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氮素干沉降的理想觀測方案——渦度相關(guān)法測量氨通量

閱讀:2366        發(fā)布時間:2021/7/6
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20世紀(jì)以來,全球科技、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,這離不開人類活動“火力全開”的加速。大量化石燃料的使用以及農(nóng)牧業(yè)的大力擴(kuò)張導(dǎo)致的環(huán)境問題層出不窮,近年來學(xué)者們普遍側(cè)重于關(guān)注溫室效應(yīng),然而霧霾、酸雨等的幕后推手——氨也日漸猖獗,其污染效力不容小覷!研究表明,非化石燃料燃燒造成的氮排放約占氮總排放量的55±7%,人為類固氮行為嚴(yán)重影響著氮循環(huán)。在氮的干沉降中,氨沉降占到80%,過量氨沉降會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、土壤酸化進(jìn)而造成生物多樣性損失等問題,對人類健康也存在嚴(yán)重威脅。

氮的濕沉降測量開始于19世紀(jì)50年代,而干沉降的測量卻晚了100多年。濕沉降是氮素沉降的主要部分,但是在農(nóng)、牧業(yè)中主要是干沉降。以往學(xué)者研究氮素濕沉降主要采用降水采集法、離子交換樹脂法等,干沉降的測量方法主要有直接測定法、間接計算法。降水采集法費(fèi)時耗力,對樣本保存條件要求較高,而離子交換樹脂法會受到環(huán)境溫度的限制。傳統(tǒng)的直接測量法無法*模擬天然的氮沉降,存在氮通量的低估,誤差較大。而間接計算法需要相對復(fù)雜的儀器,耗費(fèi)精力。

農(nóng)、牧業(yè)在氮排放中占據(jù)不小的比例,以往卻一直被忽略。海爾欣光電科技有限公司自主研發(fā)的HT8700激光開路式大氣氨分析儀,基于中紅外波段的原位觀測技術(shù),50 W低功耗,10 Hz高頻輸出,結(jié)合渦動協(xié)方差方法使得農(nóng)、牧業(yè)中氨通量監(jiān)測易如反掌。儀器直接處于氨排放環(huán)境之中,實現(xiàn)了氨通量實時監(jiān)測,為制定氮減排和評價氮沉降盡綿薄之力。

 

 圖1位于揚(yáng)州市江都試驗基地的的氨通量觀測塔

        2019年,我司與中國科學(xué)院南京土壤研究所合作,在該所江都試驗基地部署了HT8700監(jiān)測此處氨的排放情況。該實驗站點(diǎn)位于一養(yǎng)鴨場下風(fēng)向的稻田中,其間架設(shè)有通量觀測塔,正好為監(jiān)測農(nóng)、牧氨通量的良好地點(diǎn)。

2 垂直風(fēng)速與氨濃度的協(xié)方差

通過協(xié)方差分析(圖2)可以看出,HT870010Hz超聲風(fēng)速儀之間的響應(yīng)速度幾乎同步,垂直風(fēng)速與氨氣濃度的時間序列之間遲滯時間接近0秒,開路式光腔避免了閉路觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的分析儀響應(yīng)遲滯與采樣管內(nèi)壁粘連,很好地展現(xiàn)氨通量10Hz的實時數(shù)據(jù)。此外,我們還可以清楚的看到氨的沉降,在該段數(shù)據(jù)中,氨通量達(dá)到了-230 ng/m2/s

3 垂直風(fēng)速與氨濃度的協(xié)譜

湍流譜展現(xiàn)出HT8700的對高、低頻信號的響應(yīng)能力。從圖3中可以看出垂直風(fēng)速與氨濃度的協(xié)譜曲線存在清晰的峰值區(qū),在低頻區(qū)相對分散,在慣性副區(qū)逐漸合并,譜線在慣性副區(qū)相對更加集中,且符合遵循-4/3定律。

氨沉降觀測的實現(xiàn)對于氮污染及其過量沉降研究意義重大,補(bǔ)足了以往大氣氮沉降中重要的一環(huán)。海爾欣光電科技HT8700將持續(xù)優(yōu)化儀器性能,為建成氨通量觀測網(wǎng)盡一份力!

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