背景介紹

在全球氣候變化的背景下，一氧化二氮（N?O）作為溫室氣體雖然在大氣中的濃度遠(yuǎn)低于二氧化碳，但其單位質(zhì)量的全球變暖潛能卻高達(dá) CO? 的近300倍。傳統(tǒng)研究多集中于農(nóng)業(yè)土壤中 N?O 排放的測定，而近年來越來越多的證據(jù)表明，在營養(yǎng)貧乏且環(huán)境極端的生態(tài)系統(tǒng)（如亞北極和北極泥炭地、融凍永凍層）中，N?O 的通量不僅低得難以檢測，而且有時甚至表現(xiàn)為負(fù)值（吸收狀態(tài)）。這些低通量信號對于揭示微妙的生物地球化學(xué)過程具有關(guān)鍵意義，但常規(guī)氣相色譜（GC）方法由于采樣頻率低、響應(yīng)延遲大及儀器靈敏度不足，往往難以捕捉如此微弱的動態(tài)變化。
在此背景下，來自德國馬克普朗克研究所的科學(xué)家成功構(gòu)建了一套以Aeris MIRA Ultra N?O/CO? 分析儀為核心的N?O 通量測量系統(tǒng)。Aeris MIRA Ultra N?O/CO? 分析儀憑借其采用中紅外激光吸收光譜技術(shù)、具有極高的靈敏度（對 N?O 達(dá) 0.2 ppb/s）和1 Hz 的高頻采樣能力，成為突破傳統(tǒng)方法局限的重要工具。該儀器不僅能實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，而且通過與定制化的通量腔體系統(tǒng)及多參數(shù)數(shù)據(jù)記錄器的集成，使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量得到即時控制，從而為低濃度 N?O 測量提供了前所未有的精細(xì)化與可靠性。

研究方法

本研究構(gòu)建了一整套基于 Aeris MIRA Ultra 分析儀的現(xiàn)場測量系統(tǒng)，其核心創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、儀器及系統(tǒng)集成

高精度與實時性： MIRA Ultra 采用中紅外激光吸收光譜技術(shù)，能夠在極低功耗（22 W）的條件下，高精度（N?O < 200 ppt/s）地測量 N?O、CO? 以及 H?O 通量，并實現(xiàn)1 Hz 的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。實驗室測試顯示，其信號噪聲極低（Allan 偏差僅約0.16 ppb），且經(jīng)過預(yù)熱后信號漂移可以忽略不計。  
現(xiàn)場實時質(zhì)量控制 系統(tǒng)集成了定制化數(shù)據(jù)記錄器盒（包含 CR1000X 數(shù)據(jù)記錄儀、Wi-Fi 路由器、GPS 單元及多種傳感器），實現(xiàn)了對腔體內(nèi)溫度、濕度、壓力及光合有效輻射（PAR）等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控。通過 RS232 和無線連接，MIRA Ultra 可將數(shù)據(jù)實時傳送至現(xiàn)場監(jiān)控終端，操作者能夠即時識別并糾正可能出現(xiàn)的測量誤差，如密封不嚴(yán)、突發(fā)壓力變化或外界干擾等。

2、測量方案與通量腔體設(shè)計

透明與黑暗腔體的聯(lián)合應(yīng)用：研究團(tuán)隊設(shè)計了兩種不同條件下的腔體測量方式，透明腔體用于模擬光照條件下的 N?O 生產(chǎn)過程，而黑暗腔體則用于捕捉 N?O 吸收特征。這種分場景的測量策略不僅揭示了光照與暗環(huán)境下的差異性，還為揭示土壤微生物活動及其對 N?O 動態(tài)的調(diào)控機制提供了數(shù)據(jù)支撐。  
可調(diào)節(jié)的腔體封閉時間： 通過對不同封閉時間（3～10 分鐘）的系統(tǒng)實驗，研究揭示了封閉時間對捕捉低通量信號的重要性。在光照條件下，4～10 分鐘的封閉時間能夠較好地平衡數(shù)據(jù)精度與現(xiàn)場操作的影響，而在黑暗條件下，較短的3～5 分鐘封閉時間更能真實反映 N?O 的吸收過程。

3、數(shù)據(jù)處理與模型選擇

高密度數(shù)據(jù)與先進(jìn)算法：得益于 MIRA Ultra 的高頻采樣，現(xiàn)場獲得的數(shù)據(jù)點極為豐富，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供了堅實基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采用 goFlux 軟件包進(jìn)行預(yù)處理、質(zhì)量控制和通量計算。該軟件包既支持傳統(tǒng)的線性模型（LM），也能采用基于氣體擴(kuò)散理論的非線性模型（HM）來處理數(shù)據(jù)。當(dāng)濃度梯度較低時，HM 模型自然退化為 LM 模型，確保了在各種環(huán)境條件下的數(shù)值一致性和精度。

4、模擬比較分析

GC 模擬與 PGA 實測對比： 為了驗證 MIRA Ultra 的優(yōu)勢，研究團(tuán)隊還設(shè)計了模擬 GC 采樣方案，即從連續(xù)采樣數(shù)據(jù)中提取離散樣本進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，在低通量條件下，GC 模擬不僅容易低估正向通量，而且對采樣時刻敏感性極高，而 MIRA Ultra 連續(xù)采樣則能夠穩(wěn)定捕捉微弱的濃度變化，保證數(shù)據(jù)的高可靠性和再現(xiàn)性。

研究結(jié)果

本研究結(jié)果表明，基于 Aeris MIRA Ultra 的現(xiàn)場測量系統(tǒng)在營養(yǎng)貧乏生態(tài)系統(tǒng)中對 N?O 通量的檢測具有以下顯著優(yōu)勢：

信號穩(wěn)定性與低噪聲 實驗室測試結(jié)果顯示，在經(jīng)過充分預(yù)熱后，MIRA Ultra 能夠保持長達(dá)10小時的連續(xù)穩(wěn)定采樣，其信號漂移可以忽略不計。Allan 偏差分析表明，在2秒平均時間下，儀器噪聲僅約0.16 ppb，為低濃度 N?O 測量提供了極高的靈敏度和數(shù)據(jù)可信度。

實時在線質(zhì)量控制與靈活性集成的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)使得現(xiàn)場操作者可以實時監(jiān)控各項環(huán)境參數(shù)及儀器運行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常（如密封失效、溫度或濕度突變），便可即時調(diào)整或重新進(jìn)行測量。這種實時反饋機制顯著降低了現(xiàn)場操作誤差，保證了數(shù)據(jù)的高質(zhì)量。

適應(yīng)性與精細(xì)化測量 通過透明與黑暗腔體的聯(lián)合應(yīng)用，研究揭示了不同光照條件下 N?O 的生成與吸收過程，進(jìn)而說明了土壤微生物活動在不同環(huán)境下的調(diào)控機制。此外，靈活可調(diào)的腔體封閉時間策略，使得在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時，最小化了因長時間封閉對土壤環(huán)境造成的擾動，從而更貼近真實的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。   光照（左）和黑暗（右）條件下測量的 N?O 通量均值，以及高于 MDF 的測量次數(shù)比例（%）。請注意，上下圖的 y 軸刻度不同。

數(shù)據(jù)處理與模型融合優(yōu)勢 ?利用 goFlux 軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，通過自動選擇最優(yōu)的 LM 或 HM 模型，保證了在低濃度梯度下數(shù)據(jù)的線性與非線性變化均能被準(zhǔn)確捕捉。該方法不僅在理論上體現(xiàn)了氣體擴(kuò)散及反應(yīng)過程的內(nèi)在非線性特性，同時在實際應(yīng)用中也表現(xiàn)出極高的數(shù)值一致性和穩(wěn)定性。

GC 模擬對比驗證 ?模擬 GC 采樣的結(jié)果進(jìn)一步驗證了 MIRA Ultra 的優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng) GC 方法對低通量信號的低采樣率和高誤差風(fēng)險，MIRA Ultra 連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)更為豐富、精確，并能夠通過實時質(zhì)量監(jiān)控確保每個數(shù)據(jù)點的有效性，從而極大地提升了整體測量的可靠性和數(shù)據(jù)精度。

結(jié)論

本研究通過在北極融凍泥炭地中開展現(xiàn)場實驗，成功構(gòu)建了一套以 Aeris MIRA Ultra N?O/CO? 分析儀為核心的高精度、實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，有效突破了傳統(tǒng) GC 方法在低濃度 N?O 測量中的瓶頸。研究成果不僅驗證了該儀器在低通量條件下的優(yōu)異性能，更在方法學(xué)上實現(xiàn)了測量策略、數(shù)據(jù)處理及模型融合的全面創(chuàng)新。 從深層次來看，MIRA Ultra 分析儀不僅提供了一種全新的技術(shù)手段，更為我們揭示了營養(yǎng)貧乏生態(tài)系統(tǒng)中微弱溫室氣體交換過程的內(nèi)在機制。其高頻連續(xù)數(shù)據(jù)采集、實時在線監(jiān)控與靈活的數(shù)據(jù)處理策略，為捕捉短時動態(tài)變化提供了強有力的技術(shù)支持，使得科學(xué)家能夠以極高的時空分辨率研究復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程。這種技術(shù)革新不僅有助于改善全球氣候模型中溫室氣體預(yù)算的不確定性，也為生態(tài)系統(tǒng)功能研究、環(huán)境政策制定和全球氣候變化預(yù)測提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。 綜上所述，Aeris MIRA Ultra N?O/CO? 分析儀憑借其卓越的測量精度、實時在線控制和高數(shù)據(jù)密度優(yōu)勢，已成為低養(yǎng)分生態(tài)系統(tǒng)中 N?O 通量測量的理想工具。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步推廣這一技術(shù)，并結(jié)合多尺度、多模式的監(jiān)測方法，以期在更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)中揭示溫室氣體微觀過程的真實面貌，從而為應(yīng)對全球氣候變化提供創(chuàng)新性解決方案。