劉花，張金鳳，c*

(福建師范大學(xué) a地理科學(xué)學(xué)院，b.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，c. 地理研究所，福州 350007)

人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體含量升高是近百年尺度上氣候變暖的主要原因。其中，甲烷(CH4)是增加速度最快的溫室氣體，在過(guò)去200年里，已經(jīng)從0.75 μL·L-1上升到1.803 μL·L-1[1]。確定大氣甲烷的源與匯,并對(duì)其進(jìn)行估算、預(yù)測(cè)已成為全球變化研究的熱點(diǎn)[2]。

氣相色譜法是測(cè)定氣體樣品CH4濃度時(shí)最普遍采用的方法。由于樣品量大、遠(yuǎn)程取樣、儀器維護(hù)及故障等問(wèn)題，取樣后的樣品往往不能立即測(cè)定，需用密封容器進(jìn)行保存[3-4]。目前，保存氣樣的容器有頂空瓶、鋁箔氣袋和注射器[3-6]等。當(dāng)用頂空瓶保存氣樣時(shí)，需要抽真空，同時(shí)需要過(guò)充消除真空不徹底所帶來(lái)的溶劑效應(yīng)[3]。即使這樣，也只有極少種類頂空瓶能滿足長(zhǎng)時(shí)間保存氣樣的需要[6-7]。氣袋是另一種保存溫室氣體樣品的常用容器，適合大體積取樣，目前在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中使用較多[5]。在可取樣體積小的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中，注射器經(jīng)常被用來(lái)保存樣品。并且注射器具有易沖洗、易抽真空，價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，因此也是一種常用的氣樣保存方式。保存期限是評(píng)價(jià)容器保存性能的重要參數(shù)，明確所選容器的保存時(shí)效并在保存期限內(nèi)完成測(cè)樣是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的重要一環(huán)。雖然目前已經(jīng)開(kāi)展了大量關(guān)于氣袋和注射器保存溫室氣體樣品的研究[6,8]，但有關(guān)其保存期限與濃度關(guān)系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究選擇醫(yī)用塑料注射器和鋁箔氣袋對(duì)不同濃度CH4氣樣的保存時(shí)效進(jìn)行了對(duì)比研究，期望為將來(lái)研究的樣品保存提供試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 材料與研究方法

1.1 不同濃度的CH4氣體

本研究中的氣體樣品包括4個(gè)CH4濃度水平，即高(101.9 μmol·mol-1)、中(8.34 μmol·mol-1)、低(1.13 μmol·mol-1)和大氣濃度(2.12 μmol·mol-1)。其中高、中濃度的氣體樣品采用大連大特氣體有限公司配制的標(biāo)準(zhǔn)氣體，低濃度樣品采用實(shí)驗(yàn)室空氣加該公司提供的高純氮?dú)?純度≥99.99%)稀釋獲得，大氣濃度樣品采自實(shí)驗(yàn)樓樓頂。每次測(cè)樣前均以新抽取接近樣品濃度甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體驗(yàn)證儀器穩(wěn)定性，即FID檢測(cè)器響應(yīng)相對(duì)誤差在3%左右，標(biāo)準(zhǔn)曲線所有樣品的相關(guān)系數(shù)滿足R2≥0.97。

1.2 研究方法

氣袋用空氣沖洗后抽成真空，注射器使用前換氣5次。將標(biāo)氣和配制好的氣體分別充入2 L大氣袋中，隨即抽取50 mL 4種不同摩爾分?jǐn)?shù)的甲烷氣體樣品，注入清洗好的氣袋和注射器(50 mL)中，關(guān)閉閥門(mén)，避光保存。在放置0、12、24、48、360和720 h后測(cè)定CH4濃度。每種處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，共240份樣品。

1.3 甲烷分析方法

樣品CH4濃度采用氣相色譜儀(GC-2010，日本島津)測(cè)定。CH4檢測(cè)器為氫焰離子化檢測(cè)器(FID)，載氣為氮?dú)?N2)，流速為30 mL·min-1，燃?xì)馐菤錃?，流速?7 mL·min-1；助燃?xì)鉃榭諝?，流速?00 mL·min-1；檢測(cè)器溫度為280 ℃，柱箱溫度為45 ℃；樣品進(jìn)樣量是5 mL。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 13.0軟件，作圖采用Sigmaplot 10.0。采用單因素方差分析和LSD多重比較法進(jìn)行水平間差異性檢驗(yàn)，采用三因素方差分析檢驗(yàn)容器類型、氣體濃度和存放時(shí)間對(duì)樣品CH4濃度的影響。采用線性回歸擬合保存時(shí)間與CH4濃度的關(guān)系。顯著性水平用P值表示，當(dāng)P<0.05認(rèn)為達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲烷濃度的動(dòng)態(tài)變化

高濃度(101.9 μmol·mol-1)氣體樣品：隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)，注射器內(nèi)CH4濃度線性下降，方程擬合度(R2)達(dá)99%(圖1a)。保存12、24和48 h后，其均值低于立即測(cè)定結(jié)果(0 h)，但沒(méi)達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性(P>0.05)。保存15天(360 h)和30天(720 h)后，注射器內(nèi)CH4濃度比立即測(cè)定值低38%和69%。氣袋內(nèi)CH4濃度也隨保存時(shí)間延長(zhǎng)呈線性下降(R2為0.92)。保存12 h后，其值與立即測(cè)定值無(wú)顯著差異(P>0.05)。保存24和48 h后，其濃度比立即測(cè)定值分別降低了2%和5%。保存15和30天后，氣袋內(nèi)CH4濃度略高于注射器(圖1a)，但比立即測(cè)定值降低了28%和54%，表明氣袋保存效果優(yōu)于注射器，但也不適合長(zhǎng)期保存CH4氣體樣品。注射器內(nèi)CH4濃度誤差大于氣袋，可能與所用注射器來(lái)自不同批次及使用次數(shù)有關(guān)。

注：設(shè)初始濃度(0 h)為對(duì)照組，用t檢驗(yàn)法進(jìn)行分析。同一直線中試驗(yàn)組與對(duì)照組相比，**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)，不標(biāo)則為差異不顯著(P>0.05)。 數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=5。圖 1 保存0，12，24，48，360和720 h后，氣袋和注射器高(a)、中(b)、低(c)和大氣(d)樣品的甲烷濃度Figure 1 CH4 concentrations(mean±se, n=5) of high (a), middle (b), low (c) and atmospheric (d) samples in gas bags and syringes after a storage time of 0, 12, 24, 48, 360 and 720 hours

中濃度(8.34 μmol·mol-1)氣體樣品：隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)，注射器和氣袋內(nèi)CH4濃度都呈線性下降(R2分別為0.93和0.99)。注射器內(nèi)樣品在保存12、24和48 h后，其CH4濃度低于立即測(cè)定結(jié)果，但無(wú)顯著差異(P>0.05)。氣袋內(nèi)CH4濃度在保存12 h后與立即測(cè)定值無(wú)顯著差異(P>0.05)，保存24和48 h后，顯著低于立即測(cè)定值(P<0.05)。保存15和30天后，注射器內(nèi)CH4濃度比立即測(cè)定值降低38%和68%，氣袋內(nèi)CH4濃度比立即測(cè)定值降低17%和49%。

低濃度(1.13 μmol·mol-1)氣體樣品：隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)，注射器和氣袋內(nèi)CH4濃度逐漸升高。保存12、24和48 h后，注射器內(nèi)CH4濃度與立即測(cè)定值無(wú)顯著差異(圖1c,P>0.05)。氣袋內(nèi)CH4濃度保存12、24和48 h后，也與立即測(cè)定值無(wú)顯著差異(圖1c,P>0.05)。保存15天和30天后，注射器內(nèi)CH4濃度比立即測(cè)定值高37%和58%，氣袋內(nèi)CH4濃度比立即測(cè)定值高28%和51%。兩種容器內(nèi)CH4濃度升高趨勢(shì)都呈線性，方程擬合度(R2)達(dá)96%(注射器)和99%(氣袋)。

大氣濃度(2.12 μmol·mol-1)樣品：當(dāng)保存環(huán)境空氣樣品時(shí)，無(wú)論注射器還是氣袋，其CH4濃度都隨時(shí)間無(wú)顯著變化(圖1d,P>0.05)。

2.2 甲烷濃度變化與初始濃度關(guān)系

甲烷濃度變化(以相對(duì)變化率表示,即甲烷濃度變化量與初始濃度的比值)與初始濃度的關(guān)系在不同保存時(shí)間和容器類型間趨勢(shì)一致(圖2)：在中、低濃度時(shí)(<8.34 μmol·mol-1)，甲烷變化率隨樣品初始濃度急劇變化；當(dāng)初始濃度大于8.34 μmol·mol-1時(shí)，甲烷濃度變化率穩(wěn)定，與初始濃度無(wú)關(guān)。

圖 2 保存360 h(a, c)和720 h(b, d)后，氣袋和注射器中甲烷濃度變化(平均值，n=5)與初始濃度(平均值，n=5)的關(guān)系Figure 2 The relationship between the methane concentrations (mean, n=5) in gas bags and syringes and their diffusive changes (mean, n=5) after a storage time of 360 hours (a,c) and 720 hours(b,d)

圖 3 氣袋和注射器中樣品甲烷濃度變化速率與初始濃度的關(guān)系Figure 3 The relationship between the initial CH4 concentrations of samples and their change rates in gas bags and syringes

2.3 甲烷濃度變化速率與初始濃度關(guān)系

如前所述，隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)，注射器和氣袋內(nèi)CH4濃度呈線性增加(圖1c)或減少(圖1a, b)。線性方程斜率即單位時(shí)間內(nèi)濃度變化代表CH4變化速率，而截距是初始濃度，理論上等于立即測(cè)定值。本研究發(fā)現(xiàn)，甲烷變化速率與樣品-大氣間的CH4濃度差正相關(guān)，線性方程擬合度(R2)達(dá)99%以上(圖3)。對(duì)于某一特定容器，如果明確了CH4濃度變化速率與樣品-大氣間的CH4濃度差線性方程，可利用保存后的樣品CH4濃度，推算其初始濃度，也就是利用已知條件(甲烷變化速率與樣品-大氣的CH4濃度差線性方程，保存時(shí)間，保存后樣品濃度)解方程組，求得CH4濃度變化與保存時(shí)間之間線性方程的斜率(CH4濃度變化速率)和截距(初始濃度)。用該方法計(jì)算的氣袋高濃度樣品初始值為100.9 μmol·mol-1，低濃度樣品初始值為1.17 μmol·mol-1，與立即測(cè)定值無(wú)顯著差異。

3 討論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注射器不適合長(zhǎng)期保存CH4樣品，取樣后應(yīng)盡快測(cè)定，這與以往報(bào)道結(jié)果一致[6-9]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，注射器的保存時(shí)效與CH4濃度有關(guān)。在相同條件下，濃度高的樣品比濃度低的樣品保存時(shí)間短，如高濃度樣品濃度在保存12 h后已經(jīng)顯著降低，而與環(huán)境空氣濃度相仿的低濃度樣品可在48 h內(nèi)無(wú)顯著變化。

目前，有關(guān)鋁箔氣袋保存CH4的時(shí)效性報(bào)道較少[9]。本研究表明，鋁箔氣袋保存CH4的時(shí)效也與濃度有關(guān)。低濃度樣品在保存48 h后與初始值無(wú)顯著差異，而高濃度樣品在保存24 h后顯著降低。雖然鋁箔氣袋保存CH4的效果優(yōu)于注射器，但也不適合長(zhǎng)期保存CH4樣品。保存15天后，CH4濃度比立即測(cè)定值降低或升高17%～28%。

在本研究中，CH4濃度變化與保存時(shí)間的3個(gè)線性擬合方程R2在99%以下，由此推斷這可能是由于沒(méi)有按均勻時(shí)間間隔測(cè)定CH4濃度變化引起的。例如，如果把12 h結(jié)果去除，R2明顯提高。因此將來(lái)應(yīng)用中，應(yīng)按均勻時(shí)間間隔測(cè)定甲烷濃度變化曲線，能明顯改善模擬精確度。

氣體擴(kuò)散是由于微粒(分子、原子等)的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象。可由一種或多種物質(zhì)在氣、液或固相的同一相內(nèi)或不同相間進(jìn)行，主要由于濃度差，也可由于溫度差和湍流運(yùn)動(dòng)等。氣體中的擴(kuò)散在氣體組成不均勻時(shí)，由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域進(jìn)行。樣品保存過(guò)程中，低濃度樣品CH4濃度升高，而中、高濃度樣品CH4濃度降低，同時(shí)大氣濃度樣品CH4值無(wú)顯著變化，表明樣品與大氣CH4濃度差引起的擴(kuò)散是CH4濃度變化的主要原因。CH4變化速率與樣品-大氣CH4濃度差的高相關(guān)性(圖3)也證明了這點(diǎn)。氣樣在密閉容器中發(fā)生濃度變化的原因有兩種：吸附和滲漏[10-12]。如果存在吸附散失，物質(zhì)濃度變化應(yīng)遵從先快后慢的動(dòng)態(tài)規(guī)律[10]。本研究中，無(wú)論塑料注射器還是鋁箔氣袋，CH4濃度變化速率基本恒定，沒(méi)有出現(xiàn)先快后慢的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。因此，滲漏是兩種容器中CH4濃度變化的主要原因。同時(shí)也表明塑料和鋁箔兩種材料不會(huì)吸附CH4。據(jù)此，將來(lái)研發(fā)保存CH4氣體裝置時(shí)，防止?jié)B漏是主要研究方向。

Laughling和Stevens[12]研究發(fā)現(xiàn)，氣體樣品濃度在保存過(guò)程中發(fā)生變化后，可用相同保存條件下的標(biāo)氣變化率反推其初始濃度。本研究發(fā)現(xiàn)：(1)變化率隨保存時(shí)間變化(圖1、圖2)，這樣，基于相對(duì)變化率反推初始濃度，只適用于特定保存時(shí)間，不能用于反推保存時(shí)段外的初始濃度；(2)用相對(duì)變化率推算樣品初始濃度，只適用于高濃度樣品。Laughling和Stevens[12]以及本研究都發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品初始濃度較高時(shí)，相對(duì)變化率穩(wěn)定，不受樣品初始濃度影響，可用高濃度標(biāo)氣的變化率反推樣品初始濃度；而在低濃度時(shí)，相對(duì)變化率隨初始濃度急劇變化，標(biāo)氣的變化率與樣品變化率存在極大差別，這時(shí)，如果用標(biāo)氣變化率反推樣品初始濃度必然帶來(lái)極大誤差。本研究發(fā)現(xiàn)樣品的CH4變化速率與初始濃度，從高到低范圍內(nèi)，呈高擬合度線性關(guān)系，據(jù)此采用CH4變化速率反推樣品初始濃度不受濃度范圍限制。同時(shí)CH4濃度變化與保存時(shí)段的線性關(guān)系(圖1)使得基于變化速率反推初始濃度不受保存時(shí)間限制，也反映了保存期內(nèi)物質(zhì)濃度變化所依據(jù)的動(dòng)力學(xué)原理[12-13]——即基于濃度差的菲克擴(kuò)散定律。因此建議采用CH4濃度變化速率，而不是以變化率來(lái)反推樣品初始度。

4 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)論注射器還是氣袋都不適合長(zhǎng)期(超過(guò)15天)保存甲烷樣品，且保存期限與樣品濃度有關(guān)。保存低于大氣甲烷的濃度樣品時(shí)，無(wú)論注射器還是氣袋都可以保存48 h內(nèi)，無(wú)顯著統(tǒng)計(jì)變化。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室不具備長(zhǎng)期保存甲烷樣品的條件時(shí)，可以建立保存容器的甲烷變化速率與樣品-大氣甲烷濃度差的線性方程，來(lái)反推樣品初始濃度，該方法具有較高精確度。