国产仪器登上Nature npj期刊：下一代高精度甲烷监测仪器最新进展

准确、连续地获取生态系统尺度甲烷交换通量，是理解全球甲烷循环和评估生态系统温室气体收支的重要基础。近年来，涡度相关（Eddy Covariance, EC）技术凭借其连续观测、大尺度代表性和非扰动测量等优势，已成为湿地、农田、森林等生态系统甲烷通量研究的重要技术手段。

然而，对于开路甲烷EC观测而言，如何进一步提高长期测量稳定性，降低环境因素引入的不确定性，仍是该领域持续关注的问题。

近期，海尔欣联合发表于《npj Climate and Atmospheric Science》的研究“Towards correction free open-path eddy covariance flux measurements for methane”提出了新的开路甲烷通量测量方法，为解决这一问题提供了新的技术路径。

本研究围绕开路甲烷测量中的环境影响和后处理校正问题展开，通过优化仪器测量机制，降低方法对校正过程的依赖，实现更加直接、稳定的甲烷EC通量观测。

一、开路甲烷EC测量中的校正挑战

由于测量路径直接暴露于环境中，温度、水汽以及空气密度变化会影响传统开路甲烷气体分析仪输出的气体浓度信号。在传统开路EC数据处理中，通常需要通过密度校正和光谱校正等方式，对环境变化造成的影响进行修正。

这些方法已经支撑了大量长期生态观测工作，但在低背景通量条件下，较大的校正项可能增加数据处理复杂度，并引入额外的不确定性。

因此，如何从测量过程本身降低环境影响，而不是依赖后期大幅度校正，成为开路甲烷EC技术发展的重要方向。

二、从“后处理修正”到“测量过程优化”

针对上述问题，我们提出了一种新的测量方法。该方法的核心思想是：

通过优化测量机制，使甲烷浓度变化在获取阶段就尽可能减少环境因素干扰。

研究基于HT8600P大气甲烷/水汽激光开路分析仪（下文简称“8600P”），采用中红外激光光谱技术，提出了一种伪干混合比（χₚ）法。

简单来说，传统方法通常是：

l 测量甲烷浓度变化 → 计算原始通量 → 根据温度、水汽等因素进行校正

而新的方法则尝试：

l 同一光路同步测量CH₄和H₂O → 逐点补偿，实现密度-混合比转换 → 降低校正需求

这一思路改变了传统开路EC中“依赖校正补偿误差”的方式，使测量结果更加接近直接获取真实气体交换信号。

三、实验验证：降低环境影响，提高通量可靠性

研究团队通过零通量实验和实际环境观测，对HT8600P及χₚ方法进行了系统验证。

在零甲烷通量背景实验中，研究结果显示：

· HT8600P所需净校正量约为传统商用方案（仪器+方法）的1/10；

· χₚ方法通过在信号层面降低密度和光谱效应影响，显著减少了温度、水汽等环境扰动引起的随机误差估计偏高——“幻影误差”，使估计得到的随机误差水平（约0.057 mg·m⁻²·h⁻¹）与独立经验验证结果（约0.063 mg·m⁻²·h⁻¹）保持一致；

此外，在城市甲烷排放观测实验中，HT8600P与商业化开路甲烷分析系统获得了高度一致的通量结果，验证了该方法在实际环境条件下的适用性。

研究表明，通过减少环境因素造成的测量干扰，该方法能够提升开路甲烷通量观测的稳定性，并为长期连续观测提供更加可靠的数据基础。

四、面向下一代甲烷通量观测的新路径

对于生态系统长期观测而言，仪器性能不仅体现在单次测量精度，更体现在多年尺度运行过程中的稳定性和数据一致性。

此次研究从监测硬件和计算方法学两个层面，对开路甲烷EC技术进行了优化，为未来湿地、农田、森林以及区域尺度甲烷排放观测提供了一种新的技术选择。

本研究采用的HT8600P大气甲烷/水汽激光开路分析仪由宁波海尔欣光电科技有限公司研发。未来，围绕甲烷、氧化亚氮等关键温室气体的高精度监测需求，相关技术将进一步服务于生态系统温室气体交换研究和长期观测网络建设。