采用涡度协方差法对“土表面——大气”循环中NH3交换的测量研究

撰稿人: 日期:2018-10-31 点击次数:79

  农业生产和能源消耗等人为因素,导致了活性氮含量的急剧增加。大气中N沉积,可能是自然生态系统变化的主要驱动力,并在很大程度上改变物种的组成、多样性和功能。NH3是氮沉积的主要组成部分,并可通过水文和大气传输过程得以广泛传播。除此之外,NH3还可以引起叶面损伤,降低抗旱和抗霜的能力,进一步导致生态系统酸化和富营养化,而同时水文和大气的污染恶化也会影响人类的健康。因此,确定NH3浓度以及不同生态系统和大气之间交换的时空变化,有着重要意义。几年来随着量子级联激光技术的发展,可以在现场大尺度的测量NH3通量变换,有望成为欧洲ICOS和北美NEON等综合观测网络中的标准观测方法。但是,由于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。Aerodyne采用TILDAS技术,而且在进气口管路、高频通量、采样止损、气路管壁以及活性钝化等方面取得了专利突破,实现了NH3等特殊分子的高精度测量。
  德国Thunen气候智能型研究所的Undine Zoll等人,2014年2月18日至5月8日,在德国西北部靠近Meppen市的一处泥炭地进行了以塔为基础的NH3浓度和通量的快速响应测量。采用了Aerodyne TILDAS技术,连续快速测量背景级别的NH3浓度的湍流波动(EC),从而得到了泥炭地生态系统与大气之间进行的净交换。
  整个实验采用Aerodyne气体监测仪,型号QC-TILDAS-76,具备76m光程,0.5L反应池,40Torr压力,10HZ高频采样,17L/min的流速(通过3m的管路)。在进样口,添加有过滤器、活性钝化系统等特殊设计,如右图。
  每半小时测量一次氨浓度和通量。NH3浓度变化在2~85ppb之间,短期内最大值为110ppb。测量期间的最高值出现在3月初(II)和四月初(III),这与附近施肥和养殖扩散情况相符(下图1)。NH3浓度的日平均变异性最高出现在II期,最高浓度出现在下午晚些时候(3月5日至15日) 浓度> 30 ppb(下图2)。整个观测期间夜间浓度最低。

 

  该试验还测量了温度与NH3浓度的相关性。温度升高,间接导致了NH3浓度的升高(如下图)。这是因为NH3通常与低相对湿度有关,因此有利于氨从冷凝相向气相释放。然而,NH3浓度也有可能随着温度的降低而升高,这可能由于较高的温度会导致酸性气体反应生成铵盐如硝酸铵。我们观察到干燥和/或寒冷条件下NH3浓度较高,而在多雨条件下氨浓度较低,这证实了Mosquera的研究结果。
  Undine Zoll等人通过本次实验认为,在泥炭地现场,用TILDAS技术和惯性入口箱对氨进行EC通量测量具有较高的潜力。(1)可以建立长期观测网络,改善氮预算和转移计算;(2)为更深的洞察氨转移的机制,和生态系统应对大气中氨负载,在空前高的时间分辨率下提供连续的通量观测。
  在本研究中,Undine等人的得到,估计净NH3交换在模型和独立通量测量之间仅相差6%。与使用denuder系统相比,基于TILDAS技术的Aerodyne所测的NH3的沉积值较低,这可能是由于其EC通量的净信号中有效值占比更大,以及更好地适应特殊模型参数,特别是Rw值。

  Aerodyne NH3痕量气体监测仪:

   精度precision
    1S/10S/100S:50ppt(0.05ppb)/15ppt(0.015ppb)/10ppt(0.001ppb)
   快速响应时间:10HZ
   保证精度量程:NH3:0-10000ppb
   采样口具备活性钝化装置,减小NH3粘度
   配备颗粒分离装置,排除样品气中的颗粒影响
   16通道阀控制的复杂采样系统,独有的sample/reference切换技术,实现自动化背景校准
   强大的TDLWintel软件,提供灵活的仪器控制和实时数据分析,直接得到需要的通量结果,并将原始数据和
    通量结果文件进行存储。
   显示及控制:可远程操控,无人值守
   样品流速:标准0~20slpm,可选择更大(如500slpm)
 

本文献:
Undine Zoll et al. Surface–atmosphere exchange of ammonia over peatland using QCL-based eddy-covariance measurements and inferential modeling. Atmos. Meas. Tech., 2016, 16, 11283–11299.

 

 
 

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