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AZ-M0510 温室气体通量在线观测系统

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1 引言
自然环境、人供设施及工业活动中温室气体通量的估测是研究全球气候变化的基础。生态学家在森林、草原、湿地、农田、水域等自然景观的温室气体排放过程和驱动因子等方面已做了大量工作;生物学家对家禽育肥、养殖场地温室气体的估测进行了有效探索;工业生产活动中的温室气体减排更成为人们减少环境污染的的重点。
传统的温室气体估测多采用现场采样、实验室采用气相色谱分析的方法,耗时长,随机误差大,准确度低。

 

观测系统的设计

2.1 目的

温室气体指京都协定书所定六种气体总称,包括二氧化碳Carbon dioxide(CO2)、 甲烷Methane (CH4)、氧化亚氮 Nitrous oxide (N2O)、氢氟碳化物Hydrofluorocarbons(HFCs)、全氟碳化物 Perfluorocarbons(PFCs)、六氟化硫Sulfur hexafluoride(SF6)。实际需要监测的温室气体的种类因估测、研究目的不同而有变化。AZ-M0510温室气体在线观测系统因其实时、在线测量、自动记录、同时测量5中气体、多种温室气体可选择等特点已成为生态研究、环境修复、农田施肥措施、动物营养研究不可或缺的手段。

2.2观测点布设

气体采样地点四周尽量开阔。单点测量时,采样气管的长度最好在150米以内。采用多通道采样器时,气管的长度不超过50米。

仪器机房位于小型建筑内(高度不超过5m)时,采样进气口距离屋顶平面的高度以1.5m-2m为宜。

仪器机房位于大型建筑内(高度超过5m)时,采样口的位置应选择在建筑的迎风面或最顶端,采样进气口距离屋顶平面的高度应适当增加。

四周有茂密树木时,采样进气口高度应超过冠层高度1m 以上,至少在采用进气口的迎风面水平面270°扇区内,阻挡物到采样进气口的距离大于阻挡物高度的10倍。

封闭箱的大小可根据研究的需要定制。

AZ-M0510温室气体分析仪主机应平稳放置,四周有不小于0.1m 的散热空间,并尽量避开其他发热、震动、电磁干扰和强烈腐蚀的影响。

                                                              

2.3采样频率

AZ-M0510温室气体在线观测系统采用红外光声谱测量技术,通过选择不同的滤波镜可测量不同的气体。

若测量一种气体和水汽,需要13秒,若同时测量五种气体和水汽,可在40秒完成。系统可重复测量,最高可达40个重复,若是12个点测量模式,每个点可达3个重复。

对于单点测量:

  • 确保于测量前一天进行采样管预热
  • 除去采样管预热时间,设备预热需要30分钟
  • 舍弃前十个浓度测量值
  • 管长上限150m

对于多样点测量:

  • 确保于测量前一天进行采样管预热
  • 除去采样管预热时间外,设备预热需要4小时
  • 重复(三次)
  • 舍弃一、二次的浓度测量值
  • 管长上限50m


2.4 观测内容

测量气体种类含CO2, CH4,N2O,NH3,CO, SO2,H2S, TOC, 氢氟碳化物, 全氟碳化物, 六氟化硫SF6等上百种气体。检测限达ppb级。

最多同时选择5个不同的滤波片(外加水汽滤波片),同时测量5种气体和水汽。
 

2.5系统组成及技术指标

AZ-M0510温室气体通量在线观测系统由光声谱温室气体分析仪主机、采样管、多点采样器、软件组成。配置计算后,可现场实时显示测量值。

技术指标:

主机:红外光声谱技术,响应时间:一种气体:~13s,冲洗:5种气体+水汽:~27 s;检测限:ppb级

多样点采样器:12通道

封闭箱:尺寸定制

采样管:150米

系统软件:测量结果直接显示在显示屏上,并实时更新。实时计算平均值、均方差、最高和最低浓度等统计数据。


数据处理

封闭箱中气体的通量,可按如下公式计算

公式中:

0——开始时间;f——结束时间 ;h——距离气体释放面高h处采样测量

C(0)、C(t)、C(f) ——开始时(0),0.5f, f 时的气体浓度

J(0)——开始时的气体通量,按此法,可计算不同时刻的气体通量。

 

应用案例

4.1污染土壤的监测,为土壤修复提供基础数据。

4.2 加拿大农田N肥施加量对温室气体减排的影响

由加拿大粮农委员会资助的项目“定点N肥施加量对温室气体减排的影响”由Alberta大学的Dr. R. Gary Kachanoski 博士主持,在加拿大境内耕地开展研究。该项目采用静态箱法和AZ-M0510系统的光声谱温室气体分析仪在静态箱法的采样点实时测量N2O和CO2,同时测量土壤温度和土壤含水量,完成如下工作:
在加拿大不同的土壤类型和气候带,定量现有的施肥点不同的施肥量条件下的温室气体(N2O, CO2)通量。结合这些点的土壤和作物数据,整合成公共数据库,为建模做准备。此外,评估不同的施肥措施对温室气体减排的影响潜力,同时发展和测试大田温室气体通量的随机空间尺度理论。

4.3 施加猪粪农田的氨气和温室气体的测定:三种方法比较

该项目有美国农业部 USDA-ARS 的动物废物管理研究所主持,比较三种施肥法(Row injection, Surface Spray injection, Aerway injection)开始时、72小时、216小时氨气和温室气体的排放情况。
氨气和温室气体(CO2, CH4和N2O)的通量(通过浓度计算)采用封闭箱和AZ-M0510 系统的主机-光声谱气体分析仪测量。封闭箱高10cm, 由铝材制成,每次测量时,将一个宽38cm, 长102cm的锚嵌入地下15cm , 露出地表18cm高,盖上箱子后,用AZ-M0510 的主机测量氨气和温室气体的浓度,主机设置成1s 采样,2s 驻留测量室,3s抽气,一个测量周期(测量氨气、CO2, CH4和N2O和露点温度)的时间是70s。封闭箱中有两个风扇,用于采样前和采样过程中混合气体。也同时测量空气中距地面5cm处的气体浓度,查看风的稀释和驱散影响。此外,还测量采样点上风处和下风处背景气体浓度。采用Fickian diffusion 模型计算气体通量。

 

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