Gas stable isotopic ratio mass spectrometry for measuring δ^13C and δ^18O in background atmospheric CO2

将商用MAT253稳定同位素比质谱仪、Airtrap高效预浓缩气体捕集阱与自加工16口自动进样器集成,建立了高精度气体稳定同位素比质谱分析系统,用于程序化自动分析本底大气CO2的δ^13C和δ^18O．气样分析时用工作标气定量并穿插目标气测定,还定期用实验室上一级标气对工作标气和参比气进行标校,以保证分析结果的可靠和可比．结果表明,利用不同稳定同位素比范围的标气重复进样测试,发现该系统对δ^13C和δ^18O的分析精度分别优于0．03‰和0．06‰,能基本满足本底大气CO2的碳氧稳定同位素比分析需求和WMO／GAW质量目标．     

北京上甸子站大气CO2及δ13C(CO2)本底变化

基于北京上甸子站(SDZ)2007~2013年大气CO_2及2009~2013年大气δ13C(CO_2)瓶采样观测资料,筛分获得混合均匀且未受局地污染影响、具代表性的大气CO_2及δ13C(CO_2)本底数据.2007~2013年SDZ站大气CO_2年均本底浓度变化范围为385.6×10-6~398.1×10-6,年均增长率为2.0×10-6a-1;2009~2013年其大气δ13C(CO_2)年均本底值变化范围为-8.38‰~-8.52‰,年均增长率为-0.03‰·a-1.SDZ站2007~2013年的7~9月月均浓度最低水平均出现在2008年,且2007~2008年增长率仅为0.3×10-6a-1,推测主要源于2008年奥运期间北京及其周边省市节能减排措施实施导致碳排放量减少.SDZ站大气CO_2本底浓度季节变化最低值出现在8月,最高值出现在3月,季节振幅达到23.9×10-6;大气δ13C(CO_2)与CO_2季节变化特征大致呈镜像关系,其季节振幅为1.03‰.对SDZ站CO_2源汇的碳同位素"signature"(δs)研究表明,供暖季Ⅰ(01-01~03-14)和Ⅱ(11-15~12-31)的δs分别为-21.30‰和-25.39‰,推测主要源自化石燃料与生物质燃烧的影响;其植物生长季的δbio值为-21.28‰,推测主要来自植被活动的贡献.     

瓦里关山大气CO2及其δ13C本底变化

利用 1991— 2 0 0 1年期间实测资料 ,分析了瓦里关全球基准站大气CO2 及其δ13 C本底特征 ,并探讨了与源汇过程的关系 .结果表明 ,瓦里关大气CO2 及其δ13 C本底变化主要反映了北半球中高纬度大陆自然生态系统源汇的周期性季节特征 ,而海洋的作用相对较弱 ;大气CO2 及其δ13 C本底浓度范围与所处纬度带平均状况基本吻合 ,年平均值以及年际间涨落与全球水平的一致性反映出化石燃料燃烧等人为排放对大气圈的全球性影响 ;瓦里关站提供的主要温室气体本底观测资料 ,既能体现亚洲内陆地域特点又具有全球代表性 ,配合以其它相关资料 ,还可进一步揭示中国内陆高原大气CO2 及其δ13 C本底特征的成因 .     

青奥会期间基于δ13C观测的大气CO2来源解析

开展城市冠层大气CO_2及其δ~(13)C的观测有助于解析自然源与人为源在区域碳循环中的作用.本研究于南京青奥会期间开展了大气CO_2及其δ~(13)C高频原位观测,在小时尺度至日尺度上对比了有无临时排放管制期间大气CO_2及其δ~(13)C的差异.研究发现,短期减排对降低区域尺度大气CO_2浓度有明显的短期效应(21×10-6),在整个青奥会临时管控期间长三角地区实际削减燃煤排放5%.本研究进一步采用Miller-Tans方法确定了长三角地区的CO_2排放源同位素组分;基于文献调查,提供了长三角地区主要人为源和自然源的δ~(13)C信息;量化了长三角夏季CO_2地表净通量、植被通量及人为排放通量.结果表明,水泥工业过程排放是长三角地区夏季大气δ~(13)C富集的主要人为原因(2.36‰).夏季长三角地区植被作用可以抵消23%~39%的人为CO_2排放.本文旨在通过采用自上而下的观测数据与传统IPCC的排放源清单相结合的方案,为城市区域碳源解析提供新的拆分方案.     

碳同位素比技术定量估算城市大气CO2的来源

要有效地减少城市碳排放和正确地判断城市现有减排措施的有效性就必须准确地确定城市大气CO2的来源.由于碳同位素比从污染源到受体的传输过程中同位素分馏现象不明显,本研究建立了一套基于碳同位素比技术定量估算城市大气CO2来源的方法,并用该方法初步定量分析了上海市嘉定区大气CO2中来自燃煤、机动车尾气和生物质贡献的时空分布.上海市嘉定区大气CO2的上述3种来源中,生物质的贡献最大.燃煤的贡献在夜间(00:00、04:00和20:00)多于白天(08:00、12:00和16:00),且随高度的升高而增大;机动车尾气的贡献则随高度的升高而降低.大气CO2浓度时空分布特征体现了上海市郊嘉定区大气CO2的排放特征和各来源的传输特性.     

化石燃料结构变化对大气中δ13CO2的影响

根据煤炭、石油和天然气等化石燃料的CO2排放量及其碳稳定同位素组成,用按比例叠加的方法逐年计算1860~1996年CO2化石燃料源的d13CO2(PDB),用简单全球碳循环模式研究该变化对大气d13CO2的影响,并将计算结果与CMDL近10年的监测数据进行对比.结果表明,化石燃料源的d13CO2在140年内下降了4.5‰,在碳循环模式中考虑这种动态变化之后,大气d13CO2的模拟结果与同期实测值的相关程度有较大提高.     

北京市和厦门市大气 CO2 浓度及 δ13C 值变化特征

本文对北京市和厦门市大气CO_2及δ~(13)C进行观测,研究内陆城市和沿海城市CO_2浓度及δ~(13)C的季节和昼夜变化规律及影响因素,以期为政府制定碳减排政策提供科学依据。北京市和厦门市CO_2浓度均呈现秋冬季高于春夏季,而δ~(13)C秋冬季低于春夏季,季节差异原因可能是秋冬大气边界层降低,化石燃料消耗增加,贫13C的CO_2气体大量排放。观测期间,两个城市日变化模式均表现为CO_2夜间高于白天,δ~(13)C夜间低于白天;且在早晚交通高峰时段,两地CO_2浓度均有不同程度升高,而δ~(13)C有不同程度降低。冬季,北京市由于受西、北部高山阻挡,在东南风条件下使得其夜间大气CO_2浓度显著增高,δ~(13)C值则显著降低。根据两地新增CO_2的δ~(13)C值(δs)推测,北京市受到煤炭燃烧贡献较大,厦门市季节差异较大,推测受植物排放CO_2速率及气象条件等共同影响。     

长江三角洲地区CO2浓度本底特征及来源分析

二氧化碳(CO₂)是引起全球变暖的最主要的温室气体(GHGs),直接观测大气CO₂浓度对于研究人类活动和自然活动对大气温室气体的贡献至关重要,而在多个高度上观测大气CO₂浓度则有助于明晰CO₂浓度的时空变化规律,确定其影响机制.本文利用临安区域大气本底站2018-12—2020-11不同高度(距地面21 m、53 m)处的CO₂在线观测数据,结合日变化及地面风的影响,对观测数据进行筛分,采用HYSPLIT后向轨迹模型和潜在源贡献因子法,初步探讨气象因素以及大气远距离传输对长江三角洲地区大气CO₂浓度的影响.结果表明,临安站高低层大气CO₂日变化呈夜间高于白天的特点;低层CO₂浓度大于高层,冬季高低层浓度差小于其他三季;日较差呈夏季>春季>秋季>冬季的特点;大气CO₂本底季节变化由于受到风向和气团传输的影响呈现出冬季>春季>秋季>夏季的特点;潜在源贡献分析得...     

本底大气CO2观测分析过程中QA/QC方法的建立与评估

建立科学规范的本底大气CO2采样观测分析过程中的质量保证与质量控制方法,是实现该数据资源同化和共享的基础.本研究以中国气象局温室气体网络化采样观测经验为基础,以便携式采样观测、波长扫描-光腔衰荡(WS-CRDS)分析技术为例,系统介绍了我国青海瓦里关全球本底站大气中CO2采样观测过程中的质量保证措施,样品分析过程中的玻璃瓶质量保证措施和样品分析过程中的系统质量控制方法、数据处理过程中的校正方法、数据分级质量标记和数据拟合插补方法等;并重点对该方法中几个关键步骤进行了评估验证;最后,应用本研究方法,对我国3个区域大气本底站CO2的采样观测数据进行了处理和浓度变化特征分析,说明本研究方法也可以较好地捕捉区域和局地环境因素影响对观测结果的影响,并客观、准确地反映该区域的自然和人为活动特征.     

13C在草原土壤呼吸区分中的应用

区分草原土壤呼吸的主要目的在于准确估算草原生态系统土壤碳蓄积和碳源、 汇潜力,为预测气候变化提供科学依据。论文主要论述了稳定同位素¹³C在草原土壤呼吸区分方面的应用。主要在以下几个方面进行了阐述:①碳同位素区分土壤呼吸的两种主要标记方法——脉冲标记法和持续标记法,其中脉冲标记法包括单次脉冲标记法和重复脉冲标记法,持续标记法包括FACE实验标记法和¹³C自然丰度标记法,也介绍了利用核爆产生的¹⁴C标记;②应用碳稳定同位素区分土壤呼吸的理论依据和计算方法;③土壤呼吸稳定同位素组成的取样方法和测定,包括静态箱-Keeling Plot法、 静态箱平衡状态法和动态箱连接红外分析仪法等;④指出了减小静态箱-Keeling Plot法测定土壤呼吸碳同位素值的误差需采取的措施。     

兰州及其周边区域大气降水δ18O特征及其水汽来源

根据2011年4月~2012年3月在兰州及其周边区域永登、皋兰和榆中这4个站点所采集到的243个大气降水样品及同期相关气象资料,对兰州及其周边区域大气降水中稳定同位素的时空变化特征及其环境效应进行了分析,通过回归分析建立了大气降水线方程,同时采用HYSPLIT 4.9模型对兰州及其周边区域水汽来源进行了追踪,并建立水汽输送模式.结果表明,兰州及其周边区域的大气降水线方程为δD=7.48δ18O+8.13,表明该区局地蒸发较强烈;在时间变化上,降水中同位素值表现为冬低夏高,而d-excess值变化趋势较为平稳,但不同时段下,也存在着一定的变化;从空间分布来看,由西至东加权平均δ18O值呈减小趋势;降水δ18O与温度呈正相关关系,而与降水量表现为负相关;在大尺度下,西风水汽、局地水汽以及东南季风水汽均对兰州及其周边区域有一定的影响,其中西风水汽占主导作用,而东南季风水汽的影响在时间上有一定的局限性,主要集中在6月初至8月初这一时段.     

粤西云浮市大气降水δ18O与水汽来源的关系

2005-04-05～2006-04-01期间在粤西云浮市采集了59次具有显著天气过程的大气降水样品, 并进行了稳定氧同位素测试, 结果显示此期间云浮市大气降水中δ¹⁸O值波动于-12.47‰～-0.18‰之间, 平均值为-4.91‰; 夏秋季(5～9月)的δ¹⁸O值相对偏低, 多数在-10.00‰～-5.00‰, 平均-6.30‰; 冬春季(11月～次年4月)的δ¹⁸O值相对偏高, 多数在-3.00‰～-1.00‰, 平均-2.20‰. 这些δ¹⁸O值与它们相应的气温、水汽压(e)呈较为显著负相关, 相关系数(R)均达-0.60, 而与降水量的负相关性较差, 相关系数(R)为-0.33. 与大致同时期的广州降水中δ¹⁸O月平均值相比, 云浮降水中δ¹⁸O呈相对低值, 可能与云浮市受到了较强的西南季风叠加影响有关. 后推气流轨迹的结果表明, 这些大气降水δ¹⁸O值在前汛期(4～6月)、后汛期(7～9月)和非汛期(10月～次年4月)中的变化很大程度上受不同水汽来源决定, 表明降水δ¹⁸O值在一定程度上具有指示水汽来源的作用: δ¹⁸O值偏高的大气降水其水汽可能主要来源于西太平洋的副热带海区(包括我国南海海域)的变性热带太平洋暖气团; 而δ¹⁸O值偏低的大气降水其水汽则来源于印度洋和孟加拉湾的变性热带海洋气团.     

五台山大气CO2本底浓度及源汇特征

基于五台山站2017年1月~2020年12月的大气CO₂连续观测资料,采用平均移动过滤法（MAF）和后向轨迹分析方法,对五台山大气CO₂本底浓度及源汇特征进行研究.结果表明：五台山大气CO₂浓度受到区域或局地源汇的影响,筛分后的CO₂本底小时浓度振幅为44.9×10^-6,小于未经筛分的CO₂浓度振幅94.7×10^-6.2017~2020年CO₂本底浓度呈逐年上升趋势,但增幅放缓;抬升浓度占比有所下降,吸收浓度占比波动较小,表明人类活动对CO₂浓度的影响逐年减弱,而五台山周边地区陆地生态系统碳汇作用相对稳定.CO₂本底浓度夏季最低,秋冬季次之,春季最高;日变化夏季最明显,峰谷值分别出现在05：00和16：00,其他季节日振幅仅在0.7×10^-6~1.8×10^-6之间.与本底浓度相比,抬升浓度的差异值自10月至翌年3月明显增大,而吸收浓度的差异值在6~9月最显著,分别反映出人为活动排放源以及陆地生态系统吸收汇对CO₂本底浓度的影响.源汇浓度日变化均为单峰结构,抬升浓度白天高、夜间低,吸收浓度刚好相反.春、秋和冬季造成CO₂浓度明显抬升的地面风向主要为西南风,且随风速的增加CO₂浓度能够保持较高水平,而夏季主要为东北偏东风;春、夏季,2~4m/s的风速有利于进一步降低CO₂吸收浓度.后向轨迹分析表明,气团远距离输送对源汇浓度的影响除了取决于气团途径区域的CO₂排放情况,还与气团的空间垂直输送路径有关.     

重庆地区石笋δ13C记录的全新世气候环境变化

本文利用重庆市青木关镇狮子洞石笋QM09铀系测年数据和氧碳稳定同位素数据,重建了研究区9.4~0 ka BP的古气候环境演化历史。依据狮子洞石笋δ~(13)C记录变化趋势,将其划分为2个阶段:(1)9.4~3.0 ka BP期间,狮子洞石笋δ~(13)C记录除了在4.2 ka BP附近发生一次短暂的偏重事件外,整体变化比较平缓,石笋δ~(13)C值比较偏轻;同时石笋δ~(18)O值在该期也较为偏轻,暗示了此时段季风强盛,气候温暖湿润,地表植被变化稳定。此时人类活动比较弱,对自然环境的影响小,植被变化主要受自然气候环境的影响;(2)3.0~0 ka BP期间,石笋δ~(13)C记录不再呈现如第一阶段般平稳变动的趋势,在3.0 ka BP时开始波动下降,在经历1.7 ka BP大幅下降后,δ~(13)C便频繁波动大幅升降。石笋δ~(18)O记录显示该时段季风减弱,气候变干,植被退化,土壤水中溶解的CO_2含量减少。加之该期人类活动剧烈,地表自然植被遭到破坏,当地无机环境更多的参与到地下水循环体系中来,使得石笋δ~(13)C逐渐加重。     

不同水汽来源对湖南长沙地区降水中 δD、δ18O的影响

根据2010年在长沙地区进行降水收集和气象要素观测的资料,分析了该地区降水中δ¹⁸O与温度、降水量之间的关系,揭示了降水中δD、δ¹⁸O的变化特征,讨论了水汽输送对降水中δ¹⁸O变化的影响。结果表明,在天气尺度下,长沙地区大气降水中δ¹⁸O与降水量、温度之间存在显著的负相关关系,即该地区降水中δ¹⁸O的变化具有显著的降水量效应及反温度效应。对长沙地区的降雪样和降雨样进行线性回归,得出大降水事件和降雪的大气降水线具有较大斜率和截距。随着降水量的减小,大气降水线方程的斜率和截距也逐渐减小,这主要由于小降水事件的雨滴在降落过程中受到二次蒸发强烈,同位素分馏强烈。利用HYSPLIT模式追踪该地区气流的轨迹发现,在季风降水期间(5—9月),δ¹⁸O值偏低的水汽主要来自孟加拉湾、南海洋面与西太平洋海区;在非季风降水期间(10—4月),δ¹⁸O值偏高的水汽主要来自西风带携带的水汽和局地水汽环流。     

龙凤山本底站大气CO2数据筛分及浓度特征研究

针对黑龙江龙凤山区域大气本底站2009年1月～2011年12月低层(离地10 m)和高层(离地80 m)大气CO2在线观测数据,选取低层数据重点开展研究,分析地面风向和风速等因素对观测CO2浓度的影响.结果表明,龙凤山低层大气CO2浓度明显受局地源汇影响,其与高层观测结果差异在白天08:00～17:00相对较小,小于(0.5±0.5)×10-6(物质的量比).春、夏和秋这3个季节E-ESE-SE-SSE扇区来向的地面风会明显抬升大气CO2浓度,而冬季N-NNW-NW-WNW扇区CO2浓度明显较高.该站4个季节近地面CO2浓度随着风速增大而逐渐减小,在冬季尤为明显.结合日变化及地面风的影响,对低层观测数据进行初步本底/非本底筛分,筛选出代表东北区域混合均匀CO2水平的本底数据占总数据的30.7%.本底CO2浓度季节变化显示该站大气CO2浓度呈现冬季高夏季低的趋势,季振幅约为(36.3±1.4)×10-6,明显大于同期WMO/GAW同纬度站点观测结果,2009～2011年龙凤山大气CO2平均增长率为2.4×10-6a-1.     

黄土高原大气降水δ18O的空间分布

大气降水δ¹⁸O值的空间分布可以为理解现代大气中的水分输送提供空间信息,也可以为解释古气候代用指标的环境意义提供基础。本文整理了黄土高原44个站点的实测降水δ¹⁸O数据,基于纬度和海拔构建回归模型并得到了黄土高原降水δ¹⁸O的同位素景观图谱,结合实测资料和图谱结果分析了降水δ¹⁸O的年内变化和空间分布特征,并评价了两种全球降水同位素景观图谱产品的适用性,得出以下结论：（1）黄土高原降水δ¹⁸具有明显的年内变化特征,春夏季相对富集,秋冬季较为贫化。（2）黄土高原降水δ¹⁸O高值区多出现在南部的渭河谷地一带,低值区则主要出现在西部高原山地和北部边缘。（3）黄土高原北部与西部降水δ¹⁸温度效应更为明显,向南和向东延伸,温度效应逐渐弱化。（4）两种全球降水同位素景观图谱产品对δ¹⁸值的最佳模拟结果均出现在夏季,冬季模拟较差。     

13CO2示踪臭氧胁迫对水稻土壤微生物的影响

本研究采用具有日变化的熏蒸方式,利用13C同位素示踪方法,结合PLFA技术,模拟分析了臭氧浓度升高对水稻土壤微生物结构的影响.实验设置2个臭氧浓度处理,即空气对照(CF,臭氧浓度约4~10 nL·L-1),臭氧浓度升高处理(O3,8 h平均浓度为110 nL·L-1).分别在水稻熏气1个月和2个月时进行13C同位素标记实验.结果发现,臭氧熏蒸一个月的时候对土壤微生物生物量碳没有影响,但此时输入到土壤微生物的即时光合产物13C已经显著低于对照;随臭氧熏蒸时间的延长,无论是总的土壤微生物量碳还是即时光合产物13C对土壤微生物的输入都显著低于对照处理.PLFA主成分分析结果表明,熏蒸一个月时臭氧对13C-PLFA的结构组成并没有显著影响,但熏蒸两个月后则臭氧明显改变了13C-PLFA的组成,但两次标记后PLFA单体的Δδ13C‰值已受到臭氧的影响.臭氧胁迫前期,只有细菌脂肪酸的13C分配(13C%)受到臭氧的明显影响,而胁迫后期则臭氧主要影响的是分配给放线菌和真菌的13C.     

温室气体CO2排放浓度及CO2汇的分布研究初探

以1990年全国各地消耗的化石燃料为基础,计算出全国各地CO₂的排放量.用区域尺度大气扩散模型,模拟计算了1990年中国CO₂的浓度分布。结果表明,全国CO₂年增长的平均浓度不超过0.55 mg/m3,为目前全球CO₂平均浓度年增长3.24 mg/m3（IPCC,1992）的1/6。同时还计算了中国的土壤、农作物、森林、草地和河流湖泊1990年吸收CO₂的总量,给出了以省、市为单位的CO₂汇的分布图。结果指出,森林、草地和农作物是CO₂的巨大汇。      

温室气体CO2的另一源——地球内部

温室气体CO₂不仅来源于地表,而且也来源于地球内部。地球内部大量的CO₂通过突发式、阵发式和渐进式将其释放,释放出来的CO₂成为大气CO₂浓度升高不可忽视的源。