应用G2103与G2509对不同施肥方式下氨气排放通量室优化设计的研究

文章链接：https://amt.copernicus.org/preprints/amt-2023-212/amt-2023-212.pdf

前言

田间施用的浆料畜便（Slurry）是氨气（NH₃）排放的重要来源，通常有害于环境和人类健康。为了评估缓解方案，需要可靠的效果测量。本研究提出一种新的具有高时间分辨率在线测量的动态通量室，新的测量系统有助于在手动和农场规模的浆料畜便施用后以相对较高的精度重复进行NH₃排放测量。

（一）研究目标：

本研究的目的是开发一种新的动态通量室（Dynamic Flux Chambers, DFC）系统，用于测量农场规模机械施用液态动物粪便（slurry）后的氨（NH₃）排放。研究还评估了不同施肥方法（手动、实验性喷雾器、商业喷雾器）中氨气排放的变异性，并与逆向拉格朗日随机模型（bLS）的测量结果进行比较。

（二）研究方法：

研究在三个田间试验（Trial A、Trial B、Trial C）展开，简要说明情况如下：

1. Trial A:

· 施肥技术：使用手持设备施肥。

· 测量方法：动态通量室（DFC）和风洞（WT）。

· 试验说明：在一个地块上使用9个DFC和3个WT，每个测量单元都有背景测量点。与早期设计的风洞进行比较，评估新DFC系统的性能。

2. Trial B:

· 施肥技术：使用30米长的商业肥料喷雾臂（30-m boom）。

· 测量方法：动态通量室DFC和逆向拉格朗日随机模型（bLS）。

· 试验布局： 100m²地块上使用8个DFC，并在地块内外设置了bLS测量点。评估30米喷雾臂施肥对氨排放的影响，并与DFC测量结果进行比较。

3. Trial C:

· 施肥技术：使用3米长的实验性肥料喷雾臂。

· 测量方法：动态通量室DFC和逆向拉格朗日随机模型（bLS）。

· 试验布局：分别在56 m²和47 m²的地块上使用6个和7个DFC进行施肥和注射施肥的测量，并在每个地块内及上风向位置设置了bLS测量点。比较两种施肥方法对氨排放的影响，并与DFC和bLS测量结果进行比较。

这三个试验的目的是评估不同施肥技术对氨排放的影响，并比较DFC和bLS两种测量方法的准确性和可靠性。

（三）Picarro仪器的使用与数据说明：

1.在三个田间试验中，Picarro G2103被用于DFC和风洞（ WT）测量，空气被抽取到一个旋转阀，测量周期为8分钟，试验A每144分钟产生一个数据点（9个DFC具有3个背景，3个WT具有3个背景，共18个测量），试验B每88分钟产生一次数据点（8个DFC和3个背景，共11个测量），试验C每80分钟产生一次数据点（每个应用方法7个DFC，3个背景，共10个测量）。

2.在bLS模型测量中，使用了3台Picarro G2509 CRDS测量上风向和下风向的NH₃浓度。仪器使用的说明如下：

a.测量稳定性：在施用消化液前，这三台仪器测量的氨浓度在9.5小时内保持稳定，这意味着在施肥前，田间的氨背景浓度没有显著变化。

b.仪器间的偏差：尽管测量结果稳定，但三台仪器之间存在小的偏差（offset）。这可能是由于仪器校准、传感器灵敏度或环境条件等因素造成的。

c.背景浓度：在施肥前，三台仪器测量的平均背景浓度分别为：

1) 注射施肥地块（injection plot）的仪器：1.920 ± 0.06 μg NH₃ m^-3

2) 喷雾臂施肥地块（trailing hose plot）的仪器：0.273 ± 0.03 μg NH₃ m^-3

3) 背景测量的仪器：0.824 ± 0.11 μg NH₃ m^-3

d.校正：为了确保测量结果的准确性，对于注射地块和尾随式施肥地块的仪器，分别进行了校正。校正的重要性：尽管仪器间的偏差很小，但考虑到背景浓度与施肥地块的浓度差异不大，如果不进行校正，这些小的偏差可能会影响注射地块的氨通量（flux）测量结果。

3. 数据说明：

a. 氨排放速率（NH₃是TAN总氨态氮的一部分）：通过喷雾臂施肥或注射施肥后，用动态通量室（DFC）、风洞（WT）或后向拉格朗日随机模型（bLS）的测量，可以直观地比较不同测量方法和施肥技术对氨排放的影响。

b. 展示DFC、WT和bLS三种不同测量方法的结果，有助于确定在不同施肥条件下更适合评估氨排放的方法。

c. 帮助研究者评估不同施肥技术对减少氨排放的潜在效果。

d. 直观地展示研究结果，支持注射施肥相比传统的喷雾施肥技术可以显著减少氨排放的研究结论。

（四）总结：

1.动态通量室DFC技术通过设计改进、CFD模拟验证、实地试验结果和统计分析，证明了其在测量氨排放方面的准确性和可靠性优于WT技术。

2.动态通量室DFC和逆向拉格朗日随机模型bLS，这两种方法都显示：与喷雾施肥相比，注射施肥方式大幅度降低NH3排放量（DFC为89%，bLS为97%），新的测量系统有利于对NH3的排放进行测量

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