温室气体是如何监测的

 3ChinaThreeGorges生态环保温室气体是如何监测的温室气体问题自上世纪20年代开始引起关注以来，其监测计量方法也随之广泛地发展起来。“没有准确的测量就没有好的管理”，这句在企业管理中普适的名言在环境保护领域同样适用。对CO2、CH4、N2O等问题时期含量的准确测量，不仅有赖于人们对上述气体自身物理、化学特征的基本认识，也同上述温室气体在近地层大气、水体、土壤以及生物-非生物相中传输机制、迁移转化规律密切相关。目前，对CO2、CH4、N2O等常见温室气体的监测方法主要大类包括：模型估算法、通量箱法、微气象法、遥感反演法等，并延伸发展了10余种界面温室气体监测方法得到广泛运用（表1）。李哲2008年9月22日，世界无车日，南京市环保局环境监测中心站的流动空气监测车在街头监测空气质量。摄影/安心/CFP 4中国三峡ENVIRONMENT模型估算法原理是根据不同相间（水-气）气体成分的浓度梯度并运用Fick定律来估算通量，它一般只适用于水-气界面的通量估算，其较为简便，且多在现场对样品进行直接分析处理，减少了环境改变对气体分析的影响。但由于其核心是借助于Fick定律进行水-气界面通量估算，不仅需要准确测量水体中痕量气体的分压（浓度），而且界面气体传质系数及其影响因素（风浪、行船搅动等）亦对温室气体通量估测产生重要影响。同时，由于其容易受到水体中其他离子的影响，在高盐高硬度水体中存在较大差别。因此，人们开始引入水-气平衡器，力图通过充分实现水-气界面的气体溶解平衡以测量原水样中溶解的痕量气体，据此研发了喷淋式、层流式、鼓泡式等多种水气平衡装置。虽然该方法大大提高了测量的准确度，但其携带不便且操作繁杂，影响了其应用的范围。近年来，加拿大研发了干/湿盒体（DryBox/WetBox）气体交换平衡装置，集成了水气平衡方法的各种测试装置，使便携化。2008年有研究将水处理工艺中的脱气膜引入顶空平衡法中，气体脱除率达到99%以上，是目前水库温室气体通量观测的前沿技术。通量箱法花费低、操作方便、灵敏度高，是温室气体监测的常用方法。但通量箱体对观测对象有扰动，箱内外存在一定压力差、温度差等，改变了被测表面空气的自然湍流状况，可能对水、土界面与大气间微量气体交换产生影响，使测试与实际情况存在一定偏离情况。从静态箱到动态箱的发展在一定程度上克服了上述问题，但动态箱本身亦具有一定缺陷：一方面，动态箱箱体平衡流量将表1温室气体通量主要监测方法及原理温室气体通量监测方法原理及方法模型估算法水化学平衡法利用酸碱平衡滴定测试水中CO2浓度，根据水-气界面气体交换规律，估算水-气界面CO2通量。气提法利用磷酸酸化水样，使水中CO2过饱和，并利用高纯氮气将其从水体提取出来，测试水中CO2浓度并估算界面通量。顶空平衡法利用水-气交换平衡器（鼓泡式、层流式、喷淋式等）使水体内气体浓度与进样气体浓度达到平衡，测量进样气体浓度值估算水中气体浓度值并估算界面通量。水气分离法利用脱气膜或其他水气分离设备，将水体中的气体分离出来，测试水中气体含量并估算界面通量。通量箱法密闭式静态箱用容积和地面积都已知的化学性质稳定的箱体，插入地面或罩在底座上，每隔一段时间对箱内待测气体的浓度测量，根据浓度随时间的变化率来计算被罩地面待测气体通量。密闭式动态箱密闭箱内气体以一定的流速被抽出采样箱，经过气体分析仪测试后，再返回到采样箱中。根据气体浓度随时间的变化来计算通量。开放式动态箱空气从箱一侧的进气口进入箱内，从箱的另一侧出口流出。土壤表面与大气交换的气体通量可通过气流进、出口处的浓度差、流速和箱覆盖面积等参数算出。微气象法涡度相关法涡度相关法通过测定大气中湍流运动所产生的风速脉动和物理量脉动，在满足常通量层三个假设条件下，求算能量和物质通量。松弛涡度累积法要求以与垂直风速大小成比例的速率将上风方和下风方的气体样品收集在两个气袋中，后在理想的实验室条件下进行气体的浓度测定，求得通量。空气动力学方法通过测定群落上部两个高度的气体浓度，依据边界层的气体、热量与动量传输系数的相似原理，间接计算气体通量。能量平衡法假定生态系统的能量输入与输出是平衡的，利用能量平衡与气体通量的关系评价生态系统与大气间的气体通量。其他土壤浓度廓线法假设土壤水平方向浓度均一，则土壤－大气间的气体交换通量可以通过测定土壤剖面不同深度的目标气体浓度来计算。气泡收集法将一漏斗状的收集器放置于水体面，收集从底层释放上来的气泡，最后用色谱分析求得通量。碱吸收法在静态箱内放置碱液，一定时间后通过标定碱液吸收的CO2来计算这一时间段内土壤呼吸量的方法。遥感反演法各种遥感卫星对地表各相关参量进行图像解析，定量建立各地表环境参量的模型，估算温室气体释放水平并进行模型校正。 ChinaThreeGorges生态环保干扰界面气体传输，另一方面，在气体排放通量较低的情况下，箱体的出口和入口处的被测气体浓度差别很小，因而要求有很高的测量精度，否则会导致较大的测量误差。近年来，人们开始将动态箱与静态箱相互结合，在箱内置一非色散红外分析仪使气体在仪器与箱之间循环流动，达到监测与气体流动的双重目的，具有测定时间短、观测对象的干扰小、气体混合均匀、精确度高特点。和通量箱法相比，微气象学法是一种开放式的测量方法，多用于陆生生境温室气体的测量研究，其主要特点为：1、所测气体通量值是较大空间范围内（一般为100～1000m）的平均值，减少了密闭系统采样带来的误差；2、测量装置一般位于被测区域的下风方向处，实验装置及观测活动基本不会干扰被测区域的自然环境状况；3、观测持续时间较长，能得到被测区域微气象要素的时间变化，获得被测气体交换特征。但由于空气运动是多维的，观测的垂直涡度通量可能偏离真正的净交换，要求下垫面相对均匀。目前该方法着重针对非理想下垫面（真实下垫面）CO2通量和水热通量的计算开展研究，而地形起伏引起的平流和夜间CO2通量计算等问题还有待于进一步研究，这将是今后的工作重点。目前国际上关于水库温室气体效应研究已广泛展开，在温带、热带水库温室气体已有成熟经验，形成了相对完善的监测体系。虽然国际水电协会曾总结并选定了水库温室气体效应的主要环境监测参量，且在监测技术运用上各地区水库的已有研究多采用模型估算法和通量箱法，但不同区域物理环境的差异使得碳素生物地球化学循环模式与调控机制各不相同，其主导温室气体产汇的关键过程差异明显，适配于特定区域环境背景的温室气体监测方法体系仍值得探索，这不仅在很大程度上决定了该区域温室气体监测数据的科学性与合理性，更直接影响了对水库温室气体效应的客观评估。（编辑/任红）2009年6月21日，世界上首个实时二氧化碳排量计算器——CarbonClock亮相纽约宾夕法尼亚车站外。该计算器可检测大气中温室气体的含量。摄影/ChinaFotoPress/CFP