氧氣（O?）是濕地土壤生物地球化學過程的主要控制因素之一。氧氣的可用性調(diào)節(jié)了土壤中二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）等重要溫室氣體的產(chǎn)生與消耗，從而影響這些氣體潛在的排放量。通過使用PreSens公司的化學光學傳感器（Dipping Probe DP-PSt3）與多通道氧氣測量儀（OXY-10 mini）相連，可以實現(xiàn)濕地不同土壤深度的可靠長期測量。研究結(jié)果表明，氧氣和礦質(zhì)氮的可用性在日常和季節(jié)變化之間存在復雜的相互作用。

在濕地土壤中，氧氣（O?）的可用性常常受到高土壤水分含量和水位位置的限制。由于北方濕地儲存了約30%的地下有機碳（C）庫，并且作為這些重要溫室氣體的凈源，因此了解土壤中氧氣的可用性和動態(tài)對于理解當前溫室氣體的產(chǎn)生與消耗過程、凈排放到大氣中的情況以及預測未來土壤到大氣中的凈排放變化至關(guān)重要。直到最近，關(guān)于氧氣在現(xiàn)場尺度上調(diào)節(jié)溫室氣體的作用的知識主要來源于孤立的實驗室實驗。我們已經(jīng)觀察到，土壤氣體通過土壤-大氣界面的運輸既發(fā)生在土壤中的充氣孔隙空間內(nèi)的擴散傳輸，也通過許多濕地植物的氣孔組織。然而，要在現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)尺度上理解這些過程，關(guān)鍵的缺失因素之一是缺乏在波動的水位和季節(jié)性生長的地下通氣濕地大浮葉植物條件下，進行連續(xù)高分辨率非侵入性測量的地下氧氣可用性的相關(guān)數(shù)據(jù)。

使用化學光學傳感器測量氧氣

在哥本哈根大學地理與地質(zhì)系，我們通過使用氧氣浸入式探頭（PSt3型，PreSens GmbH）解決了獲取地下氧氣動態(tài)連續(xù)現(xiàn)場尺度測量的關(guān)鍵問題（圖1）。這些傳感器被安裝在土壤剖面中，深度分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50和60厘米，并與多通道氧氣測量儀（OXY-10 mini，PreSens GmbH）連接，該測量儀通過微控制器（CR1000數(shù)據(jù)記錄儀，Campbell Scientific）進行自動數(shù)據(jù)采集。在安裝到土壤剖面之前，氧氣探頭在無氧（0大氣飽和度）和飽和氧（100大氣飽和度）水中進行了校準。原始相位角輸出通過使用在相應深度測量的土壤溫度值轉(zhuǎn)換為溫度修正的氧氣濃度（%大氣飽和度）。使用這些氧氣探頭能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)且免維護的現(xiàn)場尺度氧氣動態(tài)測量，時間分辨率為10分鐘，持續(xù)時間為兩年，具有出色的可靠性，幾乎沒有缺失數(shù)據(jù)。

圖1：丹麥濕地土壤中氧氣可用性的等高線圖，響應于水位季節(jié)性波動的位置（白線），該數(shù)據(jù)由氧氣探頭測量獲得。輸入數(shù)據(jù)的時間分辨率為10分鐘（n = 235,061）。(改編自 J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling, B., 2012)

結(jié)果

我們的研究結(jié)果揭示，地下溫室氣體的產(chǎn)生、消耗和排放動態(tài)受到多個復雜因素的控制，這些因素包括氧氣和礦質(zhì)氮的日常和季節(jié)性變化、近表層水位波動以及日間入射光照變化（圖2）。所有這些因素綜合作用，突顯了依賴生態(tài)系統(tǒng)的土壤-植物-大氣相互作用的重要性。

圖2：植物通過土壤輸送氧氣（O?）的示例，時間范圍為2010年5月20日至2010年6月1日。
(a) 5厘米深度的O?濃度（紅色圓圈）和土壤溫度（黑色線），
(b) 光合有效輻射（PAR輻射）（棕色圓圈），
(c) 10厘米深度的O?濃度（綠色線）和水位（藍色線）。
日間光合有效輻射（PAR輻射，W m?2）的顯著相關(guān)性（p < 0.001）表明，植物通過根區(qū)將氧氣輸送至土壤，這一過程是活躍光合作用的結(jié)果。
（改編自 J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling, B., 2012）。

濕地相關(guān)文獻：

[1] Askaer, L., Elberling, B., Glud, R. N., Kühl, M., Lauritsen, F. R., Joensen, H. P., 2010. 土壤異質(zhì)性對濕地氧氣分布和甲烷排放的影響：使用平面氧氣光探頭和膜入口質(zhì)譜法的原位與微環(huán)境實驗研究。Soil Biology and Biochemistry 42, 2254 - 2265。
[2] Elberling, B., Askaer, L., J?rgensen, C. J., Joensen, H. P., Kühl, M. Glud, R. N., Lauritsen, F. R., 2011. 將濕地土壤中的氧氣、二氧化碳和甲烷濃度聯(lián)系起來：對二氧化碳和甲烷通量的啟示。Environmental Science & Technology 45, 3393 - 339。
[3] J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling B., 2012. 丹麥濕地中N?O通量動態(tài)的時間趨勢——植物介導的N?O和O?氣體傳輸對水位變化和土壤礦質(zhì)氮可用性變化的影響。Global Change Biology 18, 210 - 222。

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