自20世紀(jì)以來，全球科技、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，這離不開人類活動“火力全開”的加速。大量化石燃料的使用以及農(nóng)牧業(yè)的大力擴(kuò)張導(dǎo)致的環(huán)境問題層出不窮，近年來學(xué)者們普遍側(cè)重于關(guān)注溫室效應(yīng)，然而霧霾、酸雨等的幕后推手——氨也日漸猖獗，其污染效力不容小覷！研究表明，非化石燃料燃燒造成的氮排放約占氮總排放量的55±7%，人為固氮行為嚴(yán)重影響著全球氮循環(huán)。在氮的干沉降中，氨沉降占到80%，過量氨沉降會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、土壤酸化進(jìn)而造成生物多樣性損失等問題，對人類健康也存在嚴(yán)重威脅。（為什么要關(guān)注大氣中的氨氣？）
氮的濕沉降測量開始于19世紀(jì)50年代，而干沉降的測量卻晚了100多年。濕沉降是氮素沉降的主要部分，但是在農(nóng)、牧業(yè)中主要是干沉降。以往學(xué)者研究氮素濕沉降主要采用降水采集法、離子交換樹脂法等，干沉降的測量方法主要有直接測定法、間接計(jì)算法。降水采集法費(fèi)時耗力，對樣本保存條件要求較高，而離子交換樹脂法會受到環(huán)境溫度的限制。傳統(tǒng)的直接測量法無法完全模擬天然的氮沉降，存在氮通量的低估，誤差較大。而間接計(jì)算法需要相對復(fù)雜的儀器，耗費(fèi)精力。
農(nóng)、牧業(yè)在氮排放中占據(jù)不小的比例，以往卻一直被忽略。海爾欣光電科技有限公司自主研發(fā)的HT8700激光開路式大氣氨分析儀，基于中紅外波段的原位觀測技術(shù)，50 W低功耗，10 Hz高頻輸出，結(jié)合渦動協(xié)方差方法使得農(nóng)、牧業(yè)中氨通量監(jiān)測易如反掌。儀器直接處于氨排放環(huán)境之中，實(shí)現(xiàn)了氨通量實(shí)時監(jiān)測，為制定氮減排和評價氮沉降盡綿薄之力。
2019年，我司與中國科學(xué)院南京土壤研究所合作，在該所江都試驗(yàn)基地部署了HT8700監(jiān)測此處氨的排放情況。該實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)位于一養(yǎng)鴨場下風(fēng)向的稻田中，其間架設(shè)有通量觀測塔，正好為監(jiān)測農(nóng)、牧氨通量的良好地點(diǎn)。
圖1 位于揚(yáng)州市江都試驗(yàn)基地的的氨通量觀測塔
通過協(xié)方差分析（圖2）可以看出，HT8700與10Hz超聲風(fēng)速儀之間的響應(yīng)速度幾乎同步，垂直風(fēng)速與氨氣濃度的時間序列之間遲滯時間接近0秒，開路式光腔避免了閉路觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的分析儀響應(yīng)遲滯與采樣管內(nèi)壁粘連，很好地展現(xiàn)氨通量10Hz的實(shí)時數(shù)據(jù)。此外，我們還可以清楚的看到氨的沉降，在該段數(shù)據(jù)中，氨通量達(dá)到了-230 ng/m2/s。
圖2 垂直風(fēng)速與氨濃度的協(xié)方差
湍流譜展現(xiàn)出HT8700的對高、低頻信號的響應(yīng)能力。從圖3中可以看出垂直風(fēng)速與氨濃度的協(xié)譜曲線存在清晰的峰值區(qū)，在低頻區(qū)相對分散，在慣性副區(qū)逐漸合并，譜線在慣性副區(qū)相對更加集中，且符合遵循-4/3定律。
圖3 垂直風(fēng)速與氨濃度的協(xié)譜
氨沉降觀測的實(shí)現(xiàn)對于全球氮污染及其過量沉降研究意義重大，補(bǔ)足了以往大氣氮沉降中重要的一環(huán)。海爾欣光電科技HT8700將持續(xù)優(yōu)化儀器性能，為建成氨通量觀測網(wǎng)盡一份力！
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