量子级联激光光谱在土壤生态系统中的应用研究

封面文章|刘宁武,许林广,周胜,何天博,李劲松. 量子级联激光光谱在土壤生态系统中的应用[J]. 光学学报, 2019, 39(11): 1130001

近年来全球气候变化显著,除了温室气体CO2、CH4和N2O外,大气中其他的痕量气体亦会对全球气候变化有着直接或间接的影响。

全球碳氮循环的研究表明土壤呼吸是地气之间碳氮流通的主要途径。实时原位测量不同土壤生态环境中的气体排放,是研究大气温室气体的形成、转移和消耗等动态过程的有力手段。

量子级联激光器具有功耗低、输出功率高、稳定性好、可覆盖波长范围宽等特性,已成为激光光谱痕量气体检测领域中的理想光源。

安徽大学李劲松教授课题组利用单个量子级联激光器作为激光光源,结合长程光学吸收池技术、波长调制光谱和直接吸收光谱探测技术,研制了一套高灵敏度、高精度的量子级联激光光谱仪器;开展了土壤和大气中CO和N2O气体交换过程的实时监测分析研究,为深度解析生态系统循环与大气环境演化提供一种新的有效分析手段。

图1. 量子级联激光吸收光谱仪原理示意图

该课题组以不同生态环境下土壤样品为研究对象,利用自行研制的中红外量子级联激光光谱仪器,开展了土壤和大气中CO和N2O气体交换过程的实时监测分析研究。实验结果表明,土壤在不同生态环境下呈现出不同的CO和N2O释放和吸收过程。具体结果为:

对于CO气体交换过程,池塘淤泥呈现出明显地CO净释放,而芦苇丛、有机培土和草地皆呈现出CO净吸收现象,且显现出较好的线性响应特性,如图2所示。

图2不同测量时间下土壤样品与空气之间CO气体交换过程中其浓度的净变化

而对于N2O气体,芦苇丛土壤和有机培土均呈现出N2O的净释放过程,而池塘淤泥和草地土壤则无明显的N2O释放或吸收现象,如图3所示。

图3不同测量时间下土壤样品与空气之间N2O气体交换过程中其浓度的净变化

实验结果表明该课题组自主研发的量子级联激光光谱系统,可广泛应用于土壤生态系统中地气交换过程的实时在线应用研究。

在后续的工作中,该课题组将与国内外其他学科专家进一步通过实验和理论,探究土壤与大气之间痕量气体交换过程中涉及的生物、化学问题及其影响机制,为我国大气污染源的深度解析提供关键科学依据。