开路EC法NH3-N2O通量同步观测系统

生态环境气体检测高精仪器

拥有更好的碳足迹

一、技术

基于量子级联激光技术，采用开创性的开路设计用于氨气/甲烷/氧化亚氮测量，可实现连续运行，并保持优异的精度与稳定性，是短期及长期监测活动的理想选择。

Ø                      超高灵敏度

Ø                      抗干扰测量

Ø                      响应快、 无高频损失

Ø                      无需采样泵和预处理

Ø                      功耗低， 维护量小

Ø                      无人值守连续监控

二、开路EC法NH₃-N₂O通量同步观测系统

系统组成

（一）       碳通量检测系统

1.       CO2/H2O超声风一体式涡动通量分析仪（IRGASON)

2.       数据采集器(Data Acquisition Box)

3.       土壤热通量板(Groud Stake)

4.       温度湿度传感器

5.       净辐射传感器(Kipp&Zone NR Lite2)

6.       支架及其他附件：提供系统安装所需的相关线缆、安装卡板、支架。

7.       通量数据插补软件

8.       气象仪(Climovue50)

（二）       HT8700大气NH3激光开路分析仪

1.       NH3分析仪器主机

2.       冷却水泵

3.       清洗模块

4.       供电模块及各种线缆

（三）       HT8500大气N2O激光开路分析仪

1.       N2O分析仪器主机

2.       冷却水泵

3.       清洗模块

4.       供电模块及各种线缆

技术指标

l                      系统搭建选址指南

1.       选择平坦且开阔的地面，远离遮挡物，以确保风场流动性良好，减少风场对数据的影响。

2.       确保选址地点周围环境相对稳定，避免大面积植被、建筑物或其他人为干扰。

3.       尽可能远离可能产生干扰气体的源头，如养殖场、工业排放点等，以保证分析数据的准确性。

4.       考虑选址地点的气候特征，避免高温、高湿或强风等天气对系统运行的不利影响。

5.       避免系统暴露在污染物浓度较高的空气中，以防止传感器受到污染影响。

l                      系统搭建注意点

1.       安装碳通量检测系统时，确保涡动通量分析仪（IRGASON）与地面垂直安装，并且避免将传感器安装在可能受到人为干扰的位置。

2.       在安装净辐射传感器（Kipp&Zone NR Lite2）时，确保其正确定位于开阔的天空下方，并远离遮挡物，以保证辐射的准确测量。

3.       NH3和N2O激光开路分析仪底部距地面约1.4米，水箱放在离主机0.5米左右位置。需注意确保主机及相关模块安装牢固，同时保证冷却水泵运行正常，以维持系统的稳定工作温度。

4.       在系统搭建完成后，进行系统校准和功能测试，确保各传感器和主机正常运行，并调试系统参数以满足监测需求。

三、应用

高系统集成能力，满足多场景需求，为您提供理想的解决方案：

四、       客户案例

1.       亚热带稻田施肥期间气体排放-中国科学院大气物理研究所 

在农业生产中，氨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。

在本项目中，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使用HealhtyPhoton HT8700，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，可由太阳能驱动运行，适合野外条件使用。

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。

相关文献：Wang K.*, Kang P., Lu Y., Zheng X.H., Liu M.M., Lin T.J., Butterbach-Bahl K., Wang Y.*. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308-309, 108570, 2021

2.       华北农区秋冬季地气排放-中国农业大学

华北是我国氨的热点区域，大气中的氨含量高，空间覆盖范围广，这与区域内高强度的农业活动密切相关，如农业施肥、畜牧养殖等。高浓度的大气氨和由此引发的过量活性氮沉降，会导致重霾污染天气，也深刻改变了氮素的生物地球化学循环。对农业生产而言，施肥导致的氮挥发还是农田氮养分损失的重要途径。相对于氨的重要性，对其排放和沉降的观测研究工作却相对滞后，这主要受制于氨在线检测仪器及观测方法上的局限。例如，目前国内外对于氨干沉降通量的观测，大都采用基于低频（数日至数月）浓度采样的沉降速率经验系数法，其结果的准确度亟待检验。

在本项目中，中国科学院大气物理研究所联合中国农业大学、中国科学院亚热带农业生态研究所等单位，采用HealhtyPhoton HT8700在华北农区开展秋冬季地气氨交换通量高频观测。

研究团队成功获取了典型玉麦轮作农田在冬小麦播种施肥期间的氨挥发通量数据，并获得农区高时间分辨率（半小时）的氨干沉降通量数据集，监测到平均沉降速率为14 g N ha-1 d-1，并发现迥然不同于自然生态系统的干沉降日变化规律。

相关文献：Wang K., Wang J., Qu Z., Xu W., Wang K., Zhang H., Shen J., Kang P., Zhen X., Wang Y., Zheng X., Liu X. A significant diurnal pattern of ammonia dry deposition to a cropland is detected by an open-path quantum cascade laser-based eddy covariance instrument. Atmospheric Environment 278, 119070, 2022

3.       EC法与气动梯度技术对比实验-荷兰应用科学院（TNO）

在荷兰，氨的干沉降是从大气向土壤和植被的氮沉降的最大来源，导致富营养化和生物多样性丧失等生态危机。然而，学术界对于氨通量测量的数据十分有限，而且通常最多只有月度分辨率。造成这种情况的一个重要原因是在干燥条件下测量氨通量非常困难。过去，没有一种技术可以被认为是氨通量测量的黄金标准，这使得新技术的测试和判断其质量变得复杂。

在本项目中，研究人员在荷兰Cabauw的Ruisdael观测站并排运行了两种光学开放路径的通量观测技术：其一是使用基于紫外差分法的新型 RIVM-miniDOAS 2.2D仪器、结合梯度法通量技术，其二是HealhtyPhoton HT8700和涡动相关技术。

对比测试结果显示，RIVM-miniDOAS 2.2D和HT8700在迎风地形均匀又没有附近障碍物时，两种不同的技术显示出非常相似的结果（相关性r = 0.87）。观察到的通量从约 80 ng NH3 m-2 s-1 的沉降到约 140 ng NH3 m-2 s-1 的排放不等。

相关文献：Swart D.et al., Field comparison of two novel open-path instruments that measure dry deposition and emission of ammonia using flux-gradient and eddy covariance methods. Atmospheric Measurement Techniques, 16(2), 529-546, 2023

4.       森林冠层气体排放-欧洲综合碳观测系统（ICOS）

Forest Canopy Gas Emissions - Integrated Carbon Observation System in Europe (ICOS)

利用高塔测量大气温室气体，包含了比靠近地面监测更大的空间尺度的信息，从而为区域传输的影响提供了有价值的信息。此外，将高塔测量与传输模型相结合，可以作为估计本地到区域规模的温室气体通量的一种手段，增加高塔站点的数据将有利于提高区域对温室气体分布的认知。目前，欧洲高塔温室气体的观测已被整合到欧洲综合碳观测系统（ICOS）中。

在本项目中，HealhtyPhoton HT8700安装于新站点（38米高的塔楼，6米高的集装箱），用以测量高塔附近的森林冠层氨排放和沉降通量。由于HT8700的开放光路低功耗设计，使之成为世界上为数不多的具备森林冠层氨通量测量能力的仪器，也是少有的入选欧洲集成碳观测网络的中国设备。