氧氣（O?）是濕地土壤生物地球化學(xué)過(guò)程的主要控制因素之一。氧氣的可用性調(diào)節(jié)了土壤中二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）等重要溫室氣體的產(chǎn)生與消耗，從而影響這些氣體潛在的排放量。通過(guò)使用PreSens公司的化學(xué)光學(xué)傳感器（Dipping Probe DP-PSt3）與多通道氧氣測(cè)量?jī)x（OXY-10 mini）相連，可以實(shí)現(xiàn)濕地不同土壤深度的可靠長(zhǎng)期測(cè)量。研究結(jié)果表明，氧氣和礦質(zhì)氮的可用性在日常和季節(jié)變化之間存在復(fù)雜的相互作用。

在濕地土壤中，氧氣（O?）的可用性常常受到高土壤水分含量和水位位置的限制。由于北方濕地儲(chǔ)存了約30%的地下有機(jī)碳（C）庫(kù)，并且作為這些重要溫室氣體的凈源，因此了解土壤中氧氣的可用性和動(dòng)態(tài)對(duì)于理解當(dāng)前溫室氣體的產(chǎn)生與消耗過(guò)程、凈排放到大氣中的情況以及預(yù)測(cè)未來(lái)土壤到大氣中的凈排放變化至關(guān)重要。直到最近，關(guān)于氧氣在現(xiàn)場(chǎng)尺度上調(diào)節(jié)溫室氣體的作用的知識(shí)主要來(lái)源于孤立的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。我們已經(jīng)觀察到，土壤氣體通過(guò)土壤-大氣界面的運(yùn)輸既發(fā)生在土壤中的充氣孔隙空間內(nèi)的擴(kuò)散傳輸，也通過(guò)許多濕地植物的氣孔組織。然而，要在現(xiàn)實(shí)生態(tài)系統(tǒng)尺度上理解這些過(guò)程，關(guān)鍵的缺失因素之一是缺乏在波動(dòng)的水位和季節(jié)性生長(zhǎng)的地下通氣濕地大浮葉植物條件下，進(jìn)行連續(xù)高分辨率非侵入性測(cè)量的地下氧氣可用性的相關(guān)數(shù)據(jù)。

使用化學(xué)光學(xué)傳感器測(cè)量氧氣

在哥本哈根大學(xué)地理與地質(zhì)系，我們通過(guò)使用氧氣浸入式探頭（PSt3型，PreSens GmbH）解決了獲取地下氧氣動(dòng)態(tài)連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)尺度測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題（圖1）。這些傳感器被安裝在土壤剖面中，深度分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50和60厘米，并與多通道氧氣測(cè)量?jī)x（OXY-10 mini，PreSens GmbH）連接，該測(cè)量?jī)x通過(guò)微控制器（CR1000數(shù)據(jù)記錄儀，Campbell Scientific）進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。在安裝到土壤剖面之前，氧氣探頭在無(wú)氧（0大氣飽和度）和飽和氧（100大氣飽和度）水中進(jìn)行了校準(zhǔn)。原始相位角輸出通過(guò)使用在相應(yīng)深度測(cè)量的土壤溫度值轉(zhuǎn)換為溫度修正的氧氣濃度（%大氣飽和度）。使用這些氧氣探頭能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)且免維護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)尺度氧氣動(dòng)態(tài)測(cè)量，時(shí)間分辨率為10分鐘，持續(xù)時(shí)間為兩年，具有出色的可靠性，幾乎沒有缺失數(shù)據(jù)。

圖1：丹麥濕地土壤中氧氣可用性的等高線圖，響應(yīng)于水位季節(jié)性波動(dòng)的位置（白線），該數(shù)據(jù)由氧氣探頭測(cè)量獲得。輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為10分鐘（n = 235,061）。(改編自 J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling, B., 2012)

結(jié)果

我們的研究結(jié)果揭示，地下溫室氣體的產(chǎn)生、消耗和排放動(dòng)態(tài)受到多個(gè)復(fù)雜因素的控制，這些因素包括氧氣和礦質(zhì)氮的日常和季節(jié)性變化、近表層水位波動(dòng)以及日間入射光照變化（圖2）。所有這些因素綜合作用，突顯了依賴生態(tài)系統(tǒng)的土壤-植物-大氣相互作用的重要性。

圖2：植物通過(guò)土壤輸送氧氣（O?）的示例，時(shí)間范圍為2010年5月20日至2010年6月1日。
(a) 5厘米深度的O?濃度（紅色圓圈）和土壤溫度（黑色線），
(b) 光合有效輻射（PAR輻射）（棕色圓圈），
(c) 10厘米深度的O?濃度（綠色線）和水位（藍(lán)色線）。
日間光合有效輻射（PAR輻射，W m?2）的顯著相關(guān)性（p < 0.001）表明，植物通過(guò)根區(qū)將氧氣輸送至土壤，這一過(guò)程是活躍光合作用的結(jié)果。
（改編自 J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling, B., 2012）。

濕地相關(guān)文獻(xiàn)：

[1] Askaer, L., Elberling, B., Glud, R. N., Kühl, M., Lauritsen, F. R., Joensen, H. P., 2010. 土壤異質(zhì)性對(duì)濕地氧氣分布和甲烷排放的影響：使用平面氧氣光探頭和膜入口質(zhì)譜法的原位與微環(huán)境實(shí)驗(yàn)研究。Soil Biology and Biochemistry 42, 2254 - 2265。
[2] Elberling, B., Askaer, L., J?rgensen, C. J., Joensen, H. P., Kühl, M. Glud, R. N., Lauritsen, F. R., 2011. 將濕地土壤中的氧氣、二氧化碳和甲烷濃度聯(lián)系起來(lái)：對(duì)二氧化碳和甲烷通量的啟示。Environmental Science & Technology 45, 3393 - 339。
[3] J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling B., 2012. 丹麥濕地中N?O通量動(dòng)態(tài)的時(shí)間趨勢(shì)——植物介導(dǎo)的N?O和O?氣體傳輸對(duì)水位變化和土壤礦質(zhì)氮可用性變化的影響。Global Change Biology 18, 210 - 222。

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