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涡动相关法测量农田污泥施肥后氨气挥发扩散动态变化

撰稿人: 日期:2020-7-22 点击次数:1949

Dynamics of ammonia volatilisation measured by eddy covariance during slurry spreading in north Italy

Rossana Monica Ferraraa, Marco Carozzib,*, Paul Di Tommasic, David D. Nelsond, Gerardo Fratinie, Teresa Bertolinif, Vincenzo Magliuloc, Marco Acutisg, Gianfranco Ranaa

a Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria—CREA, Research Unit for Cropping Systems in Dry Environments, via C. Ulpiani 5, 70125 Bari, Italy 

b INRA, INRA-AgroParisTech, UMR 1402 ECOSYS, Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes, 78850 Thiverval-Grignon, France

c National Research Council of Italy, Institute for Mediterranean Agriculture and Forest Systems (CNR-ISAFoM), 80056 Ercolano, Italy 

d Aerodyne Research Inc., Billerica, MA 01821, United States 

e LI-COR Biosciences GmbH, Siemens Str. 25a, 61352 Bad Homburg, Germany 

f Euro-Mediterranean Center on Climate Change (CMCC), Via Augusto Imperatore 16, 73100 Lecce, Italy 

g University of Milan, Department of Agricultural and Environmental Sciences, via G. Celoria 2, 20133 Milan, Italy

摘要

2009和2011年春在意大利北部农田两次测量污泥施肥后氨气排放扩散试验,从施肥、耕地作业至排放现象结束用窝动相关法EC测量氨气通量变化。涡动相关法系统配备Aerodyne氨气快速测量仪能持续监测施肥后氨气挥发情况,分别在24h和30h后耕地作业监测到氨气挥发量突然降低。其中两次试验最大氨气排放为138.3和243.5ugm-2s-1,施肥7天后NH4-N总损失为19.4%和28.5%。试验发现涡动相关法和反向拉格朗日随机模型在动态排放量化结果一致,同时由于排放扩散和气象条件关系因素造成两次试验氨损失不同。结果表明为了提高施肥后氮效率耕地作业最好接近24h内进行,气候条件限制氨气排放(如多云、低温)。

概述

氨气在气候化学和许多与之相关排放和沉降环境问题扮演重要角色。在欧盟27个成员国中90%氨气来源农业肥料的储存和扩散,畜牧业和合成肥料使用。评估施肥作业中氨气损失与田野和农场氮平衡关系提高农业氮效率合适技术。

试验地点

试验地点时间为2009(SI-09)3.9ha和2011(SI-11)4.3位于意大利北部Po Valley,两块试验田相邻且农业管理相近。SI-09试验时间为2009.3.26-4.3污泥施肥为87m3/ha,8:00am开始,24h后耕地作业深25cm,持续时间分别为7和1.5h,氨态氮总量为95kg/ha NH4-N。SI-11试验时间为2011.4.6-4.13污泥施肥为75m3/ha,8:30am开始,30h后耕地作业深25cm,持续时间分别为5和2h,氨态氮总量为109kg/ha NH4-N。

测量方法


两种氨气浓度测量方法

ALPHA被动式扩散采样器位于逆风向距离试验田2.3km测量氨气环境背景值,柠檬酸滤纸捕获氨气比色法测量,。

Aerodyne QC-TILDAS氨气快速分析仪监测分子在967cm-1处对辐射的吸收测量每摩尔湿空气摩尔氨气,为了保证数据可靠性每6h用标准化氨气罐进行自动校正。

涡动相关法(EC)测量氨气通量

把垂直方向的瞬时风速和氨气浓度的协方差定义为氨气垂直方向通量,采样间隔为30分钟,并考虑到空气密度改变WPL对其结果的影响,WPL作用通常取决于气体背景浓度和通量的等级。

EC系统放置在试验田中间,离边界SI-09为78m和SI-11为93m,配备Gill-R2 Sonic Anemometer三维声波风速仪和Aerodyne QC-TILDAS氨气浓度测量仪, 模拟信号从QC-TILDAS传导至Sonic Anemometer,通过EddySoft 软件同时将模拟信号和风速数据进行整合,使用EddyPro软件线下计算每半小时氨气通量。

在湍流通量计算失效后系统对试验数据自动进行筛选,同时由于EC系统光谱衰减不可避免性使用频率响应修正系数法对通量损失进行校准。

分散模型

反向拉格朗日随机模型(bLS)推测氨气的扩散,使用三维声波风速仪的湍流参数u*,L和Aerodyne QC-TILDAS测量的氨气浓度,ALPHA背景浓度值结合GPS记录排放源区进行建模。

数据分析

气象数据

对SI-09和SI-11气象数据和微气候数据进行整理(雨量、温度、湿度、风速、太阳辐射、摩擦速度u*和稳定参数z/L)对比,总体SI-09比SI-11气候条件更稳定不利于氨气扩散。

通量源区

SI-09试验中白天和晚上89和87%通量来源于试验田中,在SI-11试验中白天和晚上96和94%通量来源于试验田中。SI-09白天(40m比61m)和晚上(76m比164m)的通量源区最大峰值都小于SI-11,主要归结于SI-11更高的大气稳定性。

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氨气浓度和氨气通量

氨气浓度分析:

如图Fig.6由ALPHA被动式采样器和Aerodyne QC-TILDAS测量氨气浓度对比结果看出两种测量结果趋势相似,证实了采集数据的有效性,SI-09和SI-11的RMSE为114.3和102.5ugNH3m-3,R2为0.89和0.9,斜率为1.21和0.95,CRM为-0.04和-0.06。在SI-09中ALPHA和QC-TILDAS浓度有明显差别,周围环境条件是实质因素如高湿度97.7%、低温11.7℃和低风速0.88m/s。

氨气通量分析:

如图Fig7a-d显示两次试验氨气浓度值和通量表以及空气土表温度湿度总辐射和降雨量。两次试验氨气通量巨大差异主要由于天气条件,特别是SI-11空气温度比SI-09高有利于挥发,同时SI-09降雨和空气温度降低减少了氨气挥发;虽然两次试验耕地作业时间不同,但从标准化氨气累计损失看时间动态非常相似,天气条件是影响氨气浓度和通量主要因素。

下图Fig.9显示EC系统和bLS对两次试验通量对比,bLS对于SI-09通量数值稍有高估,对于SI-11有些低估。但显出两种试验方法在两次试验的一致性。

结论

Aerodyne QC-TILDAS气体监测仪在测量粘性气体NH3优势

原理:Aerodyne痕量温室气体&同位素气体监测仪使用可调谐红外激光直接吸收光谱(TILDAS),在中红红外波长段,来探测分子最显著的指纹跃迁频率。直接吸收光谱法,可以实现痕量气体浓度的快速测量(<1s);采用像散型多光程吸收池技术实现激光可控通道数大于200个,有效测量光程可达76m甚至更长,有效的提高氨气分子的测量精度。

NH3、HONO等粘性分子测量优势:

粘性气体NH3化学性质活跃,粘性非常大,易于附着在器壁或固体颗粒上,且其易于在气相和颗粒相之间相互转化,这些特性造成了其测量的困难性。

★测量精度为ppt级

                       1S                       100S

NH3              50ppt                     10ppt

HONO          210 ppt            75 ppt

★活性钝化系统(Aerodyne Active Passivation system),提高粘性分子的响应时间,且对高频10HZ测量有着很小的损失量(如图)

采用活性钝化系统后,NH3测量的时间常数和高频通量变化(时间常数更快,高频通量损失修正更少)

★惰性颗粒分离装置(Aerodyne Inertial Inlet),有效减小颗粒对粘性分子的影响,保证进样口及内部镜片的整洁

★特殊渗透管路(permeation tube),减小管路壁的黏着,并有效减小管路中的水凝结及压力

★针对全自动动态箱测量,采用特殊telflon材料,具备critical orifice装置,多通路同时进气,并采取气压式控制方式,降低能耗。

★采用全新中红外光谱范围,可以测量更多分子,并保证精度,如NH3、O3和CO2;HONO、N2O可在一个激光下测得,如果采用双激光,可测量更多的气体分子。

★与普通气体分子具备一致的快速响应时间(10HZ)

★适配于涡度协方差测量和全自动箱自动测量,并可通过独特采样系统实现自由切换。

活性钝化系统

 Aerodyne 双激光直接吸收法分析仪在N2O、NH3、HONO、COS等痕量温室气体及含N同位素气体δ15Nα /δ15Nβ  /δ18O;含C同位素气体δ13C/δ18O、H16OH/H18OH/H16O;12C17O16O/13C18O16O 及δ13C/δD/CH4 的应用文献和观测方案,请来电垂询。

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