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氨是大氣中最主要的堿性氣體，在二次氣溶膠顆粒物生成中扮演著重要角色，是引發(fā)重霾污染和過量氮沉降的重要活性氮，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氨揮發(fā)也是農(nóng)田氮養(yǎng)分損失的主要途徑。因氨具有強表面吸附力和水溶性等特性，大氣氨濃度和地氣氨交換通量的原位準(zhǔn)確測量一直是學(xué)界的一大挑戰(zhàn)，目前國際上主流的測量儀器大多采用閉路吸入式的構(gòu)造，采樣管路的吸附效應(yīng)一直制約著大氣氨濃度的快速高頻高精準(zhǔn)度測量。與此同時，閉路儀器和搭配使用的外置抽氣泵均要求交流供電，這意味著目前絕大多數(shù)的大氣氨通量觀測只能在少數(shù)電力條件允許的環(huán)境下開展。
中科院大氣物理研究所王凱和鄭循華所在的碳氮循環(huán)團(tuán)隊和寧波海爾欣光電科技有限公司深入合作，研發(fā)了一款便攜式、高精度、快響應(yīng)的開路多通池激光氨分析儀(圖1)。這款儀器基于可調(diào)諧激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，采用了分布反饋式量子級聯(lián)激光(DFB-QCL)的光源，其開放式的光路結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)閉路儀器管路吸附引起的測量誤差，光機電軟各個部分高度集成，可完全由太陽能驅(qū)動運行，適合野外條件使用。研究團(tuán)隊基于實驗室和野外觀測試驗，對這款儀器的穩(wěn)定性、測量精度、準(zhǔn)確度等指標(biāo)進(jìn)行評價，并以它為核心部件，集成開發(fā)了一套基于大氣湍流方法(渦動相關(guān)法)的氨通量觀測系統(tǒng)(圖2)，這是目前測量地氣氨交換通量的理想方法。
圖1 HT8700型開路氨分析儀及其結(jié)構(gòu)圖
圖2 大氣氨通量渦動相關(guān)法觀測系統(tǒng)
野外測試結(jié)果顯示，這款開路氨分析儀可在-15至40度的環(huán)境溫度下穩(wěn)定運行，10 Hz采樣頻率的測量精度(1σ)達(dá)0.302 nmol mol-1(即ppbv)，半小時氨通量檢測限為7.1 ± 1.1 μg N m-2 h-1。憑借這一靈敏度，該通量觀測系統(tǒng)能準(zhǔn)確有效地測量農(nóng)田、養(yǎng)殖場等強排放源的氨排放通量，也可有效測量大多數(shù)區(qū)域的大氣氨沉降速率。這款國產(chǎn)儀器的問世，為大氣氨濃度和地表與大氣間的氨交換通量測量提供了一種先進(jìn)工具，也將助力國內(nèi)大氣環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域的氮循環(huán)研究。
圖3 亞熱帶稻田施肥期間觀測的大氣氨濃度和地面氨排放通量
上述研究工作由國家自然科學(xué)基金委面上項目(41975169)和中國科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新項目(DBS-LY-DQC007)資助，相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Agricultural and Forest Meteorology。
文章引用：
Wang K.*, Kang P., Lu Y., Zheng X.H., Liu M.M., Lin T.J., Butterbach-Bahl K., Wang Y.*, 2021. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308–309: 108570.
文章鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108570原文轉(zhuǎn)自中國科學(xué)院大氣物理研究所
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