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氮素干沉降的理想观测方案——涡度相关法测量氨通量

点击次数:122 发布时间:2021-07-06

 

20世纪以来,全球科技、经济飞速发展,这离不开人类活动“火力全开”的加速。大量化石燃料的使用以及农牧业的大力扩张导致的环境问题层出不穷,近年来学者们普遍侧重于关注温室效应,然而雾霾、酸雨等的幕后推手——氨也日渐猖獗,其污染效力不容小觑!研究表明,非化石燃料燃烧造成的氮排放约占氮总排放量的55±7%,人为类固氮行为严重影响着全球氮循环。在氮的干沉降中,氨沉降占到80%,过量氨沉降会导致水体富营养化、土壤酸化进而造成生物多样性损失等问题,对人类健康也存在严重威胁。

氮的湿沉降测量开始于19世纪50年代,而干沉降的测量却晚了100多年。湿沉降是氮素沉降的主要部分,但是在农、牧业中主要是干沉降。以往学者研究氮素湿沉降主要采用降水采集法、离子交换树脂法等,干沉降的测量方法主要有直接测定法、间接计算法。降水采集法费时耗力,对样本保存条件要求较高,而离子交换树脂法会受到环境温度的限制。传统的直接测量法无法完全模拟天然的氮沉降,存在氮通量的低估,误差较大。而间接计算法需要相对复杂的仪器,耗费精力。

农、牧业在氮排放中占据不小的比例,以往却一直被忽略。海尔欣光电科技有限公司自主研发的HT8700激光开路式大气氨分析仪,基于中红外波段的原位观测技术,50 W低功耗,10 Hz高频输出,结合涡动协方差方法使得农、牧业中氨通量监测易如反掌。仪器直接处于氨排放环境之中,实现了氨通量实时监测,为制定氮减排和评价氮沉降尽绵薄之力。

 

 图1位于扬州市江都试验基地的的氨通量观测塔

        2019年,我司与中国科学院南京土壤研究所合作,在该所江都试验基地部署了HT8700监测此处氨的排放情况。该实验站点位于一养鸭场下风向的稻田中,其间架设有通量观测塔,正好为监测农、牧氨通量的良好地点。

2 垂直风速与氨浓度的协方差

通过协方差分析(图2)可以看出,HT870010Hz超声风速仪之间的响应速度几乎同步,垂直风速与氨气浓度的时间序列之间迟滞时间接近0秒,开路式光腔避免了闭路观测系统产生的分析仪响应迟滞与采样管内壁粘连,很好地展现氨通量10Hz的实时数据。此外,我们还可以清楚的看到氨的沉降,在该段数据中,氨通量达到了-230 ng/m2/s

3 垂直风速与氨浓度的协谱

湍流谱展现出HT8700的对高、低频信号的响应能力。从图3中可以看出垂直风速与氨浓度的协谱曲线存在清晰的峰值区,在低频区相对分散,在惯性副区逐渐合并,谱线在惯性副区相对更加集中,且符合遵循-4/3定律。

氨沉降观测的实现对于全球氮污染及其过量沉降研究意义重大,补足了以往大气氮沉降中重要的一环。海尔欣光电科技HT8700将持续优化仪器性能,为建成氨通量观测网尽一份力!

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