【仪器应用案例】—— eosGP CO₂浓度探测器

本期分享一篇使用eosGP CO₂浓度探测器文章——《河流的新陈代谢控制着北极河流的昼夜模式和二氧化碳的逃逸》。

题目：Stream metabolism controls diel patterns and evasion of CO₂ in Arctic streams

期刊：Global change biology （中科院1区，h-index:217，CiteScore:15.50）

DOI：https://doi.org/10.1111/gcb.14895

溪流在全球碳(C)循环中扮演着重要的角色，尽管他的面积相对较小，但从内陆水域逃逸的二氧化碳中有很大一部分来自溪流。然而，不同的陆地和水生过程驱动二氧化碳的产生和逃逸的相对重要性仍然知之甚少。在这项研究中，作者在2015年和2016年夏季连续测量了瑞典北部以冻土带为主的流域的溪流中的O₂和CO₂。由此，我们同时估计了每日代谢率和二氧化碳逃逸量，从而洞察了北极河流代谢作为碳动态驱动力的作用。我们的结果表明，水生生物过程在多个时间尺度上调节CO₂的浓度和逃逸速率。光合作用导致二氧化碳浓度在白天下降了900ppm，这种日变化的幅度在低湍流河流中最强烈。二氧化碳浓度的昼夜变化模式反过来又影响了逃逸速率，夜间的逃逸率最高可达45%。整个夏季，水生生态系统的呼吸作用维持着二氧化碳的逸出，呼吸作用比初级生产总值高一个数量级。此外，在大多数情况下，河流呼吸的贡献超过了CO₂逃逸的贡献，这表明一些河流河段是CO₂的净来源，从而造成了该河流网络中C的生产和损失的纵向异质性。总的来说，这一项研究结果提供了北极地区河流代谢和二氧化碳逃逸之间的重要联系，并证明了河流代谢过程是这些景观输出的陆地有机质转化和命运的关键驱动因素。

图1 研究区

研究者在2015年和2016年在北极的Miellajokka河流域布设了6个监测点，同时监测水温、水文、流量水体CO₂浓度和溶解氧。水温和水位用HOBO U20-001-04 水位记录仪（图2a）每个小时记录一次、水体CO₂浓度用红外气体分析仪(IRGA) 每个小时记录一次。在M1和M16监测点，研究者使用Vaisala GMT220传感器(Vaisala)，该传感器覆盖了一层PTFE防水透气膜，该防水透气膜对溶解的气体具有高度渗透性，但对水没有渗透性(Johnsonet al., 2010)。在M6、M9、M10和M17站点，研究者使用eosGP CO₂浓度探测器(Eosense Inc)（图2b）。eosGP传感器使用了与Vaisala相同的技术，但设计中包含了PTFE薄膜。Vaisala和eosGP传感器连接到CR1000数据记录器(Campbell Scientific Inc.)，由12v铅酸电池供电。在现场部署前和部署后，传感器在实验室中使用标准气体进行校准，气体浓度分别为400ppm、2000ppm和5000ppm。传感器被放置在保护套管中，以避免由于洪水和水中岩石运动造成的损坏，并每3周进行检查和轻轻清洗。由于膜材料的脆性和一些水流的极端条件，发生了几次故障并导致数据丢失，特别是在M1处。研究者使用miniDOT氧记录器（图2c）(Precision Measurement Engineering Inc.)每10分钟监测一次氧气浓度。所有探头都安装了一个铜网，以避免生物淤积，传感器被放置在水流的相反方向，以防止碎片堆积和石头的冲击。部署前后，使用再曝气水对传感器进行交互校准，以达到100%的氧饱和度，然后添加干酵母将氧饱和度降低到0%。所有的探头都使用一根带孔钢管连接到一个重金属平台上，以防止移动。温度/水位记录器稳稳地放置在管道内部，CO₂传感器在管道外部但位于管道下游，暴露在流动的水中，而O₂传感器与水流平行，传感器面向下游。我们在选择这些地点时考虑了三个标准:(a)在河流底部的合适位置找到一个合适的位置来安装仪器设备，这样在基流条件下，它们就不会暴露在空气中，同时也避免了深水池；(b)远离上游支流汇入处(除M16外，所有河流到最近支流的距离>1 km)；和(c)无地下水输入影响。在2-6次试验中，研究这通过比较部署地点与上游50-500米（视溪流大小而定）河流段盐度的差异来估计地下水的输入量。对于每个监测点，研究者观察到相似的流量值，差异小于10%，以此可以排除地下水输入对代谢的影响。

图2 主要监测仪器设备

HOBO U20-001-04 水位记录仪（图2a）：HOBO U20系列水位计可用于监测溪流、湖泊、湿地、潮汐地区以及地下水的水位和水温变化。它具有精度高、使用方便、价格便宜的优点。它采用压力式测量原理，省去了笨重的通气管等设备，不需干燥剂，降低了日常维护工作量，体积小巧，使用方便。同时，U20也可作为大气压力传感器，用于水位传感器的精度补偿。HOBO U20L-01是Onset最新推出的一款采用聚丙烯外壳的高性价比自计式水位计，可用于连续测量水位和水温信息，既适用于淡水环境，也可用于高盐度水域。其0~9m的量程（0~207kPa）和25px（±0.1%FS）的精度能够满足您一般性的测量需求。利用HOBOwarePro软件，您即可轻松获得精确水位、大气压力、温度、气压补偿以及完整的图形数据分析报告。（https://jingzhuyan.com/ProDetail.aspx?ProId=105）

eosGP CO₂浓度探测器(Eosense Inc)（图2b）：eosGP CO₂浓度探测器是一种防水的可原位连续准确监测二氧化碳含量的传感器，结构坚固，即可埋于土壤中，又可淹没在溪流或湖水中，甚至可以用于雨雪环境。低能耗，开箱即用，可掩埋，形状小，可兼容大部分基础数据采集器，易使用，非常适用于野外系统集成观测。(https://jingzhuyan.com/ProDetail.aspx?ProId=132）

特点：

（1）精确度高

（2）耐用性好

（3）兼容性强

（4）防水性强

（5）紧凑性

miniDOT氧记录器(Precision Measurement Engineering Inc.)（图2c）：miniDOT溶解氧温度记录仪可以采集水中的溶解氧和温度数值，测量基于薄膜荧光物质的猝灭效应原理，采用光学电极，测量数据存储到仪器内的2G SD卡中，您可通过读卡器读取卡中存储的数据。DOT为自容式监测仪并且适用于多种水体环境。（https://jingzhuyan.com/ProDetail.aspx?ProId=110）

特点：

（1）采用溶解氧光学电极

（2）可记录时间、日期、 溶解氧和温度信息

（3）稳定的光极校准

（4）配有2 GB SD卡

（5）体积小，坚固耐用，易于使用

（6）次用可视化数据软件

（7）使用两节5号电池供电