科研进展

AFM: 国产便携式开路氨分析仪助力氮循环研究

  氨是大气中最主要的碱性气体,在二次气溶胶颗粒物生成中扮演着重要角色,是引发重霾污染和过量氮沉降的重要活性氮,在农业生产中,挥发也是农田氮养分损失的主要途径。因氨具有强表面吸附力和水溶性等特性,大气氨浓度和地气氨交换通量的原位准确测量一直是学界的一大挑战,目前国际上主流的测量仪器大多采用闭路吸入式的构造,采样管路的吸附效应一直制约着大气氨浓度的快速高频高精准度测量。与此同时,闭路仪器和搭配使用的外置抽气泵均要求交流供电,这意味着目前绝大多数的大气氨通量观测只能在少数电力条件允许的环境下开展。

  中科院大气物理研究所王凯和郑循华所在的碳氮循环团队和宁波海尔欣光电科技有限公司深入合作,研发了一款便携式、高精度、快响应的开路多通池激光氨分析仪(图1)。这款仪器基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术,采用了分布反馈式量子级联激光(DFB-QCL)的光源,其开放式的光路结构,解决了传统闭路仪器管路吸附引起的测量误差,光机电软各个部分高度集成,可完全由太阳能驱动运行,适合野外条件使用。研究团队基于实验室和野外观测试验,对这款仪器的稳定性、测量精度、准确度等指标进行评价,并以它为核心部件,集成开发了一套基于大气湍流方法(涡动相关法)的氨通量观测系统(图2),这是目前测量地气氨交换通量的理想方法。
  野外测试结果显示,这款开路氨分析仪可在-15至40度的环境温度下稳定运行,10 Hz采样频率的测量精度(1σ)达0.302 nmol mol-1(即ppbv),半小时氨通量检测限为7.1 ± 1.1 μg N m-2 h-1。凭借这一灵敏度,该通量观测系统能准确有效地测量农田、养殖场等强排放源的氨排放通量,也可有效测量大多数区域的大气氨沉降速率。这款国产仪器的问世,为大气氨浓度和地表与大气间的氨交换通量测量提供了一种先进工具,也将助力国内大气环境学、生态学、农学等领域的氮循环研究。
图1 HT8700型开路氨分析仪及其结构图
图2 大气氨通量涡动相关法观测系统
图3 亚热带稻田施肥期间观测的大气氨浓度和地面氨排放通量
  上述研究工作由国家自然科学基金委面上项目(41975169)和中国科学院从0到1原始创新项目(DBS-LY-DQC007)资助,相关成果发表于国际学术期刊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. 
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