利用光学光谱气体分析仪测量水生生态系统中的溶解甲烷

本研究旨在利用光谱气体分析仪测量土壤沉积物中溶解的温室气体浓度。我们的目标是为野外研究提供一种低成本的传统色谱分析替代方法。该方法在无法获得此类设备的偏远地区可能尤为适用。

在测量各种环境样品中的温室气体浓度时存在诸多挑战，包括需要使用特殊耗材、复杂的校准过程，以及在偏远地区运输和操作某些传统分析平台时常遇到的困难。因此，我们建立了一种便携式光学分析仪，可准确测量水样中的甲烷浓度，为气相色谱法提供了一种可行的替代方案。两种方法之间的测定结果具有高度相关性，决定系数 R² 大于 0.98。本研究结果将有助于在偏远及资源有限的地区更便捷、高效地开展温室气体测量工作。

这些结果为研究不同生态系统中温室气体的空间和时间动态、理解其生态影响以及制定应对气候变化的减缓策略奠定了基础。因此，我们将重点优化针对其他温室气体的实验方案，探索其在多种生态环境中的应用，并开发自动化系统以提高野外测量的效率和准确性。首先，在注射器中对贫水样品进行顶空平衡。

使用30毫升注射器从野外采集的样品中抽取5毫升水，以制备顶空气体样品。然后加入15毫升氮气以形成顶空。使用摇动式振荡器或手动方式，剧烈且均匀地振荡注射器5分钟。

为使用光学分析仪进行气体浓度测定，准备10毫升小瓶时，将60毫升注射器的活塞连接至密闭的小瓶上，手动抽拉活塞，抽气三次以排空小瓶。随后，向已预抽真空的小瓶中注入12毫升顶空气体样品。接下来，制备一个注射室，使其能够容纳约1至5毫升空气，并与气体分析仪的进气口和出气口相连，形成一个密闭的气路循环系统。

注射室和分析仪构成了该系统的两个主要单元。要制作此室，可通过在365毫升梅森罐的金属盖上钻一个直径11毫米的孔以安装一个隔垫作为注射口，再钻两个直径7毫米的孔用于插入旋塞阀，从而改装该金属盖，旋塞阀用于连接分析仪。使用环氧树脂胶固定注射口及接头，确保室体密封良好。

使用PFA塑料管将罐子与光学分析仪的进样口和出样口连接，并计入管路增加的体积。确保管路符合仪器制造商的建议，且清洁干燥，无冷凝水。打开连接注射室与仪器的阀门，形成闭合的空气循环回路。

等待气体浓度稳定。当密闭室内的浓度和分析仪信号均稳定后，从含有顶空气体样品的样品瓶中注入2毫升的子样品。在注入下一个子样品前，需再次等待分析仪中的浓度稳定。

连续注入最多20个子样品，或当浓度接近100 PPM时减少注入次数。每分析五个样品后检测甲烷校准标准品，并使用相对标准偏差评估其与实际测量值的差异。完成一组连续进样后，拔掉连接至仪器的一根管路，以将腔室重置为环境压力。