源自農(nóng)業(yè)排放熱點(diǎn)區(qū)域的高山氨沉降研究

逐年升高的活性氮（Nr）沉降可能會(huì)為高山生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)問(wèn)題，其中氨的干沉降是一個(gè)關(guān)鍵因素。過(guò)去的許多研究表明，農(nóng)業(yè)活動(dòng)引起的氨排放占全球氨排放總量很大的一部分。美國(guó)的許多國(guó)家公園雖然位于偏僻的郊區(qū)，卻不可避免的受到農(nóng)業(yè)氨排放的影響。了解氨排放熱點(diǎn)如何通過(guò)氨的干沉降影響下風(fēng)處的生態(tài)系統(tǒng)為有效緩解提供了機(jī)會(huì)。來(lái)自普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用了自主研制的開(kāi)路式激光氨氣分析儀測(cè)量了美國(guó)洛基山國(guó)家公園高山草原生態(tài)系統(tǒng)的氨通量，并分析了來(lái)自科羅拉多州東北部農(nóng)業(yè)和城市來(lái)源的氨排放造成的影響。此項(xiàng)工作的成果發(fā)表于《Environmental Science & Technology》。

圖一 普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用開(kāi)路氨分析儀進(jìn)行EC法氨通量測(cè)量

過(guò)去幾年中，面對(duì)微氣象法測(cè)量氨通量的需求，普林斯頓大學(xué)的Mark Zondlo教授團(tuán)隊(duì)自主研制了基于量子級(jí)聯(lián)激光光譜分析技術(shù)的開(kāi)路大氣氨濃度分析儀，滿足渦動(dòng)協(xié)方差（EC）方法中對(duì)儀器快速響應(yīng) (≥10 Hz) 和高精度的要求，克服閉路傳感器中因?yàn)榘钡奈胶驼硿詫?dǎo)致的高頻信號(hào)衰減問(wèn)題。過(guò)去，研究組曾將該分析儀應(yīng)用于畜牧業(yè)氨排放測(cè)量和交通污染測(cè)量。本文描述的研究工作是研究團(tuán)隊(duì)將氨分析儀應(yīng)用于氨濃度特別低的場(chǎng)景中。作者通過(guò)模型的建立和原位測(cè)量，分析了來(lái)自氨排放熱點(diǎn)的區(qū)域傳輸背景下的EC通量。

2015和2016年夏季，研究團(tuán)隊(duì)選擇在美國(guó)洛基山國(guó)家公園的一處相對(duì)平坦的草原區(qū)，將開(kāi)路式氨分析儀安裝在通量塔上，觀察到了清晨和傍晚至夜間凈氨通量表現(xiàn)為沉降，日間表現(xiàn)為氨排放，總體凈氨通量為負(fù)。而觀測(cè)數(shù)據(jù)中，早上在溫度沒(méi)有明顯升高時(shí)出現(xiàn)的氨排放，作者認(rèn)為這或許與露水蒸發(fā)有關(guān)，實(shí)際原因則需要更多的研究來(lái)證明。

圖二 研究團(tuán)隊(duì)獲得的典型氨通量日變化數(shù)據(jù)

在科羅拉多州東北部，丹佛大都會(huì)區(qū)（圖三中灰色框區(qū)域）的汽車尾氣和南普拉特河谷農(nóng)業(yè)區(qū)中的集中動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)（Concentrated animal feeding operations, CAFO）（圖三中紅色框區(qū)域）是可能影響國(guó)家公園氨沉降的潛在源區(qū)。論文中描述研究人員將儀器安裝在車頂1.5m處進(jìn)行了移動(dòng)氨濃度監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明顯示農(nóng)業(yè)氨排放被輸送至高山地區(qū)。圖三c、d則顯示了機(jī)載氣體分析儀測(cè)得的高山區(qū)域三濃度垂直分布，可以看出高海拔區(qū)域在下午時(shí)比上午的氨濃度要高，這就是本次實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的氨上行事件：當(dāng)天氣影響較弱時(shí)，白天地形加熱導(dǎo)致反向上坡流動(dòng)，氨從草地和農(nóng)田排放熱點(diǎn)區(qū)域被運(yùn)送到地勢(shì)較高的地區(qū)進(jìn)而沉降。

圖三 科羅拉多州東北部氨濃度空間和垂直分布圖

此項(xiàng)研究中通過(guò)2015和2016年的氨通量測(cè)量，展示了研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的開(kāi)路氨分析儀在偏遠(yuǎn)的野外地區(qū)測(cè)量氨通量的能力。研究人員將觀測(cè)到的氨通量按風(fēng)向分組，發(fā)現(xiàn)氨沉降通常與白天的東風(fēng)有關(guān)，表明氨排放熱點(diǎn)的影響很大。以2016年夏季為例，經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)區(qū)熱點(diǎn)排放的氣團(tuán)導(dǎo)致的累積沉降占氨的干沉降總量40%以上。

作者在論文結(jié)論中表示，本次試驗(yàn)結(jié)果以洛基山國(guó)家公園為例，顯示高山生態(tài)系統(tǒng)如何受到氨排放熱點(diǎn)的影響。此項(xiàng)工作能為其他國(guó)家公園或自然保護(hù)區(qū)中的氨通量和潛在源觀測(cè)起到示范作用，并同時(shí)了說(shuō)明控制農(nóng)業(yè)和城市氨排放可從源頭上減緩自然生態(tài)系統(tǒng)的氨沉降問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：Da Pan, Katherine B. Benedict, Levi M. Golston, Rui Wang, Jeffrey L. Collett, Lei Tao, Kang Sun, Xuehui Guo, Jay Ham, Anthony J. Prenni, Bret A. Schichtel, Tomas Mikoviny, Markus Müller, Armin Wisthaler, and Mark A. Zondlo

Environmental Science & Technology 2021 55 (12), 7776-7785

DOI: 10.1021/acs.est.0c05749