑色，ppm）δ¹³C（绿色，‰），和δ¹⁸O（蓝色，‰）与积分时间（τ），对于40 min的校准间隔以及几乎相等的样品和参考池CO₂摩尔混合比。细对角线是白噪声的相应期望值。垂直的橙色虚线标志着哈佛森林涡旋输送的主要时间尺度。作为比较，Allan偏差为δ¹³C，无校准（实线灰线）和校准（虚线灰线）。

     涡动协方差要求较高的采样率，粗略地说，在涡动输送的主要时间尺度上整合数据。我们的共谱（见第4.3节）表明，在哈佛森林，涡动输送在1到1000秒的时间尺度上非常重要，峰值约为50秒或30秒（取决于您是考虑傅立叶还是多分辨率共谱）。因此，上图表明，EC系统的TILDAS仪器噪声约为C=18 ppb，δ¹³C=0.02‰，δ¹⁸O=0.04‰（在40秒时用橙色垂直虚线标记）。

上图.QCLS噪声（σm），单位为C（黑色，ppm）δ¹³C（绿色，‰），和δ¹⁸O（蓝色，‰）与校准间隔（△tcal），积分时间为100 s，样品和参考池CO₂摩尔混合比几乎相等。上图展示了光谱仪的特殊稳定性，如使用△tcal等于4分钟（短校准时间间隔）可将噪声降低到2倍左右。