兩種微氣象學(xué)方法和三種封閉法測(cè)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(dòng)物糞肥泥漿后，由此產(chǎn)生的氨（NH3）排放是對(duì)環(huán)境和人類健康的重大問(wèn)題。準(zhǔn)確的排放測(cè)量對(duì)排放清單的編制以及減緩措施的研究至關(guān)重要。準(zhǔn)確測(cè)量氨氣排放面臨的一個(gè)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(cè)量的準(zhǔn)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(jìn)行了兩個(gè)為期7天的田間實(shí)驗(yàn)，比較了不同的測(cè)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(jī)模型（bLS），以及三種封閉方法：風(fēng)洞法（WT），Dr?ger管法（DTM）和動(dòng)態(tài)通量室法（FC）。通過(guò)對(duì)上述不同方法的對(duì)比，研究人員希望為未來(lái)氨氣排放模型的改進(jìn)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(jiǎn)單且可靠的方法來(lái)量化泥漿覆蓋面積，并應(yīng)詳細(xì)描述泥漿施用的具體情況，而不僅僅是目前數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的一般分類（如廣播、拖管、開(kāi)放槽注射和封閉槽注射）的粗略描述。通過(guò)這種細(xì)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(cè)量的精確度和可靠性。
材料與方法
實(shí)驗(yàn)地簡(jiǎn)介
該研究包括兩個(gè)主要的田間實(shí)驗(yàn)，分別在丹麥（實(shí)驗(yàn)I）和荷蘭（實(shí)驗(yàn)II）進(jìn)行：
實(shí)驗(yàn)I（丹麥）：此實(shí)驗(yàn)于2021年8月下旬在丹麥的一塊可耕地上進(jìn)行，采用了拖管施用技術(shù)。實(shí)驗(yàn)條件包括使用經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)期間，記錄了環(huán)境參數(shù)如氣溫、風(fēng)速及降水量。
實(shí)驗(yàn)II（荷蘭）：第二次實(shí)驗(yàn)在草地上進(jìn)行，采用泥漿淺層注射技術(shù)。實(shí)驗(yàn)在秋季進(jìn)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(fēng)速數(shù)據(jù)。
泥漿及其施用技術(shù)
兩次實(shí)驗(yàn)均涉及不同類型的泥漿施用技術(shù)：
拖管施用技術(shù)：通過(guò)一輛以大約7.5 km/h速度行駛的拖拉機(jī)施用泥漿。拖管施用的特點(diǎn)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(xì)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(cè)量方法
該研究使用了五種不同的測(cè)量方法，以評(píng)估泥漿施用后氨的排放：
IHF：這種微氣象學(xué)方法通過(guò)測(cè)量一定高度范圍內(nèi)的大氣橫向和縱向氣流，計(jì)算出氨的水平通量。IHF方法對(duì)大范圍的氨排放測(cè)量較為可靠，但需要復(fù)雜的設(shè)備和計(jì)算。
bLS：該方法基于氣象數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型，用于模擬并計(jì)算氨排放測(cè)量值。與IHF相比，bLS方法更加靈活，適用范圍廣，但對(duì)氣象條件的依賴性更強(qiáng)。該方法中使用Picarro的兩款氨氣分析儀G2509和G2103，在田間實(shí)驗(yàn)中，Picarro儀器會(huì)被安置在特定地點(diǎn)，例如田地邊緣或上風(fēng)口/下風(fēng)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(kuò)散路徑和濃度梯度。
WT：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)常用于小范圍、精細(xì)控制的環(huán)境中，通過(guò)控制氣流并測(cè)量泥漿施用區(qū)域內(nèi)的氣體濃度，精確評(píng)估氨的排放。
DTM：使用化學(xué)試劑管直接測(cè)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(cè)量。
FC：將通量室覆蓋在泥漿施用區(qū)域，通過(guò)連續(xù)流動(dòng)的空氣樣本測(cè)量氣體濃度變化，動(dòng)態(tài)通量室法能提供時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖
研究結(jié)果
氨氣濃度測(cè)量的差異性
由于CRDS的測(cè)量頻率約為0.5 Hz，實(shí)驗(yàn)可以細(xì)致地記錄排放量在短時(shí)間內(nèi)的變化，這對(duì)于抓住排放的動(dòng)態(tài)特征非常重要。與CRDS的連續(xù)測(cè)量相比，ALPHA采樣器和酸性沖擊器（impingers）需要較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)初期高濃度排放時(shí)，ALPHA采樣器暴露時(shí)間為7小時(shí)，IHF的酸性沖擊器暴露時(shí)間為1至2小時(shí)。隨著污染物濃度降低，暴露時(shí)間延長(zhǎng)至24小時(shí)或更長(zhǎng)，以提高靈敏度。使用ALPHA采樣器和酸性沖擊器時(shí)，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟的手動(dòng)處理，包括準(zhǔn)備、設(shè)置、采集和實(shí)驗(yàn)室分析，這可能會(huì)引入系統(tǒng)性或隨機(jī)誤差，影響測(cè)量的精確性。
不同氨氣濃度測(cè)量技術(shù)在bLS方法下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)
系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響
實(shí)驗(yàn)表明，微氣象學(xué)方法測(cè)量累積氨氣排放的誤差可能至少達(dá)到應(yīng)用TAN的14%，這是I-AU實(shí)驗(yàn)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(duì)誤差可能會(huì)相當(dāng)高。例如，在II-WUR實(shí)驗(yàn)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(duì)差異相當(dāng)于微氣象測(cè)量平均值的57%。
隨機(jī)效應(yīng)模型結(jié)果提供了排放測(cè)量誤差的便捷定量總結(jié)，說(shuō)明不同測(cè)量方法和計(jì)算假設(shè)對(duì)總誤差的貢獻(xiàn)。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(cè)量方法的bLS技術(shù)比較，揭示了濃度測(cè)量在確定排放量時(shí)的關(guān)鍵作用。
總結(jié)
研究結(jié)果顯示，當(dāng)包括系統(tǒng)誤差時(shí)，通過(guò)微氣象方法測(cè)量的氨氣排放誤差可能為24%至31%（標(biāo)準(zhǔn)差）。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于用單一微氣象方法在單個(gè)地塊中測(cè)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(shí)際測(cè)量值的60%至160%。
研究結(jié)果還表明，將不同的氨氣濃度測(cè)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(lái)源的貢獻(xiàn)，盡管這些對(duì)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(shí)后bLS方法之間的應(yīng)用TAN差異為2.8%）突顯了濃度測(cè)量在決定排放時(shí)的關(guān)鍵作用。
總之，這項(xiàng)研究的結(jié)果為提高氨氣排放測(cè)量的準(zhǔn)確性提供了寶貴的見(jiàn)解。這些結(jié)果不僅為未來(lái)研究提供了重要參考，還為進(jìn)一步改善測(cè)量方法提出了具體建議，例如在ALFAM2或類似數(shù)據(jù)庫(kù)中包含施肥覆蓋面積和土壤特性的詳細(xì)信息。
Picarro氨氣分析儀
Picarro氨氣分析儀在這項(xiàng)研究中展示了其高時(shí)間分辨率、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及低濃度下優(yōu)秀的測(cè)量準(zhǔn)確性等顯著優(yōu)勢(shì)。這些特點(diǎn)使其在多種農(nóng)業(yè)施肥氨氣排放監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用潛力。
現(xiàn)G2103已正式升級(jí)為PI2103型號(hào)，使用全新的Linux系統(tǒng)，在進(jìn)一步提升氨氣測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間和精度、準(zhǔn)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(duì)Picarro在農(nóng)業(yè)及氨氣測(cè)量應(yīng)用方面感興趣，歡迎垂詢！
