北極苔原位于北半球，是多風無樹的平原。因其溫度低，生長季短，在冬季土壤下層（向下25-90 cm）被永久凍結（“多年凍土層”），阻礙了樹木的生長。在夏季，多年凍土層融化僅足夠用于植物的生長和繁殖，由于下層土壤凍結，水分無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產生CH4。過去幾十年，人們認為北極苔原是碳匯，因為它可以通過光合作用捕獲大氣中大量的CO2，而如今受氣候變化的影響，它已經成為重要的碳源，將溫室氣體釋放到大氣中。因此，對環境科學家而言，理解該生態系統中季節，植被，氣候因子對CH4排放的影響至關重要。

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。以往的幾個研究表明秋季甲烷通量高，而春冬季節無甲烷通量。在所附的文章中“ Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget”，一組國際跨學科的科學家們報道了全年CH4排放，包括從沿著阿拉斯加北坡300公里緯度樣帶上的5個阿拉斯加北極苔原渦度協方差（EC）站點測得的通量數據，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行全年CH4渦度通量觀測。

ABB LGR-ICOS 加強型機載溫室氣體分析儀（GLA331-GGA）

合并開路和閉路儀器中CH4的測量值并平均以產生半小時的渦度通量值。綜合估算了5個站點從2013年6月到2015年1月的CH4通量，獲取了兩個夏-秋-冬周期數據，具有高時間分辨率。

A-E：北坡5個EC站點測得的甲烷通量（mg C- CH4 m?2 h?1）。

F：阿拉斯加地圖，表明站點位置和表面淹沒的百分比（Zona et al.）。

這些觀測結果表明長期以來，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，同時也高于阿拉斯加北部（40%）的全年觀測值數。

作者也研究了土壤狀況對CH4通量變化的影響（淹水和溫度）。

在所示時段內，阿拉斯加北坡3個EC站點甲烷通量隨土壤溫度的變化。黑色箭頭指示每個階段的季節性進程（Zona et al.）。

他們發現在低淹水的EC站點CH4排放量最高，這與常規預測模型模擬和預測的淹水環境中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排放與延長的“零點幕”期有關，該時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境以及相關因素（例如降雪深度）非常敏感。

假設土壤物理過程會影響CH4產生和氧化示意圖，該過程與季節有關。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。零點幕期持續時間比生長季長，并且當持續時間延長時，如深厚的積雪會延長融化深度，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境和相關的因素非常敏感。同時表明了，預計北極地區未來會持續變暖和積雪，這將導致全球CH4排放量的顯著增加，且該過程中冷季排放量（9-5月）重要性增加。

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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個站點上進行了另一項研究，解決了北極苔原空間異質性的難題。他們測量了土壤CH4和CO2通量以及一系列環境變量，旨在理解北極生態系統植被類型與CH4排放的關系和控制機制。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”。

為了能在生長季早期安裝通量環，作者利用每個站點的航拍圖進行了調查，并檢查了所有站點的植被地圖以及描述，以最大程度與現存分類保持一致性。他們確實了EC研究地區6種不同的植被類型：

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（高15 cm/直徑20 cm）對選定植被類型的土壤樣品進行分離，并在高峰季節（2014年7月）對植被進行調查。每個植被類型共放置6或7個（取決于站點）重復環，深度大約15 cm，所有站點總共91個環。

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，使用圓柱形有機玻璃氣室通過進口和出口管在閉路循環模式下以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）

在每個采樣點，有機玻璃氣室放置2 min，以實現氣室頂空CH4和CO2濃度的穩定增加。測量后，移開氣室以重建環境氣體濃度，用黑色毛氈蓋覆蓋，再放回到環上2 min。

氣室通量測量設置示意圖，包括氣室，環尺寸以及所用設備的詳細信息

用一個透明的氣室測量凈生態系統碳交換量（NEE），用不透明的氣室測量生態系統的呼吸量（ER），以計算代表生態系統產生碳生物量總量的總初級生產力（GPP）。（GPP=NEE+ER）。利用線性斜率擬合技術計算氣體通量。所有樣地都在一天的相同時間測量（10 am-3 pm）。

2014年夏季在4個阿拉斯加北極站點測得的總初級生產力（GPP）通量（Davidson et al.）

利用該設備，科學家們在所有樣地的觀測結果發現，濕苔草的平均CH4排放量最高，其它植被類型排放量較低。此外，還發現地下水位高于或位于土壤表面的樣地CH4排放量最高。作者建立了幾個多元回歸模型以確定CH4通量的驅動因子，并檢驗GPP，溶解性有機碳和CH4通量之間的關系。他們發現，一個高度簡化的植被分類僅包括3種植被類型（濕苔草，叢生苔草和其它），解釋了整個樣帶中54%的CH4通量變化。其表現幾乎與一個更復雜的模型一樣，該模型包括多種生物和環境驅動因子例如地下水位，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個阿拉斯加北極站點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，解釋了來自多個植被群落，環境狀況以及地理位置的各種苔原類型CH4通量的空間異質性。濕苔草群落主導CH4排放，而其他植被類型排放率更低。這些發現表明了植被組成作為與CH4通量有關的條件的綜合度量的重要性。

多年來，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。其專利離軸積分腔輸出光譜技術（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境中收集科學數據，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，直升機或無人機上，運行的汽車或卡車上，火車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儀器的應用場景

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