【激光氨氣分析】AE: 華北農區秋冬季地氣氨交換規律

題注：寧波海爾欣光電科技有限公司和中科院大氣物理研究所和深入合作，研發了一款便攜式、高精度、快響應的HT8700開路多通池激光氨分析儀，并以HT8700為核心部件，集成開發了一套基于大氣湍流方法（渦動相關法）的氨通量觀測系統，這是目前測量地氣氨交換通量的理想方法。

本文介紹了一個最新發表在Atmospheric Environment的研究工作。該項目采用了HT8700和渦動相關技術，在華北農區開展秋冬季地氣氨交換通量高頻觀測，成功獲取了典型玉麥輪作農田在冬小麥播種施肥期間的氨揮發通量數據。

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華北是我國氨的熱點區域，大氣中的氨含量高，空間覆蓋范圍廣，這與區域內高強度的農業活動密切相關，如農業施肥、畜牧養殖等。高濃度的大氣氨和由此引發的過量活性氮沉降，會導致重霾污染天氣，也深刻改變了氮素的生物地球化學循環。對農業生產而言，施肥導致的氮揮發還是農田氮養分損失的重要途徑。

相對于氨的重要性，對其排放和沉降的觀測研究工作卻相對滯后，這主要受制于氨在線檢測儀器及觀測方法上的局限。例如，目前國內外對于氨干沉降通量的觀測，大都采用基于低頻（數日至數月）濃度采樣的沉降速率經驗系數法，其結果的準確度亟待檢驗。加之氨氣在大氣中相態轉化多變，高頻且準確的濃度和通量信息，是對大氣氨實施有效調控的必要基礎。

鑒于此，中國科學院大氣物理研究所聯合中國農業大學、中國科學院亞熱帶農業生態研究所等單位，采用自主研制的開路激光氨分析儀（Wang et al.，2021）和基于大氣湍流理論的渦動相關技術，在華北農區開展秋冬季地氣氨交換通量高頻觀測，研究站點位于河北省曲周縣，該地區的氨排放和沉降問題尤為突出。

研究團隊成功獲取了典型玉麥輪作農田在冬小麥播種施肥期間的氨揮發通量數據，并估算出由此損失的氮占氮肥施用量的0.57-0.71%，該結果遠遠低于同類觀測研究的估算結果，這在很大程度上歸因于優化后的施肥管理措施，為評估農業氨減排途徑的有效性提供了觀測證據。得益于觀測設備在測量精度和頻率上的優良性能，研究團隊還獲得農區高時間分辨率（半小時）的氨干沉降通量數據集，監測到平均沉降速率為14 g N ha-1 d-1，并發現迥然不同于自然生態系統的干沉降日變化規律。未來，利用該自主儀器及方法開展長期定位觀測，可為氨干沉降通量的聯網觀測研究提供有效的驗證數據，有助于提升對氨沉降時空變化規律的認識。

圖1 基于自主研制儀器的氨湍流通量觀測系統 

圖2 華北典型農區秋冬季氨濃度和氨通量半小時平均觀測值（子圖b和c中的通量值與子圖a相同，縱軸坐標數值范圍不同）

圖3 華北典型農區秋冬季氨濃度和氨干沉降通量日變化趨勢

上述研究成果近期發表于Atmospheric Environment，論文第一作者為大氣物理研究所王凱博士和中國農業大學王敬霞研究生，通訊作者為中國農業大學劉學軍教授。研究得到國家大氣重污染成因與治理攻關項目（DQGG0208）、國家重點研發計劃項目（2018YFC0213301、2017YFD0200101）、國家自然科學基金（41975169、42175137）等項目的資助。

相關文獻：

1. Wang K., Wang J., Qu Z., Xu W., Wang K., Zhang H., Shen J., Kang P., Zhen X., Wang Y., Zheng X., Liu X., 2022. A significant diurnal pattern of ammonia dry deposition to a cropland is detected by an open-path quantum cascade laser-based eddy covariance instrument. Atmospheric Environment 278, 119070

2. Wang K., Kang P., Lu Y., Zheng X., Liu M., Lin T., Butterbach-Bahl K., Wang Y., 2021. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308–309: 108570.