農業生產和能源消耗等人為因素,導致了活性氮含量的急劇增加。大氣中N沉積,可能是自然生態系統變化的主要驅動力,并在很大程度上改變物種的組成、多樣性和功能。NH3是氮沉積的主要組成部分,并可通過水文和大氣傳輸過程得以廣泛傳播。除此之外,NH3還可以引起葉面損傷,降低抗旱和抗霜的能力,進一步導致生態系統酸化和富營養化,而同時水文和大氣的污染惡化也會影響人類的健康。因此,確定NH3濃度以及不同生態系統和大氣之間交換的時空變化,有著重要意義。幾年來隨著量子級聯激光技術的發展,可以在現場大尺度的測量NH3通量變換,有望成為歐洲ICOS和北美NEON等綜合觀測網絡中的標準觀測方法。但是,由于NH3化學性質活躍,粘性非常大,易于附著在器壁或固體顆粒上,且其易于在氣相和顆粒相之間相互轉化,這些特性造成了其測量的困難性。Aerodyne采用TILDAS技術,而且在進氣口管路、高頻通量、采樣止損、氣路管壁以及活性鈍化等方面取得了專利突破,實現了NH3等特殊分子的高精度測量。
德國Thunen氣候智能型研究所的Undine Zoll等人,2014年2月18日至5月8日,在德國西北部靠近Meppen市的一處泥炭地進行了以塔為基礎的NH3濃度和通量的快速響應測量。采用了Aerodyne TILDAS技術,連續快速測量背景級別的NH3濃度的湍流波動(EC),從而得到了泥炭地生態系統與大氣之間進行的凈交換。
整個實驗采用Aerodyne氣體監測儀,型號QC-TILDAS-76,具備76m光程,0.5L反應池,40Torr壓力,10HZ高頻采樣,17L/min的流速(通過3m的管路)。在進樣口,添加有過濾器、活性鈍化系統等特殊設計,如下圖。
每半小時測量一次氨濃度和通量。NH3濃度變化在2~85ppb之間,短期內最大值為110ppb。測量期間的最高值出現在3月初(II)和四月初(III),這與附近施肥和養殖擴散情況相符(下圖1)。NH3濃度的日平均變異性最高出現在II期,最高濃度出現在下午晚些時候(3月5日至15日) 濃度> 30 ppb(下圖2)。整個觀測期間夜間濃度最低。
該試驗還測量了溫度與NH3濃度的相關性。溫度升高,間接導致了NH3濃度的升高(如下圖)。這是因為NH3通常與低相對濕度有關,因此有利于氨從冷凝相向氣相釋放。然而,NH3濃度也有可能隨著溫度的降低而升高,這可能由于較高的溫度會導致酸性氣體反應生成銨鹽如硝酸銨。我們觀察到干燥和/或寒冷條件下NH3濃度較高,而在多雨條件下氨濃度較低,這證實了Mosquera的研究結果。
Undine Zoll等人通過本次實驗認為,在泥炭地現場,用TILDAS技術和慣性入口箱對氨進行EC通量測量具有較高的潛力。(1)可以建立長期觀測網絡,改善氮預算和轉移計算;(2)為更深的洞察氨轉移的機制,和生態系統應對大氣中氨負載,在空前高的時間分辨率下提供連續的通量觀測。
在本研究中,Undine等人的得到,估計凈NH3交換在模型和獨立通量測量之間僅相差6%。與使用denuder系統相比,基于TILDAS技術的Aerodyne所測的NH3的沉積值較低,這可能是由于其EC通量的凈信號中有效值占比更大,以及更好地適應特殊模型參數,特別是Rw值。
Aerodyne NH3痕量氣體監測儀:
♦精度precision
1S/10S/100S:50ppt(0.05ppb)/15ppt(0.015ppb)/10ppt(0.001ppb)
♦快速響應時間:10HZ
♦保證精度量程:NH3:0-10000ppb
♦采樣口具備活性鈍化裝置,減小NH3粘度
♦配備顆粒分離裝置,排除樣品氣中的顆粒影響
♦16通道閥控制的復雜采樣系統,獨有的sample/reference切換技術,實現自動化背景校準
♦強大的TDLWintel軟件,提供靈活的儀器控制和實時數據分析,直接得到需要的通量結果,并將原始數據和
通量結果文件進行存儲。
♦顯示及控制:可遠程操控,無人值守
♦樣品流速:標準0~20slpm,可選擇更大(如500slpm)
本文獻:
Undine Zoll et al. Surface–atmosphere exchange of ammonia over peatland using QCL-based eddy-covariance measurements and inferential modeling. Atmos. Meas. Tech., 2016, 16, 11283–11299.