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

  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.