激光吸收光譜技術(shù)在太湖流域稻田氨揮發(fā)研究中的應(yīng)用

氨揮發(fā)是農(nóng)田氮素的重要損失途徑，也是我國大氣中氨氣的主要來源。據(jù)估算，2010年我國農(nóng)田施肥引起的氨揮發(fā)損失達(dá) 448萬t，約占全國氮肥使用總量的15%。氨氣作為空氣中重要的活性氮組分，與 SO₂ 、NOx 等反應(yīng)生成各種大氣氣溶膠細(xì)粒子，這些氣溶膠粒子是構(gòu)成大氣環(huán)境中細(xì)顆粒污染物的主要組成部分。研究發(fā)現(xiàn)氨氣的排放量比 SO₂和NOx的排放量與PM2.5濃度的時(shí)空變化具有更強(qiáng)的相關(guān)性，對我國城市PM2.5年均濃度貢獻(xiàn)率高達(dá)29.8%。
 

文獻(xiàn)摘要：

氨揮發(fā)是太湖流域農(nóng)田氮肥損失的重要途徑之一。本試驗(yàn)采用高時(shí)間分辨率的 TDLAS-BLS 技術(shù)研究太湖流域稻田追肥期氨揮發(fā)規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明：追肥后稻田上方空氣中氨濃度白天明顯大于夜間，而且瞬時(shí)波動較大。稻田氨揮發(fā)速率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，峰值出現(xiàn)在施肥后的 2 ~ 3 d，且氨揮發(fā)僅持續(xù) 1 周左右。分蘗期氨揮發(fā)速率和損失率均大于抽穗期，兩個時(shí)期氨揮發(fā)損失率分別為 36.6%、23.0%。氨揮發(fā)集中在較短時(shí)間內(nèi)，分蘗期、基于抽穗期施肥后前 4 d 的累積氨揮發(fā)量分別占總氨揮發(fā)損失的 80%、84%。分蘗期風(fēng)速、光照、氣溫對稻田氨揮發(fā)均具有明顯的促進(jìn)作用，其中光照的作用更為顯著；抽穗期風(fēng)速和氣溫對氨揮發(fā)的影響較低。降雨對氨揮發(fā)具有強(qiáng)烈的抑制作用，降雨期間是影響氨揮發(fā)產(chǎn)生的主要因素。

實(shí)驗(yàn)方案：

試驗(yàn)于2017年7—8月在實(shí)驗(yàn)站附近水稻田中進(jìn)行。試驗(yàn)地地勢平坦，周圍無明顯干擾風(fēng)場的障礙物。設(shè)置東西長 120 m、南北寬 40 m 的水稻田作為試驗(yàn)施肥區(qū)。水稻生長季氮肥施用量 N 270 kg/hm² ，按基肥、分蘗肥、穗肥(35%∶40%∶25%)施用，基肥采用復(fù)合肥(15–15–15)，追肥均采用尿素(含 N464 g/kg)。為避免周圍農(nóng)田追肥對本次試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果的影響，試驗(yàn)區(qū)追肥時(shí)間與周圍農(nóng)田相隔 15 d左右。分蘗肥、穗肥分別在7月13日和8 月21日16:00—18:00均勻撒施，隨后使用 TDLAS 光譜儀連續(xù)在線監(jiān)測稻田氨揮發(fā)，直至揮發(fā)煙羽氨濃度與背景氨濃度相近為止。分蘗期水稻植株高度在30~35cm，抽穗期水稻植株高度在80~85cm。由于夏季稻田水蒸發(fā)量較大，定于每天5:00左右開始向試驗(yàn)地灌水至水深8Acm。

田間氨濃度監(jiān)測如圖1所示，在試驗(yàn)地施肥區(qū)中間橫向布置一套開路式 TDLAS 氨氣監(jiān)測系統(tǒng)，用來監(jiān)測揮發(fā)煙羽氨氣濃度。測線距離100m，分蘗期和抽穗期光路高度分別為 1.2、1.5m。同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)的正西方向70m處，相同高度處布置另一套氨氣監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測背景氨濃度。系統(tǒng)設(shè)置為2s記錄一次氨濃度數(shù)據(jù)。分蘗期從7月13日18:30開始至7月20日18:30連續(xù)監(jiān)測168h，抽穗期從8月21日18:30開始至8 月28日18:30連續(xù)監(jiān)測168h，直至揮發(fā)煙羽空氣氨濃度與背景值接近為止。BLS 模型模擬氨揮發(fā)所需的u * 、L、z 0 與 β 由三維超聲風(fēng)速儀測定的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到。三維超聲風(fēng)速儀安裝在試驗(yàn)地附近距地面 1.8m高度處，數(shù)據(jù)采集頻率為10Hz，并由數(shù)據(jù)采集器中軟件處理為30min平均值。光照和降雨數(shù)據(jù)取自常熟實(shí)驗(yàn)站氣象觀測場。

 表 1 田間監(jiān)測的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田面水樣采集分析：為明確田面水理化性質(zhì)對稻田氨揮發(fā)的影響，氨揮發(fā)監(jiān)測期間定于每天 6:30 在田間多點(diǎn)采集灌溉水和試驗(yàn)區(qū)田面水，帶回實(shí)驗(yàn)室過濾后，分別使用靛酚藍(lán)比色法、雙波長比色法測定水樣中 NH₄⁺ -N、NO₃^- -N濃度。 測量氨NH₃通量使用的痕量溫室氣體分析儀可以采用Aerodyne可調(diào)諧二極管激光痕量氣體分析儀。

達(dá)上表所述，量程是0-10ppm，同時(shí)具備< 0.5 s的最小上升/下降時(shí)間(1/e)（反應(yīng)時(shí)間快），可長期處于采集、處理、記錄濃度數(shù)據(jù)過程處于10Hz的時(shí)間頻率水平，完全滿足通量觀測的技術(shù)要求。

​實(shí)驗(yàn)中還可使用自動靜態(tài)箱模擬不同試驗(yàn)條件下的水稻田氮肥NH3揮發(fā)通量測試。澳作公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、自主研發(fā)、國內(nèi)生產(chǎn)的iChamber 群落自動箱，具有獨(dú)一無二的無框架、無立柱設(shè)計(jì)，高度隨植物生長可調(diào)、面積可達(dá)1平米、高度2米。即可用于呼吸測量，也可用作群落光合室。iChamber自動箱可以是透明的，也可以是黑色的，可以直接測量凈群落生態(tài)系統(tǒng)碳交換量（NEE）、群落生態(tài)系統(tǒng)的呼吸量(ER)。

測量時(shí)的iChamber

​ 土壤自動箱大多以國外廠家的產(chǎn)品為標(biāo)桿，但大尺寸的自動箱邊框、支架對測點(diǎn)的降雨、風(fēng)速等小氣候有影響。也可選用小型自動箱，小尺寸的自動箱測量面積小，高度低，只能用于幼苗時(shí)期。

結(jié)論: 

利用高時(shí)間分辨率、高靈敏度的 TDLAS-BLS 技術(shù)，對太湖流域稻田追肥期氨揮發(fā)進(jìn)行更加精準(zhǔn)測定和分析研究，發(fā)現(xiàn)追肥后稻田上方空氣中氨濃度受風(fēng)速影響，瞬時(shí)波動較大。氨揮發(fā)速率于追肥后的2~3d 即達(dá)到峰值，氨揮發(fā)損失主要集中在施肥后的前4d。分蘗期氨揮發(fā)速率和損失率均明顯大于抽穗期。風(fēng)速、光照、氣溫都促進(jìn)稻田氨揮發(fā)損失，其中光照的影響最大，降雨對氨揮發(fā)具有短時(shí)抑制作用。相比傳統(tǒng)箱式法的分時(shí)段采樣分析，TDLAS-BLS 技術(shù)通過無干擾連續(xù)在線監(jiān)測可研究農(nóng)田氨揮發(fā)日內(nèi)動態(tài)變化及影響因素，同時(shí)準(zhǔn)確定量氨揮發(fā)損失。