基于LI-7825与Smart Chamber的土壤呼吸 δ13C 测量——野外实践指南

作者 | 徐六康

通讯邮箱 | envsupport@licor.com

摘要

本文介绍了如何将 LI-7825 CO? 同位素气体分析仪与智能测量室（Smart Chamber，8200-01） 结合使用，用于测定土壤呼吸 CO? 的碳同位素组成（δ13C）。

LI-7825便携式土壤碳源δ13C及CO?通量

自动测量系统

为提升测量精度，LI-COR 近期在智能测量室中新增了水汽瞬态缓冲器（适用于序列号 82S-2088 及以上的设备）。在气室关闭并采样的过程中，该缓冲器能够有效稳定输送至 LI-7825 的水汽浓度，从而显著减小水汽波动对 δ13C 测定结果的影响。测量时，空气从气室流出，经过水汽缓冲器进入 LI-7825 分析，随后再返回气室，形成一个稳定的闭合循环系统。

本文首先介绍 Keeling Plot 分析方法，以及 LI-COR 开发的一种基于 13CO? 与 12CO? 线性变化斜率的土壤呼吸 δ13C 反演新方法。随后，详细说明 LI-7825 与智能测量室之间的时间同步与数据合并流程，最后讲解如何使用 SoilFluxPro? 软件 对数据进行分析与处理。

1｜Keeling Plot方法

Keeling Plot 方法已被广泛用于解析生态系统呼吸（Pataki et al., 2003）、土壤呼吸（Flanagan et al., 1999）以及其他 CO? 来源的稳定碳同位素组成（δ13C）。在采用封闭气室法（Closed-chamber Method）测量土壤 CO? 通量时，可以利用 Keeling Plot 方法反演由土壤呼吸产生的 CO? 的 δ13C 特征值（Flanagan et al., 1999）。

该方法的基本思想是：将气室内空气的 δ13C 与其对应的 CO? 浓度倒数（1/[CO?]）进行线性回归分析。在理想混合条件下，回归直线在纵轴上的截距可视为呼吸源 CO? 的碳同位素比值，即土壤呼吸 CO? 的 δ13C 表征值（Pataki et al., 2003）。

图1A 给出了一个 Keeling Plot 分析示例。该实验基于封闭系统测量，使用的仪器包括智能测量室和 LI-7825 CO? 同位素气体分析仪。实验中，智能测量室放置在带密封底座的环座上，底座内部填充潮湿的大豆生物材料。在2分钟的测量周期内，通过 Keeling Plot 回归分析得到的截距为 ?29.10‰，该值代表该 CO? 来源（大豆生物材料）的碳同位素组成。该结果与典型 C? 植物的 δ13C 范围高度一致。

图1B 显示了测量过程中气室内 CO? 浓度随时间变化的时间序列。在构建 Keeling Plot 并进行线性回归时，为避免气室关闭初期因气体混合不充分对结果造成影响，分析中剔除了前 20s 的数据点。

2｜利用斜率法确定土壤呼吸的 δ13C

样品材料的碳同位素比值（δ13C）定义如下（Farquhar et al., 1989）：

（公式1）

其中，(C13/C12)_sample  表示样品中 13CO? 与 12CO? 的摩尔比；(C13/C12)_std 表示标准物质——维也纳皮迪箭石（Vienna Pee Dee Belemnite，VPDB）的摩尔比，其标准值为 0.0112372。

图 1 采用封闭气室法并通过 Keeling Plot 分析确定 CO? 来源碳同位素比值的示例。该数据集由 LI-7825 碳同位素气体分析仪与智能测量室获取。实验中，智能测量室放置在带密封底座的环座上，底座内填充有潮湿的大豆生物材料，实验地点位于 LI-COR 园区温室。气室关闭时间为 120s。其中，面板 A 为 Keeling Plot 分析结果，面板 B 为气室内 CO? 浓度随时间变化的时间序列。

由于 LI-7825 可分别测量 12CO? 和 13CO?，因此可以直接利用封闭气室测量数据，计算 13C 相对于 12C 的线性变化斜率。在假设土壤有机质（SOM）分解过程中不存在同位素分馏的前提下，该斜率可视为 SOM 中 13C 与 12C 的摩尔比。在此基础上，公式（1）可改写为：

（公式2）

其中，(C13/C12)_slope  表示在气室测量过程中，将 13CO? 浓度对 12CO? 浓度作图所得到的线性斜率。图 2 给出了利用该斜率法确定大豆生物材料 δ13C 的示例。

图 2 通过 13C 与 12C 线性斜率计算 CO? 来源 δ13C 的过程。当线性斜率为 0.0109088，且标准物质 (C13/C12)_std 为 0.0112372 时，计算得到的 δ13C 值为 ?29.22‰。该数据集与图 1A 中用于 Keeling Plot 分析的数据几乎完全相同。

在本次测试中，将潮湿的大豆生物材料放置于智能测量室内部后关闭气室，LI-7825 连续 2 分钟测量13CO? 和12CO?。结果显示，13C 对12C 作图的线性斜率为0.0109088，决定系数 R2 = 1.0（见图2）。结合 (C13/C12)_std =0.0112372，计算得到大豆生物材料的 δ13C 为 ?29.22‰。该结果与图 1A 中通过 Keeling Plot 方法得到的 δ13C 值几乎完全一致，表明两种方法在本次测量中具有良好的一致性。

3｜智能测量室（Smart Chamber）与 LI-7825 的时间同步

有关智能测量室与 LI-7825 之间线缆及气路组件的安装方法，请参阅“初始设置（Initial Setup）”章节。

由于 LI-7825 测得的气体浓度数据不会写入智能测量室生成的数据文件（*.json），因此在后期数据处理中，需要借助 SoilFluxPro? 软件，按照时间戳将两台仪器采集的数据进行合并。在这一过程中，确保智能测量室与 LI-7825 的系统时钟严格同步是实现数据准确匹配的关键。

在开始测量前，请使用随附的以太网电缆和气路组件将 LI-7825 与智能测量室正确连接，并确认两台仪器的时区设置一致。随后，在 LI-7825 的时间设置界面中启用 Auto Sync（自动同步） 功能，选择 NTP 作为同步方式，并将智能测量室的主机名（例如 82s-2044.local）填写为时间服务器（见图3）。完成设置后，LI-7825 通常可在 2–3 分钟内与智能测量室完成时钟同步。

图 3 在 LI-7825 的 Settings 页面中启用 Auto Sync 和 NTP 选项，并在 NTP 输入框中填写智能测量室主机名。

需要注意的是，智能测量室的系统时间会自动与 GPS 时间同步。因此，在正式开始测量前，应确保气室已成功获得 GPS 锁定，否则可能导致数据时间戳出现跳变。用户可在智能测量室界面的 Settings > Diagnostics 页面中查看并确认 GPS 锁定状态。

完成时间同步后，即可在智能测量室界面中配置测量方案。目前，智能测量室的软件界面尚不支持将 LI-7825 直接添加为外部分析仪，但这一限制并不会影响实际测量流程。由于气体浓度数据不会写入智能测量室的数据文件（*.json），在未连接 LI-870 等辅助气体分析仪的情况下，野外测量时将无法实时查看 CO? 通量结果。

在高湿环境下进行现场测量时，建议适当延长 Post Purge（后吹扫）时间（例如设置为 7 分钟或更长），以帮助气室内的水汽瞬态缓冲器充分恢复其缓冲能力。在后吹扫阶段将气室抬起，也有助于加快气室内部水汽浓度的恢复。

有关从智能测量室和 LI-7825 下载数据的具体操作步骤，请参阅各自对应的用户手册。

4｜使用 SoilFluxPro 软件合并数据

使用 SoilFluxPro?（SFP） 软件打开智能测量室生成的数据文件（*.json），随后按照以下步骤，将 LI-7825 采集的碳同位素气体浓度数据导入 SFP（见图 4）。

图 4 将 LI-7825 数据文件导入 SoilFluxPro 的操作流程。

• 在菜单栏中点击 Import，打开数据导入界面。

• 点击 + ADD FILES，选择需要导入的 LI-7825 数据文件。

• 勾选需要导入的变量，并为每个变量指定对应的单位。

  
  

  如果希望 SFP 自动计算气体通量，请勾选单位栏右侧的复选框，并设置通量计算所需的 Deadband 和 Stop time 参数。

  
  

  如果分析重点仅为碳同位素组成，则只需导入 CO?（总 CO? 浓度）、  C12（12CO?）、C13（13CO?） 以及 C13_DELTA（δ13C） 这几个变量。

  
  

  对于不需要的变量，可取消勾选，使其不被导入 SFP。

  
  

  同时建议导入 LI-7825 的诊断代码（Diagnostic Codes），以便在后续结果的质量控制（QA/QC）过程中参考仪器运行状态。

  
  

• 点击 Import 按钮，完成数据导入。

5｜基于 Keeling Plot与斜率法反演土壤呼吸的 δ13C

将 LI-7825 生成的数据文件导入 SoilFluxPro?（SFP） 软件后，可按照以下步骤，分别采用 Keeling Plot 回归法 和 斜率回归法（Slope Regression） 计算土壤呼吸 CO? 的碳同位素比值（δ13C）（见图 5）。

图 5 在 SFP 中配置 Keeling Plot 法和斜率法所需变量的操作流程。

• 在 SFP 软件中，点击Isotope，并在界面右上角选择Add New Regression，随后按以下方式进行设置：

  
  

• Keeling Plot 回归（Keeling Regression）

  将 LI-7825-C13_DELTA（δ13C） 设为 Minor gas source；

  将 LI-7825-CO? 设为 Major gas source。

  
  

• 斜率回归（Slope Regression）

  将 LI-7825-C13（13CO?） 设为 Minor gas source；

  将 LI-7825-C12（12CO?） 设为 Major gas source。

  
  

• 完成变量设置后，点击 Create 按钮，执行回归计算。

  
  

计算完成后，软件界面将显示每次观测对应的 Keeling Plot 法 和 斜率法 的分析结果（见图 6）。

图 6 单次观测对应的 Keeling Plot 与斜率法计算结果。

点击 (KEELING)，可查看所选观测的 Keeling Plot 分析详情（见图 7）。

图 7 单次观测的 Keeling Plot 分析结果。在本示例中，Keeling Plot 回归得到的土壤呼吸 δ13C 为 ?30.53824‰。

点击 (SLOPE)，可查看同一观测对应的斜率法分析结果（见图 8）。

该方法计算得到的土壤呼吸 δ13C 为 ?30.45391‰。

图 8 与图7相同观测对应的斜率法分析结果。

如需采用不同的标准同位素比值 (C13/C12)_std ，可直接在软件中（Isotopic Standard）输入新的数值，并点击 Apply 进行更新。

完成分析后，可将项目保存为 .82z 文件格式，以完整保留同位素分析参数、回归结果及所有计算设置。有关结果导出及进一步数据分析的方法，请参阅 “从仪器下载数据（Downloading data from the instrument）” 章节。

6｜注意事项

在野外条件下，将智能测量室（Smart Chamber）与 LI-7825 联合用于土壤呼吸 δ13C 测量时，建议重点关注以下事项，以降低测量不确定性并提高结果可靠性。

零点与量程校准

在开展野外测量前，应对 LI-7825 进行零点校准。为获得最佳测量性能，建议每天外出测量前执行一次零点校准。量程校准通常建议每月进行一次。有关具体校准步骤及推荐使用的标准气体，请参阅 LI-7825 使用说明书中的 Maintenance 章节。

观测时长设置

LI-7825 的数据输出频率为 1 Hz。在大多数情况下，约2分钟的封闭气室观测即可产生足够的 CO? 浓度变化，用于稳定同位素分析。对于 CO? 通量较低的样点，应适当延长观测时间，以确保 CO? 浓度增量约 50 ppm（参见 Pataki et al., 2003）。根据经验，约 50 ppm 的 CO? 增量即可满足 Keeling Plot 法和斜率法反演土壤呼吸 δ13C 的基本要求。

仪器运行状态

为保证同位素分析仪的稳定运行并减少预热带来的影响，建议在整个野外测量期间保持 LI-7825 处于开启状态。在不进行测量时，可将仪器连接至交流电源，以维持电池电量。

NH? 测量说明

LI-7825 可测量 CO?、δ13C、δ1?O、δ1?O 以及 NH?。尽管 NH? 浓度测量本身是准确的，但由于样品在进入分析仪前，部分 NH? 会吸附在管路及其他表面，进入分析仪的 NH? 浓度可能无法真实反映原始样品水平。因此，不建议使用该系统进行 NH? 通量测量。

水汽瞬态缓冲器

序列号为 82S-2088 及以上的智能测量室已内置水汽瞬态缓冲器。对于较早型号的智能测量室，可在气室 Air Outlet 接口处加装外置水汽瞬态缓冲组件（部件号：9982-112），以减小水汽变化对同位素测量的影响。

如需进一步技术支持，请联系 北京莱阔生物科技有限公司（LI-COR 中国），电话 400-1131-511。

7 | 参考文献

• Farquhar, G.D., Ehleringer, J.R. and Hubick, K.T. (1989). Carbon Isotope Discrimination and Photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 40(1), pp.503–537. doi:https://doi.org/10.1146/annurev.pp.40.060189.002443.

• Flanagan, L.B., Kubien, D.S. and Ehleringer, J.R. (1999). Spatial and temporal variation in the carbon and oxygen stable isotope ratio of respired CO2 in a boreal forest ecosystem. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 51(2), pp.367–384. doi:https://doi.org/10.3402/tellusb.v51i2.16306.

• Pataki, D.E., Ehleringer, J.R., Flanagan, L.B., Yakir, D., Bowling, D.R., Still, C.J., Buchmann, N., Kaplan, J.O. and Berry, J.A. (2003). The application and interpretation of Keeling plots in terrestrial carbon cycle research. Global Biogeochemical Cycles, 17(1). doi:https://doi.org/10.1029/2001gb001850.

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