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氮素干沉降的理想觀測方案——渦度相關法測量氨通量
自20世紀以來，全球科技、經濟飛速發展，這離不開人類活動“火力全開”的加速。大量化石燃料的使用以及農牧業的大力擴張導致的環境問題層出不窮，近年來學者們普遍側重于關注溫室效應，然而霧霾、酸雨等的幕后推手——氨也日漸猖獗，其污染效力不容小覷！研究表明，非化石燃料燃燒造成的氮排放約占氮總排放量的55±7%，人為類固氮行為嚴重影響著氮循環。在氮的干沉降中，氨沉降占到80%，過量氨沉降會導致水體富營養化、土壤酸化進而造成生物多樣性損失等問題，對人類健康也存在嚴重威脅。
氮的濕沉降測量開始于19世紀50年代，而干沉降的測量卻晚了100多年。濕沉降是氮素沉降的主要部分，但是在農、牧業中主要是干沉降。以往學者研究氮素濕沉降主要采用降水采集法、離子交換樹脂法等，干沉降的測量方法主要有直接測定法、間接計算法。降水采集法費時耗力，對樣本保存條件要求較高，而離子交換樹脂法會受到環境溫度的限制。傳統的直接測量法無法*模擬天然的氮沉降，存在氮通量的低估，誤差較大。而間接計算法需要相對復雜的儀器，耗費精力。
農、牧業在氮排放中占據不小的比例，以往卻一直被忽略。海爾欣光電科技有限公司自主研發的HT8700激光開路式大氣氨分析儀，基于中紅外波段的原位觀測技術，50 W低功耗，10 Hz高頻輸出，結合渦動協方差方法使得農、牧業中氨通量監測易如反掌。儀器直接處于氨排放環境之中，實現了氨通量實時監測，為制定氮減排和評價氮沉降盡綿薄之力。
圖1位于揚州市江都試驗基地的的氨通量觀測塔
2019年，我司與中國科學院南京土壤研究所合作，在該所江都試驗基地部署了HT8700監測此處氨的排放情況。該實驗站點位于一養鴨場下風向的稻田中，其間架設有通量觀測塔，正好為監測農、牧氨通量的良好地點。
圖2 垂直風速與氨濃度的協方差
通過協方差分析（圖2）可以看出，HT8700與10Hz超聲風速儀之間的響應速度幾乎同步，垂直風速與氨氣濃度的時間序列之間遲滯時間接近0秒，開路式光腔避免了閉路觀測系統產生的分析儀響應遲滯與采樣管內壁粘連，很好地展現氨通量10Hz的實時數據。此外，我們還可以清楚的看到氨的沉降，在該段數據中，氨通量達到了-230 ng/m2/s。
圖3 垂直風速與氨濃度的協譜
湍流譜展現出HT8700的對高、低頻信號的響應能力。從圖3中可以看出垂直風速與氨濃度的協譜曲線存在清晰的峰值區，在低頻區相對分散，在慣性副區逐漸合并，譜線在慣性副區相對更加集中，且符合遵循-4/3定律。
氨沉降觀測的實現對于氮污染及其過量沉降研究意義重大，補足了以往大氣氮沉降中重要的一環。海爾欣光電科技HT8700將持續優化儀器性能，為建成氨通量觀測網盡一份力！