文獻摘要：

一氧化二氮(N2O)是主要的同溫層臭氧耗竭的大氣成分和通過正輻射強迫機制促進了氣候系統的變化強勢貢獻。大氣N2O的豐度從在前工業時代的約270ppb(十億分之一，10-9molmol-1)增長到2018年約330 ppb。盡管眾所周知農業和自然土壤中的微生物過程是最重要的N2O主要來源，但特定土壤過程的貢獻仍然是不確定的。N2O同位素的相對豐度(14N14N16N, 14N15N16O, 15N14N16O和14N14N18O)帶來特定過程的信息，因此可以用于追蹤生產和消耗途徑。

同位素比率質譜(IRMS)是用于高精度測量同位素組成的傳統方法，量子級聯激光吸收光譜(QCLAS)作為一種補充技術被提出具有現場分析的潛力。近年來, 提出了預濃縮與QCLAS相結合的方法作為一種解決環境中一氧化二氮同位素組成細微變化的技術。從2016年5月底到8月初，我們調查了一個集中管理的德國南部芬特研究基地的草原N2O排放?？偟膩碚f, 用QCLAS分析預濃縮系統綜合測量了612次環境N2O，產生了δ15Nα，δ15Nβ，δ18O，N2O濃度隨時間變化，分辨率約1h，精度分別是0.46‰，0.36‰，0.59‰，1.24ppb。土壤δ15N-NO3-值和NO3-與NH4+濃度值的測量進一步限制可能的N2O散發來源的過程統計。此外，測量N2O的濃度足跡面積用拉格朗日粒子分散法測定模型(FLEXPART-COSMO)使用局部風和湍流觀察。這些模擬表明，夜間濃度觀測結果對局部地區通量的變化非常敏感，同時細菌反硝化和硝化反硝化被確定為主要的N2O發散過程，N2O還原為N2在很大程度上決定了測量的N2O同位素成分。真菌脫氮和硝化衍生N2O占總N2O發散的34%~42%，并對測量的同位素源特征有明顯的影響。本研究提出了現場N2O同位素分析適用性，以理清來源和在原位的下沉過程，并在Fendt現場發現細菌反硝化或硝化反硝化是主要的N2O的來源，而N2O的還原作用是主要的土壤產生N2O的匯。

測量過程：

圖1：半連續分析N2O同位素的儀器裝置，耦合預富集激光光譜法(TREXQCLAS) (Ibraim等人，2018)，包括用于調節樣品氣體的外圍設備。連續的樣品氣體處理包括采用滲透干燥除濕，調整樣品氣體壓力在隔膜泵后用泄壓閥，和用燒堿石棉或者Mg.(ClO4)2阱去除二氧化碳或水，以及使用燒結金屬過濾器對顆粒進行過濾。一個自動的多位置閥使我們能夠在8種不同燒堿石棉阱之間切換，從而將維護工作減少到每八天一次。所示氣體為目標氣體(T)、合成空氣(SA)、標準氣體1 (S1)和標準氣體2 (S2)。一氧化碳從使用Sofnocat催化劑(423型，分子產品有限公司)。在右上角，給出了一個完整的測量周期。y軸上對應不同氣體類型:標準1 (S1) 標準2(S2)樣品(S)和目標(T)氣體。x軸給出運行時間(以分鐘為單位)。整個測量周期持續約4小時，這導致頻率約為每小時一個環境空氣測量。

圖2：(a)通過連合于GC-ECD的五個重復通量室測量的平均N2O通量(f (N2O))。(b)NH4+-N和NO3--N濃度。除了施肥那一周的取樣外，在De-Fen站點每星期取樣兩次，頻率增加最多取樣8個節點。因此，一個采樣天內的可變性指的是在給定的一天內整個De-Fen站點的空間可變性。(c)觀測到的土壤含水量(紅色)和降水(藍色)。(d)觀測到的環境溫度(2ma.g.l.)和土壤溫度(地下2-6 cm)。藍色的虛線表示插秧事件，紅線表示施肥事件。

圖3：N2O濃度時間序列(a)，δ15Nα(b)，δ15Nβ(c)，和δ18O(d), 左軸表示濃度和同位素δ值在各自的尺度上，而右軸描述與背景值的差異(δX=Xmeasured-Xbackground, 其中X為N2O，δ15Nα，δ15Nβ，或者δ18O)。在右上角，給出了四個量的直方圖。顏色的象征表示2ma.g.l的環境空氣樣本(S)。黑色符號表示目標氣體的相應測量值(T;表2)。陰影區域表示1個標準差(σ)，這是對t連續三次測量的計算結果測量周期在右邊給出，用彩色字體表示S，用黑色表示t。垂直的藍色虛線表示在2016年7月4日一個切割事件，紅色虛線表示2016年7月12日的施肥情況。

圖4：土壤浸出液中NO3-在8個不同節點處于De-Fen的N2O通量和同位素測量地點的δ15N的時間變化趨勢，表示空間變異性大。(a)中濃度加權平均值(紅色填充符號)及其不確定度(1個標準偏差)。來源特征(b) δ15Nbulk，(c)SP和(d)δ18O來自Miller和tan(2003)土壤釋放的N2O給出了方法(紅叉)和基林(1961、1958)繪圖方法(藍色填充符號)。不確定性用淡紅色表示，Miller-Tans方法的陰影區域和Keeling圖方法的誤差條(用蒙特卡羅模型計算1個標準差)。藍色虛線表示切割事件，紅色虛線表示肥料施用情況。右邊的三個面板:相關性由Miller和Tans(2003)和基林(1961, 1958)圖法得到的結果圖。虛線對應于1v1的斜率。

圖5：(a)草地De-Fen站點午-午平均N2O通量f (N2O)與吸水孔隙空間(WFPS)的關系。表示不確定性代表了f (N2O)和WFPS在1天內的變化。圖S1給出了單個腔室的結果。一氧化二氮通量是最高為85%-92%WFPS。紅色虛線對應于這里顯示的數據的兩項指數擬合。(b) SP作為WFPS的函數，在85%~95% WFPS范圍內SP值最低，對應的N2O通量最高。紅色虛線描述了這里顯示的數據的雙指數擬合(這個擬合不顯著)。用于擬合數據的模型對應于y=a•exp(b•x)+c•exp(d•x) (系數a, b, c和D在正文中給出)。

圖6：6月22日至24日(星星1-3)、7月9日至12日(方格6、9、11和12)和7月17日至21日(六邊形4、5、7、8和10)土壤排放的N2O的源特征。符號的顏色編碼是指WFPS，其中藍色代表高值，紅色代表低值的WFPS(確切值見表3)。真菌反硝化作用和/或硝化衍生N2O (FD/N)和細菌反硝化作用的來源特征和/或硝化反硝化衍生的N2O (BD/ND)用矩形表示，根據表4中給出的值，陰影部分表示兩個域的混合區域。橙色的十字表示各自的通量平均值源特征。紅色箭頭表示部分N2O還原為N2的路徑，黑色箭頭表示混合方向FD/N-derived一氧化二氮。實箭頭表示場景1(第一次減少，然后混合)，而虛線箭頭表示場景2(第一次混合，然后減少)。(a)SP與Δδ15N相對圖根據Koba等人(2009)，Δδ15N=δ15N-NO3 --δ15N-N2O(b) SP與Δδ18O來源于土壤排放N2O相對圖根據Lewicka-Szczebak等人(2017)，Δδ18O=δ18O-N2O -δ18O-H2O，土壤水間的同位素影響，和形成N2O。Δδ18O的BD/ND被認為是恒定的，因為土壤的水和土壤之間的高氧交換在WFPS的高值狀態時反應中間體。