兩種微氣象學(xué)方法和三種封閉法測量氨排放的比較
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2024.110077
引言
田間施用動物糞肥泥漿后，由此產(chǎn)生的氨（NH3）排放是對環(huán)境和人類健康的重大問題。準確的排放測量對排放清單的編制以及減緩措施的研究至關(guān)重要。準確測量氨氣排放面臨的一個主要挑戰(zhàn)是由于不同方法所獲得的結(jié)果可能存在較大差異。為了減少這種差異并提高氨氣排放測量的準確性，該研究在丹麥（I-AU，拖管施用法，夏季，耕地）和荷蘭（II-WUR，泥漿淺層注射法，秋季，草地）進行了兩個為期7天的田間實驗，比較了不同的測量方法。
在此研究中，應(yīng)用了兩種微氣象學(xué)方法：綜合水平通量法（IHF）和后向拉格朗日隨機模型（bLS），以及三種封閉方法：風洞法（WT），Dr?ger管法（DTM）和動態(tài)通量室法（FC）。通過對上述不同方法的對比，研究人員希望為未來氨氣排放模型的改進提供有力的數(shù)據(jù)支撐，以便更好地將泥漿覆蓋面積和土壤性質(zhì)等因素納入如ALFAM2或類似的模型中。
此外，研究人員還提出需要一種簡單且可靠的方法來量化泥漿覆蓋面積，并應(yīng)詳細描述泥漿施用的具體情況，而不僅僅是目前數(shù)據(jù)庫中包含的一般分類（如廣播、拖管、開放槽注射和封閉槽注射）的粗略描述。通過這種細致的描述和量化覆蓋面積的方法，可以顯著提高氨氣排放測量的精確度和可靠性。
材料與方法
實驗地簡介
該研究包括兩個主要的田間實驗，分別在丹麥（實驗I）和荷蘭（實驗II）進行：
實驗I（丹麥）：此實驗于2021年8月下旬在丹麥的一塊可耕地上進行，采用了拖管施用技術(shù)。實驗條件包括使用經(jīng)過消化處理的泥漿，泥漿主要成分為牛糞，但也含有其他基質(zhì)。實驗期間，記錄了環(huán)境參數(shù)如氣溫、風速及降水量。
實驗II（荷蘭）：第二次實驗在草地上進行，采用泥漿淺層注射技術(shù)。實驗在秋季進行，主要記錄了不同的環(huán)境條件和土壤類型，如氣溫、降水和風速數(shù)據(jù)。
泥漿及其施用技術(shù)
兩次實驗均涉及不同類型的泥漿施用技術(shù)：
拖管施用技術(shù)：通過一輛以大約7.5 km/h速度行駛的拖拉機施用泥漿。拖管施用的特點在于其覆蓋面積大，適用于大型耕地，能夠有效地將泥漿均勻分布在田地表面。
泥漿淺層注射技術(shù)：這是一種精細控制方法，將泥漿注射到土壤淺層。這種方法能減少氨氣的揮發(fā)，因而更環(huán)保。
測量方法
該研究使用了五種不同的測量方法，以評估泥漿施用后氨的排放：
IHF：這種微氣象學(xué)方法通過測量一定高度范圍內(nèi)的大氣橫向和縱向氣流，計算出氨的水平通量。IHF方法對大范圍的氨排放測量較為可靠，但需要復(fù)雜的設(shè)備和計算。
bLS：該方法基于氣象數(shù)據(jù)和預(yù)測模型，用于模擬并計算氨排放測量值。與IHF相比，bLS方法更加靈活，適用范圍廣，但對氣象條件的依賴性更強。該方法中使用Picarro的兩款氨氣分析儀G2509和G2103，在田間實驗中，Picarro儀器會被安置在特定地點，例如田地邊緣或上風口/下風口位置，連續(xù)地采集空氣中的氨濃度數(shù)據(jù)。這些位置的選擇通常是為了捕捉施用泥漿后的氨的擴散路徑和濃度梯度。
WT：風洞實驗常用于小范圍、精細控制的環(huán)境中，通過控制氣流并測量泥漿施用區(qū)域內(nèi)的氣體濃度，精確評估氨的排放。
DTM：使用化學(xué)試劑管直接測量空氣中的氨濃度。這種方法快速且容易操作，適合于初步和快速測量。
FC：將通量室覆蓋在泥漿施用區(qū)域，通過連續(xù)流動的空氣樣本測量氣體濃度變化，動態(tài)通量室法能提供時空分辨率的數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場和實驗設(shè)計示意圖
研究結(jié)果
氨氣濃度測量的差異性
由于CRDS的測量頻率約為0.5 Hz，實驗可以細致地記錄排放量在短時間內(nèi)的變化，這對于抓住排放的動態(tài)特征非常重要。與CRDS的連續(xù)測量相比，ALPHA采樣器和酸性沖擊器（impingers）需要較長的曝光時間，在實驗初期高濃度排放時，ALPHA采樣器暴露時間為7小時，IHF的酸性沖擊器暴露時間為1至2小時。隨著污染物濃度降低，暴露時間延長至24小時或更長，以提高靈敏度。使用ALPHA采樣器和酸性沖擊器時，需要經(jīng)過多個步驟的手動處理，包括準備、設(shè)置、采集和實驗室分析，這可能會引入系統(tǒng)性或隨機誤差，影響測量的精確性。
不同氨氣濃度測量技術(shù)在bLS方法下的動態(tài)數(shù)據(jù)
系統(tǒng)誤差和隨機誤差的影響
實驗表明，微氣象學(xué)方法測量累積氨氣排放的誤差可能至少達到應(yīng)用TAN的14%，這是I-AU實驗中bLS-ALPHA與bLS-CRDS的最大差異。在低排放情況下（如漿液注射），相對誤差可能會相當高。例如，在II-WUR實驗中，IHF與bLS-Impinger結(jié)果的應(yīng)用TAN差異不到7%，但由于排放低，這一相對差異相當于微氣象測量平均值的57%。
隨機效應(yīng)模型結(jié)果提供了排放測量誤差的便捷定量總結(jié)，說明不同測量方法和計算假設(shè)對總誤差的貢獻。而且，這種有限的誤差分配與之前的研究結(jié)果一致。例如，使用不同濃度測量方法的bLS技術(shù)比較，揭示了濃度測量在確定排放量時的關(guān)鍵作用。
總結(jié)
研究結(jié)果顯示，當包括系統(tǒng)誤差時，通過微氣象方法測量的氨氣排放誤差可能為24%至31%（標準差）。具體來說，對于用單一微氣象方法在單個地塊中測量的排放，其在95%置信區(qū)間內(nèi)的總排放不確定性約為實際測量值的60%至160%。
研究結(jié)果還表明，將不同的氨氣濃度測量方法與相同的方法（如bLS）結(jié)合使用，可以分離出這些不同誤差來源的貢獻，盡管這些對比僅限于bLS-CRDS、bLS-ALPHA和bLS-Impinger之間。bLS方法之間的差異（例如在I-AU中bLS-CRDS和bLS-ALPHA之間的應(yīng)用TAN差異為13%，在II-WUR中96小時后bLS方法之間的應(yīng)用TAN差異為2.8%）突顯了濃度測量在決定排放時的關(guān)鍵作用。
總之，這項研究的結(jié)果為提高氨氣排放測量的準確性提供了寶貴的見解。這些結(jié)果不僅為未來研究提供了重要參考，還為進一步改善測量方法提出了具體建議，例如在ALFAM2或類似數(shù)據(jù)庫中包含施肥覆蓋面積和土壤特性的詳細信息。
Picarro氨氣分析儀
Picarro氨氣分析儀在這項研究中展示了其高時間分辨率、實時監(jiān)測以及低濃度下優(yōu)秀的測量準確性等顯著優(yōu)勢。這些特點使其在多種農(nóng)業(yè)施肥氨氣排放監(jiān)測應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用潛力。
現(xiàn)G2103已正式升級為PI2103型號，使用全新的Linux系統(tǒng)，在進一步提升氨氣測量的響應(yīng)時間和精度、準確度的基礎(chǔ)上，更加注重系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性。如您對Picarro在農(nóng)業(yè)及氨氣測量應(yīng)用方面感興趣，歡迎垂詢！
