氮沉降在线观测系统

持久性有机污染物（POPs）是一类具有半挥发性、环境持久性、高毒性和生物富集性的有机污染物。由于POPs能够在全球迁移并对生态环境和人类产生负面影响，世界各国于2001年签署了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》，以便逐步消除POPs的使用和排放。尽管最近二十年来各国政府为POPs做出了巨大的努力并取得了较好的效果，但自上世纪40年代以来就进入环境中的POPs则依然保存在地表环境介质中。尤其是森林植被和林下土壤富含有机碳，为POPs的提供了良好的条件。因此，森林对POPs全球循环的作用和机制已成为POPs研究的重要课题。中国科学院青藏高原研究所郭莉平等对全球森林POPs研究进行了归纳整理，发现森林吸收已经成为大气POPs向地表沉降的重要机制。其中，叶片吸收及POPs随叶片凋落的沉降是林下POPs干沉降最主要的途径；雨水（穿透雨）冲刷则缩短了POPs在叶片表面的滞留时间。这些过程像“泵”一样高效地将大气中的POPs携带到地表，使森林成为全球POPs的“汇”。这一效应也被研究者归纳为“森林过滤效应”。这些过程不仅使林区大气POPs浓度减少1/2—2/3，而且还有效阻止了POPs向极地及高山等生态脆弱地区的迁移。森林过滤效应的主要过程示意图。论文作者供图郭莉平介绍，通过近期的文献分析还显示在气候变化的作用下，全球森林正发生深刻的变化，即：森林的“汇”作用也因此减弱。POPs在叶片、土壤富集和食物链传递过程中均会发生流失和降解，同时，近年来频繁发生的森林火灾更使富集了大量POPs的森林成为POPs的“二次排放源”。鉴于此，郭莉平等提出应着眼于森林POPs高精度/在线观测技术的开发，以详细探究POPs在森林中迁移和沉降规律为基础，探讨气候变化对森林POPs迁移循环的影响；相关的研究将有助于拓展大气污染物干湿沉降研究的范围、丰富POPs全球循环研究的理论和方法。上述内容以《森林地区持久性有机污染物的沉降和释放》为题发表于《地球环境学报》第14卷第2期“大气污染物干湿沉降”专辑。硕士研究生郭莉平为第一作者，龚平研究员为通讯作者。该综述的撰写得到国家自然科学基金项目（41925032，41877490）和中国科学院青年创新促进会（CAS2017098）项目的共同资助。

荷兰应用科学院（TNO, the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research）和荷兰国家公共卫生与环境研究所（RIVM, National Institute for Public Health and the Environment）的联合研究团队发表了一篇题为“ Field comparison of two novel open-path instruments that measure dry deposition and emission of ammonia using flux-gradient and eddy covariance methods "的研究论文，已发表于《Atmospheric Measurement Techniques》。实验项目：使用梯度法、涡动相关法和两种新型开路仪器的氨沉降测量项目地点：荷兰 Ruisdael 观测站合作伙伴：荷兰应用科学院和荷兰国家公共卫生与环境研究所的联合研究团队部署仪器：HT8700大气氨激光开路分析仪项目简介：氨的干燥沉积(NH3)是荷兰大气向土壤和植被的氮沉积的最大因素，导致富营养化和生物多样性的损失。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。 这项研究展示了两种新型测量装置的相互比较结果，旨在以半小时分辨率测量氨的干沉降。在为期五周的比较期内，研究人员在荷兰 Cabauw 的 Ruisdael 观测站并排运行了两种光学开路的通量观测技术：其一是使用梯度法通量技术新型 RIVM-miniDOAS 2.2D 仪器，其二是宁波海尔欣光电科技有限公司推出的使用涡度协方差技术的HT8700大气氨激光开路分析仪。HT8700大气氨激光开路分析仪部署于荷兰的观测站RIVM-miniDOAS 2.2D和HT8700大气氨激光开路分析仪均为开路式光学仪器，在测量过程中直接测量氨在大气中的含量。除此之外，它们在测量原理和从测量浓度得出沉积值的方法上存在很大差异。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（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。无论是在绝对通量值还是实时的通量和浓度变化，两种截然不同的技术中获得了相似的结果，这证实了两种仪器都能够在至少几周的连续时间内以高时间分辨率测量氨通量。不过这个相关性也会受到其他因素影响，例如当风向受到附近障碍物干扰时。HT8700与定制化RIVM-miniDOAS 2.2D 仪器所测量的氨通量变化显示高度的一致性此外，论文中还讨论了两个系统的技术性能（例如，正常运行时间、精度）和实际局限性。miniDOAS 系统的正常运行时间达到了 100%，但在这次活动中对两台仪器进行了定期校准（占7周正常运行时间的35%）。而HT8700在下雨期间和下雨后不久数据有效性较低，并且其早期产品使用的光学镜面涂层可能会退化，导致约21%的数据缺失（针对此问题的升级版光学镜面已经交付客户使用）。虽然HT8700在恶劣天气条件下的独立运行时间有限，在适当的情况下，该系统仍然可以提供良好的结果，为未来的升级迭代版本打开了良好的前景，将能适用于业务化的实时氨通量监控应用。这些仪器所提供的崭新的高时间分辨率数据将促进对氨干沉降过程的研究，从而更好地理解氨沉降过程，并更好地对化学传输模型进行参数化。HT8700大气氨激光开路分析仪产品升级自动清洁自动清洁系统使用清洗和喷气功能来清除下镜面的灰尘，免除常规的手动清理。并采用了一种全新的镜面涂层技术，增强耐腐蚀性，以保证实地的长期观测。降雨传感如遇降雨天气，系统收集的数据为无效数据。增设降雨识别芯片，通过传感装置实时反馈至系统。并将降雨期间收集的数据特殊标注，便于使用者筛选有效数据。镜片加热在野外工作过程中会遇到低温条件，普通镜片易积水雾，影响镜片反射效率。开发加热系统，增设加热组件，可将镜片温度提至高于环境温度。确保反射能力不受低温、冷凝、降雨影响，使仪器分析结果更精准、更可靠。HT8700搭载升级版光学镜面，进行全新一轮野外测试通过这次研究，我们可以看到，RIVM-miniDOAS 2.2D和HT8700大气氨激光开路分析仪在测量氨沉降方面具有很高的潜力和应用价值。尽管这两种仪器在测量原理和数据处理方法上存在差异，但在一定条件下，它们都能提供准确可靠的测量结果。此外，通过不断的技术升级和改进，HT8700大气氨激光开路分析仪的性能和稳定性得到了进一步提高，为未来的氨沉降测量提供了更好的工具和手段。总之，这项研究提供了有关氨沉降测量的新思路和新方法，为未来的环境保护和生态学研究提供了新的工具和手段。我们相信，随着技术的不断进步和研究的深入，我们将能够更好地了解氨沉降过程，为保护环境、维护生态平衡和促进可持续发展做出更大的贡献。

中科院华南植物园副研究员郑棉海团队联合美国康奈尔大学教授骆亦其等科研人员，研究揭示长期氮沉降调控热带森林土壤碳排放的格局及机制。相关研究12月1日发表于《自然地球科学》（Nature Geosciences）。同月5日该期刊再次以研究简报（Research Briefing）的形式进行了报道。人类活动所导致的大气CO2增加已成为当前重要的科学话题并引起了广泛的政治和社会关注。土壤是陆地生态系统最大的碳库，至少有一半的土壤有机碳储存于森林中。热带和亚热带森林主导全球森林碳循环，它们占据全球森林78%总碳排放和55%总碳吸收。人类活动也导致大气氮沉降加剧。氮沉降通过影响植物生长和微生物活性改变森林土壤呼吸及碳排放，但目前学术界关于氮沉降如何影响森林土壤呼吸的认识主要源于短时间尺度的研究。由于氮沉降是个长期的生态环境过程，缺乏长期且连续的研究将无法准确认识氮沉降调控森林土壤碳排放的格局及机制。研究人员依托我国最早建立的模拟森林氮沉降研究平台——广东省鼎湖山国家级自然保护区，发现长期氮沉降对南亚热带森林土壤碳排放的影响呈现阶段性变化。研究平台包括3种典型森林类型：季风常绿阔叶林、针阔叶混交林和马尾松针叶林。9-13年长期氮添加处理后，森林土壤呼吸呈现“无显著变化-显著降低-无显著变化”的三阶段格局。相比低、中氮处理，高氮处理缩短了三阶段格局的时间。在整个实验过程，氮添加累计减少土壤CO2排放总量为6.53-9.06 Mg CO2 ha-1，氮添加减少土壤CO2排放的效率为5.80-13.13 Mg CO2 Mg N-1。研究人员还基于鼎湖山模拟氮沉降样地测定的849项有关土壤、植物和微生物碳氮循环数据，构建了氮沉降调控热带森林土壤碳排放的机理框架。这些结果表明过去许多短期氮添加实验无法准确反映森林土壤呼吸响应氮沉降的格局。该研究成果为氮沉降促进热带森林土壤碳固持现象提供了重要证据，也为全球气候变化的预测和生态系统碳中和目标的实现提供新的依据。上述研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目、中科院青促会项目和中国生态学会青年人才托举工程项目等资助。郑棉海副研究员为该论文第一作者，张炜副研究员和莫江明研究员为共同通讯作者。此外，鲁显楷研究员、黄娟副研究员、毛庆功助理研究员、王森浩博士，以及合作者骆亦其教授、叶清研究员和刘菊秀研究员、岭南师范大学张涛博士也参与该项工作。