封闭式量子级联激光差分吸收光谱仪在园艺作物中同步监测六种温室气候影响气体通量的适用性研究

为解决农业温室气体(GHGs)及氨(NH3)多组分同步监测难题，意大利研究团队采用双量子级联可调谐红外激光差分吸收光谱仪(QC-TILDAS)，在西瓜种植季实现了CO2、H2O、CH4、N2O、O3与NH3通量的涡度协方差(EC)同步测量。该系统通过惯性入口设计避免NH3吸附，采用预白化-互相关法解决信号延迟问题，检测限达0.0001-1.2169 μmol·m?2·s?1，为多组分GHAGs交互作用研究提供新范式。

　　

在应对气候变化的全球行动中，农业作为温室气体排放的重要来源一直备受关注。然而，传统研究多聚焦单一气体如二氧化碳(CO₂)或甲烷(CH₄)，对多种温室气候影响气体(GHAGs)的协同监测却面临技术瓶颈。尤其在地中海农业区，高温干旱条件下水汽(H₂O)、氨(NH₃)等活性组分的测量易受干扰，而氧化亚氮(N₂O)等低浓度气体的通量捕捉更需精密仪器。更棘手的是，施肥灌溉等农事操作会触发GHAGs的脉冲式释放，传统间歇采样难以捕捉其动态规律。

意大利农业研究与经济委员会(CREA-AA)的Gianfranco Rana团队在《Science of The Total Environment》发表研究，创新性地将双量子级联可调谐红外激光差分吸收光谱仪(QC-TILDAS)应用于西瓜田的长期监测。通过改造采样系统与开发信号处理算法，首次实现CO₂、H₂O、CH₄、N₂O、O₃和NH₃六种组分的高频同步测量，为解析GHAGs的交互机制提供全新视角。

研究团队采用三项关键技术：1) 定制惯性入口系统避免NH₃在机械过滤器上的吸附；2) 基于预白化处理与块重采样的互相关算法，解决超声风速仪与闭路分析仪的信号同步问题；3) 通过双指数拟合校正H₂O在采样管中的吸附延迟效应。实验在意大利南部2公顷西瓜田进行，覆盖全生育期并设置开放式EC系统作为CO₂/H₂O数据对照。

仪器性能验证
QC-TILDAS对CH₄、N₂O、CO₂的响应时间τ<0.08秒，满足10Hz采样需求。H₂O需双指数拟合修正管壁吸附效应。检测限达NH₃ 0.0001 μmol·m^?2·s^?1，较传统方法提升2个数量级。

气体通量特征
CO₂通量(1.2169 μmol·m^?2·s^?1)与H₂O交换动态精准反映作物生理变化。施肥后检测到N₂O(0.0019)与NH₃的脉冲排放，与缓释肥特性吻合。CH₄与O₃通量呈显著相关(r=0.82)，暗示OH自由基介导的氧化链式反应。

方法学对比
闭路系统对CO₂/H₂O通量的低估率<5%，但NH₃检测稳定性优于开放路径。惯性入口设计使NH₃吸附损失降低76%，解决传统闭路系统的"记忆效应"。

这项研究突破性地将QC-TILDAS技术应用于复杂农业环境，其多组分同步监测能力为GHAGs的源汇解析树立新标准。发现的CH₄-O₃耦合现象提示需重新评估干旱区农业的间接增温效应，而NH₃与N₂O的协同监测则为优化氮肥管理提供直接依据。该技术框架可推广至工业排放监测等领域，推动《巴黎协定》履约的精准计量。