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精准监测，守护绿意：Picarro在粪肥施用中氨气排放的测量

海兰达尔环境监测

2024/08/07 14:49

阅读：2

精准监测，守护绿意：Picarro在粪肥施用中氨气排放的测量

江苏海兰达尔

2024年08月07日 14:06 江苏

原文链接：https://doi.org/10.5194/amt-17-4493-2024

背景和研究目的

液态动物粪便（slurry）可以作为作物生产的宝贵营养源，但它也是氨（NH₃）和温室气体排放的重要来源，这些排放贯穿整个粪便管理链。NH₃的排放对环境和人类健康产生负面影响，并降低了粪便的肥料价值。如果管理不当，从田间施用粪便中排放NH₃的潜力很高。排放取决于多种因素，包括施用技术、天气以及粪便和土壤的属性。然而，关于影响排放的因素，包括它们之间的相互作用，还存在显著的知识空白。最近的研究努力致力于测量、量化和模拟排放，以提高国家排放报告的准确性和精度，以及探索减少排放的缓解可能性。需要可靠的定量测量方法来评估管理和其他因素对排放的影响。

现有研究在理解排放影响因素及它们之间的相互作用上存在不足。为了提高排放报告的准确性和探索减排策略，研究团队开发了一种新型的动态通量室（DFCs）系统，该系统能够进行高时间分辨率的在线氨排放测量。

新系统通过计算流体动力学（CFD）模拟进行了评估，确保了设计的有效性，并且相较于以往的风洞技术，DFCs在小面积地块上更易于复制，提高了测量的准确性。此外，DFCs设计考虑到了与农场规模机械施用粪便的兼容性，以更真实地反映不同施用方法对排放的影响。通过对DFCs系统进行田间试验，研究人员不仅比较了新旧系统的性能，还评估了不同施用方法的排放差异，旨在为农业氨排放的量化和控制提供更可靠的技术支持。

研究方法

动态通量室的设计

选择了带有分流板的圆柱形室的设计。使用农场规模机械施用时，当从土壤表面附近取样时，进入通量室的空气可能会有较高的NH₃浓度。因此，入口设置在距土壤表面1.4 m处，以确保进入通量室的空气（背景空气）与通量室出口空气之间的NH₃浓度差异。排放室由略微圆锥形的开放式聚乙烯（PE）圆筒制成，厚度为5-6 mm，底部直径为700 mm，高度为392 mm，提供了0.38 m²的田地块面积。

用于NH₃分析的通量室样本空气以1.5 L/min的速率通过15 m长的PVDF管道被抽取。PVDF已被证明对NH₃吸附只有轻微影响。管道被绝缘和加热至至少50°C，长度为15 m，以便通量室可以用于农场规模施用机械的实验。为了测量背景浓度，在三个不同的通量室上附加了三个管道以测量进入通量室的空气中含有的NH₃浓度。在PVDF管和空气采样点之间，插入了一个PTFE过滤器，以确保没有灰尘或其他颗粒进入管道、阀门或分析器。为了避免空气从通量室覆盖区域外的土壤表面进入，放置了一个塑料圈在通量室外围，并且用沙子填充在通量室和圈之间的空间。

动态通量室（DFC）的设计示意图及实物照片

田间实验概述

在2022年10月和11月，研究团队在奥胡斯大学维堡校区进行了三次田间实验。使用三种不同的施用系统（手动施用、3 m实验浆料喷雾杆、30 m农场规模商业浆料喷雾杆）施用了厌氧消化浆料（消化液），以评估不同浆料施用策略之间的差异，这些实验在同一块田地的三个不同时间段进行，使用DEC测量了60小时和120小时的排放。

氨气的排放测量

对于所有腔室（DFCs和风洞法，WTs）的排放测量，使用Picarro G2103分析仪连续测量NH₃浓度，而后向拉格朗日随机模型（bLS）方法的测量则使用Picarro G2509多气体组分分析仪进行测量，这些仪器已被证明在农业环境中是稳健而可靠的。

研究结果

DFC设计的性能提升及CFD模拟结果

新型动态通量室（DFCs）在减少排放测量的滞后效应和降低测量变异性方面表现优于旧式风洞（WTs）。手动施用情况下，DFCs的变异系数（CV）仅为5%，而30米喷雾杆施用时CV升高至20%。这一改进可能归因于改进的采样线加热和使用低吸附性材料PVDF，从而减少了NH₃的吸附损失。

计算流体力学（CFD）模拟结果显示，提高空气交换率（AER）可以增加流速大小，从而确保室内空气充分混合，避免土壤表面以上出现“死区”。选择了0.3 m高的分流板和20 min^-1的AER进行田间实验，能保证测量的准确性。

不同空气交换率（AER）和分流板高度下的流速大小分布模拟

氨排放测量及田间实验结果

使用NH₄Cl溶液进行的测试表明，最终设计的采样入口能够提供102 ± 1%的平均NH₃回收率，这证实了测量系统在800–3000 ppb浓度范围内的高效回收能力。此外，8 min的测量周期足以获得稳定的读数。

田间实验结果显示，DFCs测量的NH₃排放量普遍高于bLS模型测量的结果，特别是在拖曳软管施用后，DFCs测量的排放量为42.5% TAN，而bLS测量为60.7% TAN，这表明DFCs在评估不同施用方法的排放方面具有较高的灵敏度。

尽管DFCs测量的通量普遍高于bLS模型，但两种方法都显示了注射施用相比拖曳软管施用有显著的排放减少。DFCs测量的排放减少了89%，而bLS模型为97%，这证实了DFCs在评估施用方法对排放影响方面的有效性。

不同施用方法后氨排放率及天气状况的比较

结论与总结

新开发的DFCs系统在测量液态动物粪便施用后氨气排放方面的高效性和准确性。DFCs系统与早期风洞系统相比，展现出更低的测量变异性，尤其在手动施用情况下。然而，使用大型机械施用时，变异性显著增加，这突显了在设计田间试验时需要考虑的样本量和重复次数。

研究中使用了Picarro G2103分析仪作为连续测量氨气浓度的关键工具。这些仪器因其在农业环境中的稳定性和可靠性而被选用，确保了测量数据的精确性。通过长达15 m PVDF管道，CRDS能够从DFCs中抽取样本空气，即便在农场规模的施用机械下也能保持数据的准确性。

最终，研究表明，尽管DFCs测量的通量普遍高于bLS模型，新的DFC设计不宜直接用于估算开放式空气排放，但它非常适合于评估不同施用方法或粪肥处理之间的相对差异。这项研究为农业氨排放的量化和管理提供了新的工具，有助于推动农业环境的可持续发展。

编辑人：陆文涛

审核人：史恒霖

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