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ABBLGR便携式温室气体分析仪亮相直播节目湿地碳究

日期: 2022-02-15
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文章来源:观沧海

9月16日,作为全国科普日联合主办单位,自然资源部以线上、线下相结合的方式举办了丰富多彩的主场活动,其中直播节目《湿地“碳”究》格外引人注目。

滨海湿地对于固碳释氧、应对气候变化等具有重要作用。调查发现,滨海湿地的碳主要分布在植物、土壤和水域中,但这些碳也会通过呼吸作用释放到大气中,俗称为碳在“水-土-气-生”多圈层中的循环过程。那么,这些过程是如何观测?又有哪些因素控制着碳在各圈层分布?气候变暖是如何影响碳汇过程的?这些都是科研工作者重点攻关的科学问题。

直播节目中,自然资源部北方滨海盐沼湿地生态地质野外科学观测研究站(以下简称滨海湿地野外站)站长叶思源带领观众走进滨海湿地野外站位于江苏盐城的观测站点,用通俗易懂的语言讲解了滨海湿地的生态功能,介绍了该团队野外作业相关情况,展示了在滨海湿地碳汇调查和研究方面取得的工作成果,深化了公众对碳达峰、碳中和目标的理解,推广了关爱湿地、保护湿地的理念。

ABBLGR便携式温室气体分析仪亮相直播节目湿地碳究
滨海湿地野外站一角
ABBLGR便携式温室气体分析仪亮相直播节目湿地碳究

科研人员野外调查现场



地上植物能固碳

研究滨海湿地碳汇奥秘,离不开调查装备的“硬件”支撑。
 

“芦苇是盐沼湿地的典型植物,植物体中45%的成分是碳。科研人员可以利用仪器观测植物进行光合作用的过程,也就是植物的固碳过程。”在江苏盐城湿地的芦苇地,叶思源首先向观众展示了调查常用仪器——新一代光合仪。“显示屏上的这条曲线反映了测量时间段内二氧化碳浓度的变化,如果曲线下降,表明二氧化碳浓度降低,说明植物正在吸收二氧化碳。”
 

那么,科研人员是如何得知这些地上植物的碳储量的呢?“最直接的办法是将其割了、晒干、再称重,从而估算出它的碳储量。”叶思源介绍,由于湿地调查范围较大,科研人员通常采用样方调查方法,了解湿地植物的种群、数量和生长状况,并进行生物量的测算,从而对湿地的固碳能力作出评估。
 

目前,滨海湿地野外站根据芦苇的生长特征,设置了50厘米×50厘米样方。科研人员对样方范围内每一株植物进行体检,测量其身高、体重、“腰围”等,计算每个样方的生物量,并根据区域植被分布面积,评估湿地的生物量,再根据碳转换系数,得出区域内植被圈层的碳储量。

地下的巨大碳库

除了湿地植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳,湿地的地下也存在一个巨大的碳库,而且地下碳的库存量远大于植被圈层的库存量。

直播节目中,叶思源拿起一个刚从芦苇湿地取出的土壤柱状样品说:“由于湿地大部分时间处于静水水淹状态,缺氧的环境使得土壤中微生物分解碳的能力变得非常弱,再加上滨海地区河流较多,带来的泥沙快速埋藏植物残骸,形成长期稳定的碳库。我们通过仔细观察,可以看到土壤里面包含湿地植物的根茎,把土壤洗掉,称量植物的根,就能获得植物的地下生物量。”

叶思源表示,在盐沼湿地中,土壤中的碳储量可占总碳储量的50%~98%。地上的芦苇,相当于一个加工厂,把碳生产出来,最后储存到土壤中。土壤的碳年复一年保存在这里,形成了一个巨大的碳库。

水域固碳不容忽视

此外,湿地中的水域固碳能力也不容忽视。叶思源介绍,湿地水域中生长的各类浮游植物也可以进行光合作用。浮游植物将水中游离的碳转化为有机碳,这样水里的碳少了,大气中的二氧化碳就会进入水体中进行补充,从而减少了大气中的二氧化碳,这就是水域光合固碳作用。

直播节目中,叶思源向观众展示了一套可以测定浮游植物光合作用能力的实验装置。

“我们通过监测发现,水质清澈的辽东湾水域比江苏近海浑浊水域初级生产力高出48倍,因此证明水的悬沙量对水域光合固碳效率影响很大。这提示我们,可以通过增加河流的漫游路径来减少浑浊度,进而增加近海水域的光合固碳能力。”叶思源说。

监测温室气体排放速率

调查发现,湿地生态系统中,储存于植物、土壤和水这3个圈层的碳并不是完全稳定储存的,有一部分通过呼吸作用和土壤矿化分解作用,以二氧化碳或甲烷的形式返回到大气中。

那么,科研人员又是如何监测二氧化碳或甲烷等温室气体排放速率的呢?叶思源向观众介绍了一个形似黑箱的测量装置。“我们通过该封闭箱采集气体,用布罩住形成一个黑箱,连接仪器,可以看到在没有光合作用的情况下二氧化碳浓度的变化,从而测量湿地生态系统二氧化碳的释放速率。”

叶思源介绍,总体来说,滨海湿地吸收的碳量远大于排放的碳量,是典型的负排放系统。滨海湿地野外站开展碳循环的研究工作,主要是围绕碳在不同圈层中的循环过程和控制因素,试图找到好的方法,能使生态系统多储存碳。

研究发现,滨海湿地温度小于18摄氏度、盐度大于18‰时,二氧化碳和甲烷基本不排放。当盐度达到15‰时,湿地系统固碳能力可达到最佳状态。因此,科研人员可以通过调控湿地水的盐度增强其固碳能力。

研究碳循环模式

当前,在全球气候变化大背景下,碳循环模式发生了很大变化。

叶思源介绍了一个用于研究湿地碳汇资源对全球变暖影响的增温模拟试验装置。该装置形似玻璃房,“房中”安装了很多传感器,可实时监测46个环境因子。

叶思源表示,类似这种装置,滨海湿地野外站已布设于辽河三角洲、黄河三角洲、盐城3个湿地,覆盖了2种植被、3个纬度带,并与欧美国家同等的增温站联网,全球科学家共享数据,合作研究预测不同纬度、不同生境、不同地质演化阶段的滨海湿地在未来气候变暖情况下固碳能力的变化,为应对全球变暖提出科学建议。

“我们初步研究发现,增温会破坏本土植物的固碳器官,但是会增强互花米草等入侵植物的固碳能力。”叶思源说,“当前该结论在学术界还存在争议,主要是增温的响应存在短期效应和长期效应的区别。为了更科学地认识湿地碳汇功能对增温响应的规律,我们必须在观测站进行长期监测,这也是建设该观测站点的目的。”

直播节目尾声,叶思源向观众发出呼吁:“希望大家多多了解滨海湿地,保护湿地,关注全球气候变化,践行低碳生活,为实现‘双碳’目标作出自己的贡献。”

链接:盐沼湿地如何固碳释氧
地球上有四大碳库:岩石圈碳库、大气碳库、陆地生态系统碳库和海洋碳库。其中,海洋是地球上最大的活跃碳库,是陆地碳库的20倍、大气碳库的50倍。海洋每年吸收约30%的人类活动排放到大气中的二氧化碳。海洋储碳周期可达数千年,在全球气候变化中发挥着不可替代的作用。
要实现碳达峰、碳中和目标,必须下大力减少大气中的二氧化碳,除了调整能源结构、推动产业结构转型、提升能源利用高效率、加速低碳技术研发推广,增加生态系统碳汇也是行之有效的方式之一。比如,滨海湿地生态系统单位面积的固碳速率是陆地生态系统的15倍和海洋生态系统的50倍。
湿地是位于陆生生态系统与水生生态系统之间的过渡地带,泛指暂时或长期覆盖水深不超过2米的低地、土壤充水较多的草甸以及低潮时水深不过6米的沿海地区,包括咸水淡水沼泽地、湿草甸、湖泊、河流以及河口三角洲、泥炭地、湖海滩涂、河边洼地或漫滩、湿草原等。
滨海湿地位于陆海交互带,是海岸带的一部分。天然的滨海湿地主要分为盐沼湿地、红树林湿地、珊瑚礁湿地、水草床湿地等类型。滨海湿地物种丰富,有很高的生态服务功能,在水土保持、岸线稳定、污染物质净化、碳埋藏与温室气体吸收以及为人类提供休息娱乐场所等方面具有很高的价值。
作为滨海湿地的重要组成部分,盐沼湿地基本特性是地表水呈碱性且土壤中盐分含量较高,表层积累有可溶性盐,其上生长着盐生植物,如芦苇、互花米草、柽柳和赤碱蓬等。
滨海盐沼湿地具有很高的初级生产力,其土壤除了表层数厘米或数毫米的氧化层外,下部还储有巨大的碳库。该生态系统碳库大致可分为3个部分,包括地上活生物量(灌木、禾本和草本等),地下活生物量(根系和根状茎)以及土壤碳库。盐沼湿地碳库主要由内源碳和外源碳组成。其中,外源碳是通过水系输入至盐沼系统,而内源碳主要来自盐沼湿地系统中的大型植物或藻类的光合作用,但内源碳大部分却以二氧化碳或甲烷的形式又返回到大气中了。
植物是盐沼碳汇功能实现的关键所在。盐沼中的植物光合作用,又称初级生产过程。该过程以大气中的二氧化碳和土壤中的水为反应物,以光能为能源,以自身为反应器将光能转化成化学能固定于体内,完成碳元素从无机态向有机态的转化。
盐沼中的植物与藻类生长能够通过光合作用快速固定大气中的二氧化碳。在潮下带盐沼中,主要初级生产者是浮游藻类和底栖藻类。这些藻类在空间上来源于海水水体、底部沉积物2个部分,海水水体固定的碳元素在潮汐水流的搬运作用下进行空间上的再分配,而底部沉积物固定的碳元素在空间上的分布较为稳定。在潮间带和潮上带盐沼中,大型植物类型是确定滨海湿地初级生产力的主要因素,大型植物固碳量普遍占滨海盐沼生态系统固碳量的90%以上。
 



UGGA 采用紧凑型设计,将所有组件集成于一只小巧的野外便携箱中。大大减少了体积,降低了重量,并提高了便携性。适合于各种测量载体,诸如汽车、飞机、舰船、无人机载,甚至单人人力携带。UGGA 可使用直流供电,且能耗低至 60W,内置 Wifi,可以通过多种电子终端进行遥控操作。UGGA 可以快速同时测量 CH4,CO2 和 H2O 浓度,操作简单,使用方便,是一款进行野外研究,泄漏检测,空气质量研究和土壤通量研究的理想设备。

ABBLGR便携式温室气体分析仪亮相直播节目湿地碳究

特点:
● 便携式箱体设计
● 体积小,重量轻 
● 可直流供电,且能耗低至 60W
● 三种气体(CH4, CO2, H2O)同时测量
● 内置 Wifi,可通过多种终端设备遥控操作

性能指标:
◆ 测量范围:
● CH4:0~100 ppm
● CH4:0~1%(需增加扩展量程选项)
● CO2:0~20000 ppm
● H2O:0~30000 ppm
三种气体(CH4, CO2, H2O)同时测量
内置 Wifi,可通过多种终端设备遥控操作

◆ 可选测量范围:
● CH4:0~1000 ppm
● CH4:0-1%(需增加扩展量程选项)
● CO2:0~3%
● H2O:< 99%RH,无冷凝

◆ 重复性 / 精度(1σ,1 秒 /10 秒 /100 秒)
● CH4:1.4 ppb / 0.5 ppb / 0.2 ppb
● CO2:300 ppb / 100 ppb / 30 ppb
● H2O:50 ppm / 20 ppm / 10 ppm

◆ 测量速度:0.01-1 Hz(用户可选)

◆ 环境条件:
● 操作温度:5~45 ℃
● 环境湿度:0~100% RH,无冷凝

◆ 输出:数字(RS 232)、模拟、以太网、USB
◆ 电力需求:60 W (11–30 VDC) 66 W (100–240 VAC, 50/60 Hz)
◆ 尺寸与重量:18cm(H)x 47 cm(W)x 36 cm(D),16.9 kg


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