两种微气象学方法和三种封闭法测量氨排放的比较

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2024/06/07 15:14

两种微气象学方法和三种封闭法测量氨排放的比较

江苏海兰达尔 2024-06-07 14:55 江苏

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2024.110077

引言

田间施用动物粪肥泥浆后，由此产生的氨（NH₃）排放是对环境和人类健康的重大问题。准确的排放测量对排放清单的编制以及减缓措施的研究至关重要。准确测量氨气排放面临的一个主要挑战是由于不同方法所获得的结果可能存在较大差异。为了减少这种差异并提高氨气排放测量的准确性，该研究在丹麦（I-AU，拖管施用法，夏季，耕地）和荷兰（II-WUR，泥浆浅层注射法，秋季，草地）进行了两个为期7天的田间实验，比较了不同的测量方法。

在此研究中，应用了两种微气象学方法：综合水平通量法（IHF）和后向拉格朗日随机模型（bLS），以及三种封闭方法：风洞法（WT），Dräger管法（DTM）和动态通量室法（FC）。通过对上述不同方法的对比，研究人员希望为未来氨气排放模型的改进提供有力的数据支撑，以便更好地将泥浆覆盖面积和土壤性质等因素纳入如ALFAM2或类似的模型中。

此外，研究人员还提出需要一种简单且可靠的方法来量化泥浆覆盖面积，并应详细描述泥浆施用的具体情况，而不仅仅是目前数据库中包含的一般分类（如广播、拖管、开放槽注射和封闭槽注射）的粗略描述。通过这种细致的描述和量化覆盖面积的方法，可以显著提高氨气排放测量的精确度和可靠性。

材料与方法

实验地简介

该研究包括两个主要的田间实验，分别在丹麦（实验I）和荷兰（实验II）进行：

实验I（丹麦）：此实验于2021年8月下旬在丹麦的一块可耕地上进行，采用了拖管施用技术。实验条件包括使用经过消化处理的泥浆，泥浆主要成分为牛粪，但也含有其他基质。实验期间，记录了环境参数如气温、风速及降水量。

实验II（荷兰）：第二次实验在草地上进行，采用泥浆浅层注射技术。实验在秋季进行，主要记录了不同的环境条件和土壤类型，如气温、降水和风速数据。

泥浆及其施用技术

两次实验均涉及不同类型的泥浆施用技术：

拖管施用技术：通过一辆以大约7.5 km/h速度行驶的拖拉机施用泥浆。拖管施用的特点在于其覆盖面积大，适用于大型耕地，能够有效地将泥浆均匀分布在田地表面。

泥浆浅层注射技术：这是一种精细控制方法，将泥浆注射到土壤浅层。这种方法能减少氨气的挥发，因而更环保。

测量方法

该研究使用了五种不同的测量方法，以评估泥浆施用后氨的排放：

IHF：这种微气象学方法通过测量一定高度范围内的大气横向和纵向气流，计算出氨的水平通量。IHF方法对大范围的氨排放测量较为可靠，但需要复杂的设备和计算。

bLS：该方法基于气象数据和预测模型，用于模拟并计算氨排放测量值。与IHF相比，bLS方法更加灵活，适用范围广，但对气象条件的依赖性更强。该方法中使用Picarro的两款氨气分析仪G2509和G2103，在田间实验中，Picarro仪器会被安置在特定地点，例如田地边缘或上风口/下风口位置，连续地采集空气中的氨浓度数据。这些位置的选择通常是为了捕捉施用泥浆后的氨的扩散路径和浓度梯度。

WT：风洞实验常用于小范围、精细控制的环境中，通过控制气流并测量泥浆施用区域内的气体浓度，精确评估氨的排放。

DTM：使用化学试剂管直接测量空气中的氨浓度。这种方法快速且容易操作，适合于初步和快速测量。

FC：将通量室覆盖在泥浆施用区域，通过连续流动的空气样本测量气体浓度变化，动态通量室法能提供时空分辨率的数据。

研究现场和实验设计示意图

研究结果

氨气浓度测量的差异性

由于CRDS的测量频率约为0.5 Hz，实验可以细致地记录排放量在短时间内的变化，这对于抓住排放的动态特征非常重要。与CRDS的连续测量相比，ALPHA采样器和酸性冲击器（impingers）需要较长的曝光时间，在实验初期高浓度排放时，ALPHA采样器暴露时间为7小时，IHF的酸性冲击器暴露时间为1至2小时。随着污染物浓度降低，暴露时间延长至24小时或更长，以提高灵敏度。使用ALPHA采样器和酸性冲击器时，需要经过多个步骤的手动处理，包括准备、设置、采集和实验室分析，这可能会引入系统性或随机误差，影响测量的精确性。

不同氨气浓度测量技术在bLS方法下的动态数据

系统误差和随机误差的影响

实验表明，微气象学方法测量累积氨气排放的误差可能至少达到应用TAN的14%，这是I-AU实验中bLS-ALPHA与bLS-CRDS的最大差异。在低排放情况下（如浆液注射），相对误差可能会相当高。例如，在II-WUR实验中，IHF与bLS-Impinger结果的应用TAN差异不到7%，但由于排放低，这一相对差异相当于微气象测量平均值的57%。

随机效应模型结果提供了排放测量误差的便捷定量总结，说明不同测量方法和计算假设对总误差的贡献。而且，这种有限的误差分配与之前的研究结果一致。例如，使用不同浓度测量方法的bLS技术比较，揭示了浓度测量在确定排放量时的关键作用。

总结

研究结果显示，当包括系统误差时，通过微气象方法测量的氨气排放误差可能为24%至31%（标准差）。具体来说，对于用单一微气象方法在单个地块中测量的排放，其在95%置信区间内的总排放不确定性约为实际测量值的60%至160%。

研究结果还表明，将不同的氨气浓度测量方法与相同的方法（如bLS）结合使用，可以分离出这些不同误差来源的贡献，尽管这些对比仅限于bLS-CRDS、bLS-ALPHA和bLS-Impinger之间。bLS方法之间的差异（例如在I-AU中bLS-CRDS和bLS-ALPHA之间的应用TAN差异为13%，在II-WUR中96小时后bLS方法之间的应用TAN差异为2.8%）突显了浓度测量在决定排放时的关键作用。

总之，这项研究的结果为提高氨气排放测量的准确性提供了宝贵的见解。这些结果不仅为未来研究提供了重要参考，还为进一步改善测量方法提出了具体建议，例如在ALFAM2或类似数据库中包含施肥覆盖面积和土壤特性的详细信息。

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