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2021-09

源自农业排放热点区域的高山氨沉降研究

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      逐年升高的活性氮(Nr)沉降可能会为高山生态系统带来问题,其中氨的干沉降是一个关键因素。过去的许多研究表明,农业活动引起的氨排放占全球氨排放总量很大的一部分。美国的许多国家公园虽然位于偏僻的郊区,却不可避免的受到农业氨排放的影响。了解氨排放热点如何通过氨的干沉降影响下风处的生态系统为有效缓解提供了机会。来自普林斯顿大学的研究团队使用了自主研制的开路式激光氨气分析仪测量了美国洛基山国家公园高山草原生态系统的氨通量,并分析了来自科罗拉多州东北部农业和城市来源的氨排放造成的影响。此项工作的成果发表于《Environmental Science & Technology》。 

普林斯顿大学团队利用开路氨分析仪进行EC法氨通量测量

图一 普林斯顿大学团队利用开路氨分析仪进行EC法氨通量测量

      过去几年中,面对微气象法测量氨通量的需求,普林斯顿大学的Mark Zondlo教授团队自主研制了基于量子级联激光光谱分析技术的开路大气氨浓度分析仪,满足涡动协方差(EC)方法中对仪器快速响应 (10 Hz) 和高精度的要求,克服闭路传感器中因为氨的吸附和粘滞性导致的高频信号衰减问题。过去,研究组曾将该分析仪应用于畜牧业氨排放测量和交通污染测量。本文描述的研究工作是研究团队首次将氨分析仪应用于氨浓度特别低的场景中。作者通过模型的建立和原位测量,分析了来自氨排放热点的区域传输背景下的EC通量。

      20152016夏季,研究团队选择美国洛基山国家公园的一处相对平坦的草原区,将开路式氨分析仪安装在通量塔上,观察到了清晨和傍晚至夜间净氨通量表现为沉降,日间表现为氨排放,总体净氨通量为负。而观测数据中,早上在温度没有明显升高时出现的氨排放,作者认为这或许与露水蒸发有关,实际原因则需要更多的研究来证明。

研究团队获得的典型氨通量日变化数据 

图二 研究团队获得的典型氨通量日变化数据

      在科罗拉多州东北部,丹佛大都会区(图三中灰色框区域)的汽车尾气和南普拉特河谷农业区中的集中动物饲养场(Concentrated animal feeding operations, CAFO)(图三中红色框区域)是可能影响国家公园氨沉降的潜在源区。论文中描述研究人员将仪器安装在车顶1.5m处进行了移动氨浓度监测,结果表明显示农业氨排放被输送至高山地区。图三c、d则显示了机载气体分析仪测得的高山区域三浓度垂直分布,可以看出高海拔区域在下午时比上午的氨浓度要高,这就是本次实验中观测到的氨上行事件:当天气影响较弱时,白天地形加热导致反向上坡流动,氨从草地和农田排放热点区域被运送到地势较高的地区进而沉降。

科罗拉多州东北部氨浓度空间和垂直分布图 

图三 科罗拉多州东北部氨浓度空间和垂直分布图

      此项研究中通过2015和2016年的氨通量测量,展示了研究团队开发的开路氨分析仪在偏远的野外地区测量氨通量的能力。研究人员将观测到的氨通量按风向分组,发现氨沉降通常与白天的东风有关,表明氨排放热点的影响很大。以2016年夏季为例,经过农业区热点排放的气团导致的累积沉降占氨的干沉降总量40%以上。

      作者在论文结论中表示,本次试验结果以洛基山国家公园为例,显示高山生态系统如何受到氨排放热点的影响。此项工作能为其他国家公园或自然保护区中的氨通量和潜在源观测起到示范作用,并同时了说明控制农业和城市氨排放可从源头上减缓自然生态系统的氨沉降问题。

参考文献: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

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