应用案例 | HT8700以高精度数据解析松林区域生物圈大气氨交换

 论文来源：Melman, E.A., et al. (2026). On the efficiency of biosphere–atmosphere ammonia exchange processes over a Scots pine forest and its link to ecosystem activity. Agricultural and Forest Meteorology, 389, 111358.

背景

氨（NH₃）是大气中最重要的碱性气体，也是活性氮（Nr）的关键载体。它既是农业面源污染的“指示剂”，又通过干沉降深刻影响着森林生态系统的生物多样性、土壤酸化与氮饱和进程。要评估氨的生态影响，就必须回答一个核心问题：森林与大气之间的氨交换过程，效率究竟有多高？

然而，氨通量的长期高频观测一直是国际公认的技术难题：

l 氨极易吸附：闭路式分析仪中，氨分子会粘附在进气管路和过滤器内壁，造成信号滞后与衰减；

l 森林冠层湍流复杂：传统的空气动力梯度法（AGM）在粗糙子层内误差大，且依赖"氨与热量输送相似"这一存疑假设；

l 涡度相关（EC）法是更直接的手段，但长期以来缺乏适用于EC的开路式高速氨分析仪。

荷兰国家公共卫生与环境研究院（RIVM）、瓦赫宁根大学（WUR）、荷兰应用科学研究组织（TNO）研究团队共同合作，在“Agricultural and Forest Meteorology”期刊发表了一项研究。研究团队依托ICOS（欧洲综合碳观测系统）NL-Loo站点，采用海尔欣HT8700E大气氨激光开路分析仪（HT8700E 是 HT8700 的欧盟[EU]版本），在国际上首次实现了对温带松林全年尺度、高频氨通量的连续观测，系统解析了不同交换过程的效率及其与生态系统生产力的关联。

观测系统搭建

观测地点

荷兰Loobos森林（52°09′N，5°44′E）为欧洲赤松（Pinus sylvestris）林，1911年种植，冠层高约21 m，紧邻集约化畜牧区（Foodvalley），大气氨暴露水平高，是研究生物圈—大气氨交换的理想天然实验室。

原文Fig.1：(a) 站点位置及周边农田（潜在氨源区）分布；(b) 观测塔周边卫星影像与通量足印气候学分布（灰框为目标区域）；(c) 站点周边地形高程图。

核心设备：HT8700 大气氨激光开路分析仪

HT8700大气氨激光开路分析仪采用量子级联激光吸收光谱技术（QCLAS），其高频浓度分析特性，使之非常适合于微气象涡动相关（Eddy Covariance）测量技术，结合通量观测系统可准确定量不同生态系统和大气间氨的净交换通量。

l 开放光路设计：采样空气无需经过任何进气管路，显著降低了由管路引起的吸附与响应滞后，实现了高频实时采样和高浓度检测限；

l 中红外量子级联激光：选择NH₃强吸收带核心区，并通过谱线选择降低与主要大气组分（如H₂O）的光谱干扰，保证了高选择性和灵敏度；

l 无人值守连续监测：快捷安装设计和较低功耗便于在偏僻野外站点或小型车辆上部署和维护。

观测塔配置

观测塔高36 m，顶部桅杆延伸至38.2 m：

原文Fig.2：(a) 侧视图——36 m观测塔（T2）上的多层观测配置，包括超声风速仪、HT8700E（HT）、miniDOAS（mD，光路连接T1与T2）、辐射、叶片湿度与物候相机等；(b) 俯视图——HT8700E与超声风速仪的相对位置（水平间距约2.7 m）及miniDOAS约11 m的斜向测量光路。

现场标定与数据处理

针对前期研究发现的仪器温度敏感性，研究团队采用miniDOAS同步观测对HT8700E进行现场标定：以30分钟平均浓度建立线性/多元回归校正模型（2024年部署期引入三次多项式温度修正）。结果表明，未经现场标定的数据会导致通量高估约22%，凸显了现场标定的必要性。

10 Hz原始数据经EddyPro 7.0.4处理为30分钟通量，包括高频谱损失经验修正、针对氨吸收谱线改进的WPL密度修正等步骤。经严格质量筛选（光强OSS>20%、湍流充分、目标足印区等）后，高质量通量数据覆盖率达43%，结合XGBoost机器学习插补，构建了完整的全年通量序列。观测期为2023年8月至2024年9月，HT8700E在部署期内运行率达76%。

监测结果

氨浓度与通量总体特征

l 氨浓度中位数6.1 μg m⁻³、均值7.9 μg m⁻³，3月与8月（施肥季）出现峰值，最高半小时浓度达171.2 μg m⁻³；

l 氨通量介于-1.84 ~ +0.34 μg m⁻² s⁻¹之间，87%的时间表现为沉降（森林吸收氨），平均通量-0.13 μg m⁻² s⁻¹；

l 经插补后的年干沉降量高达32.0 ± 4.5 kg N ha⁻¹ yr⁻¹，约为10 km外邻近站点历史观测值的3~4倍，是荷兰迄今报道的最高森林氨沉降负荷之一。

原文Fig.5：(a) miniDOAS测得的氨浓度、(b) HT8700E测得的氨通量、(c) 湍流速度的全年时间序列；(d) 累计氨沉降量与累计GPP、LAI的同步变化。

六类交换过程效率对比

研究结合叶片湿度、辐射、湿度等筛选条件，将数据划分为六类交换情景，并与湍流允许的最大理论通量（Fmax）对比，量化了各过程的交换效率：

核心发现：由于氨的高水溶性，与湿润叶面的交换是最高效的氨汇，夜间湿叶面条件下观测通量几乎等于湍流输送的理论上限且无饱和迹象；白天虽湍流最强，但气孔补偿点与气孔阻力显著抑制了交换。观测期间冠层有38%的时间处于湿润状态，这是该站点沉降负荷极高的重要原因。

原文Fig.7：六类筛选情景下观测氨通量（灰）与湍流允许的最大通量Fmax（粉）随氨浓度的变化。湿叶面夜间情景（e）中观测通量几乎等于理论上限，交换效率最高。

日变化与季节变化规律

日变化：多数月份夜间沉降最强（高湿、低温增强氨溶解度），白天沉降最弱甚至出现排放（气孔开启后的排放抵消沉降）；

季节变化：夏季月份总初级生产力（GPP）与月尺度氨交换速度呈显著正相关（R²=0.61，仅白天数据达0.74），冬季则无此关系。研究提出假说：早春氮从储存组织向叶芽转运（再活化）导致排放潜力升高、抑制沉降；而随着生长季推进，光合驱动的氮同化增强，森林对氨的吸收能力随之提升。

原文Fig.8：有效交换速度与累积GPP的关系。日尺度上两者无显著相关（R²<0.01），而月尺度上夏季呈显著正相关（R²=0.61，仅白天数据达0.74），冬季（蓝点）无此关系。

模型检验与站点对比

荷兰官方沉降模型DEPAC虽能再现日变化形态，但低估了夏季沉降趋势，年累积通量低估约45%，提示模型需引入以GPP为代理的季节参数化方案；

与邻近Speulderbos花旗松林（年沉降8.5~11.8 kg N ha⁻¹ yr⁻¹）对比发现：尽管两站距离仅10 km、均为高氨暴露针叶林，通量量级却相差3~4倍。这源于树种氮代谢策略与生态系统氮可利用性的差异——欧洲赤松林更“氮受限”、排放潜力低，对氨几乎“全收”；而花旗松林氮充裕、补偿点高，形成对氨沉降的“反推”效应。

原文Fig.11：Loobos（灰）与Speulderbos（蓝）的氨浓度、交换速度和氨通量概率密度分布。Speulderbos通量集中于零附近（排放事件多、"反推"效应强），Loobos则以显著的沉降通量为主。

展望：开路氨通量观测的广阔前景

本研究以一整年的高时间分辨率氨通量数据集证明：开路式激光氨分析仪+涡度相关法已成为解析生物圈—大气氨交换过程的有力工具。HT8700E在荷兰湿润多雨、高氨负荷的森林环境中经受住了全年野外考验，为同类生态观测提供了可复制的技术范式。

未来，这一观测体系还将在以下方向发挥更大价值：

1. 模型改进：为DEPAC等沉降模型引入GPP等生态活性参数化提供数据支撑，提升区域氮沉降评估精度；

2. 多站点组网：在不同树种、不同氮沉降梯度的森林开展对比观测，厘清植被氮代谢对氨交换的调控机制；

3. “通量+生理”联合观测：结合土壤与植物组织C/N含量测定，从“森林植被的视角”深入理解氨沉降的生态效应；

4. 更广应用场景：从森林到农田、草地、城市，开路氨通量观测可为农业氨排放清单校验、氮素循环研究和减氨政策评估提供直接观测依据。

海尔欣HT8700大气氨激光开路分析仪——以高速、免采样管路的开路测量，助力科学家解析森林与大气之间看不见的氨交换，为氮循环研究与生态环境保护提供坚实的数据基石。