北極苔原位于北半球，是多風(fēng)無(wú)樹(shù)的平原。因其溫度低，生長(cháng)季短，在冬季土壤下層（向下25-90 cm）被永久凍結（“多年凍土層”），阻礙了樹(shù)木的生長(cháng)。在夏季，多年凍土層融化僅足夠用于植物的生長(cháng)和繁殖，由于下層土壤凍結，水分無(wú)法下沉并形成湖泊和沼澤。苔原凍土地區占世界土壤結合碳的很大一部分（是當今大氣中碳的1.5倍），湖泊和濕地中植被腐爛會(huì )產(chǎn)生CH4。過(guò)去幾十年，人們認為北極苔原是碳匯，因為它可以通過(guò)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，對環(huán)境科學(xué)家而言，理解該生態(tài)系統中季節，植被，氣候因子對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性融化，在北極地區夏季CH4從大量不穩定有機質(zhì)中排放。然而，很少有研究去理解秋季，冬季和春季（代表了北極地區一年中的70-80%）的CH4排放現象。以往的幾個(gè)研究表明秋季甲烷通量高，而春冬季節無(wú)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)家們報道了全年CH4排放，包括從沿著(zhù)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)測得的通量數據，旨在理解CH4通量的季節性變化。此項目中，EC塔上安裝了開(kāi)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）以在連續多年凍土層上進(jìn)行全年CH4渦度通量觀(guān)測。
ABB LGR-ICOS 加強型機載溫室氣體分析儀（GLA331-GGA）
合并開(kāi)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-冬周期數據，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(méi)的百分比（Zona et al.）。
這些觀(guān)測結果表明長(cháng)期以來(lái)，冷季（9-5月）CH4排放量與夏季排放量相當或更高。在最干燥的地區，冷季排放量主導了全年的CH4預算，這比以前在其它連續多年凍土地區模型中預測的貢獻（35%）明顯更高，同時(shí)也高于阿拉斯加北部（40%）的全年觀(guān)測值數。
作者也研究了土壤狀況對CH4通量變化的影響（淹水和溫度）。
在所示時(shí)段內，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)階段的季節性進(jìn)程（Zona et al.）。
他們發(fā)現在低淹水的EC站點(diǎn)CH4排放量最高，這與常規預測模型模擬和預測的淹水環(huán)境中CH4排放量最高的結果相矛盾。在土壤溫度對CH4通量的影響上，作者假設冷季大量CH4排放與延長(cháng)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，表明總排放量對土壤環(huán)境以及相關(guān)因素（例如降雪深度）非常敏感。
假設土壤物理過(guò)程會(huì )影響CH4產(chǎn)生和氧化示意圖，該過(guò)程與季節有關(guān)。淺藍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，冷季凍結鋒面的方向（Zona et al.）。
作者認為在零點(diǎn)幕期，即使CH4生成量較低，土壤近地表凍結降低了CH4氧化，導致了大量的CH4排放。零點(diǎn)幕期持續時(shí)間比生長(cháng)季長(cháng)，并且當持續時(shí)間延長(cháng)時(shí)，如深厚的積雪會(huì )延長(cháng)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，且這些排放量對土壤環(huán)境和相關(guān)的因素非常敏感。同時(shí)表明了，預計北極地區未來(lái)會(huì )持續變暖和積雪，這將導致全球CH4排放量的顯著(zhù)增加，且該過(guò)程中冷季排放量（9-5月）重要性增加。
點(diǎn)擊閱讀原文
Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget.pdf
美國和英國研究團隊在同一EC阿拉斯加4個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行了另一項研究，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)系統植被類(lèi)型與CH4排放的關(guān)系和控制機制。該研究成果報道在所附的文章中“Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes”。
為了能在生長(cháng)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，以最大程度與現存分類(lèi)保持一致性。他們確實(shí)了EC研究地區6種不同的植被類(lèi)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（2014年6月）安裝PVC環(huán)（高15 cm/直徑20 cm）對選定植被類(lèi)型的土壤樣品進(jìn)行分離，并在高峰季節（2014年7月）對植被進(jìn)行調查。每個(gè)植被類(lèi)型共放置6或7個(gè)（取決于站點(diǎn)）重復環(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)，使用圓柱形有機玻璃氣室通過(guò)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)，有機玻璃氣室放置2 min，以實(shí)現氣室頂空CH4和CO2濃度的穩定增加。測量后，移開(kāi)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。
氣室通量測量設置示意圖，包括氣室，環(huán)尺寸以及所用設備的詳細信息
用一個(gè)透明的氣室測量?jì)羯鷳B(tài)系統碳交換量（NEE），用不透明的氣室測量生態(tài)系統的呼吸量（ER），以計算代表生態(tài)系統產(chǎn)生碳生物量總量的總初級生產(chǎn)力（GPP）。（GPP=NEE+ER）。利用線(xiàn)性斜率擬合技術(shù)計算氣體通量。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)測得的總初級生產(chǎn)力（GPP）通量（Davidson et al.）
利用該設備，科學(xué)家們在所有樣地的觀(guān)測結果發(fā)現，濕苔草的平均CH4排放量最高，其它植被類(lèi)型排放量較低。此外，還發(fā)現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通量的驅動(dòng)因子，并檢驗GPP，溶解性有機碳和CH4通量之間的關(guān)系。他們發(fā)現，一個(gè)高度簡(jiǎn)化的植被分類(lèi)僅包括3種植被類(lèi)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。其表現幾乎與一個(gè)更復雜的模型一樣，該模型包括多種生物和環(huán)境驅動(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，負值=水位在土壤表層以下）。條形圖是每個(gè)日期的平均值±標準誤差（Davidson et al.）
作者得出的結論是植被是主要變量，解釋了來(lái)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(lèi)型CH4通量的空間異質(zhì)性。濕苔草群落主導CH4排放，而其他植被類(lèi)型排放率更低。這些發(fā)現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(lái)，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(zhuān)利離軸積分腔輸出光譜技術(shù)（OA-ICOS）已在多家同行評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)數據，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，直升機或無(wú)人機上，運行的汽車(chē)或卡車(chē)上，火車(chē)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儀器的應用場(chǎng)景
點(diǎn)擊閱讀原文
Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes.pdf