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生態(tài)環(huán)境氣體檢測高精儀器

擁有更好的碳足跡

一、技術(shù)

基于量子級聯(lián)激光技術(shù)，采用開創(chuàng)性的開路設(shè)計用于氨氣/甲烷/氧化亞氮測量，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，并保持優(yōu)異的精度與穩(wěn)定性，是短期及長期監(jiān)測活動的理想選擇。

Ø                      超高靈敏度

Ø                      抗干擾測量

Ø                      響應(yīng)快、 無高頻損失

Ø                      無需采樣泵和預(yù)處理

Ø                      功耗低， 維護(hù)量小

Ø                      無人值守連續(xù)監(jiān)控

二、開路EC法NH₃-N₂O通量同步觀測系統(tǒng)

系統(tǒng)組成

（一）       碳通量檢測系統(tǒng)

1.       CO2/H2O超聲風(fēng)一體式渦動通量分析儀（IRGASON)

2.       數(shù)據(jù)采集器(Data Acquisition Box)

3.       土壤熱通量板(Groud Stake)

4.       溫度濕度傳感器

5.       凈輻射傳感器(Kipp&Zone NR Lite2)

6.       支架及其他附件：提供系統(tǒng)安裝所需的相關(guān)線纜、安裝卡板、支架。

7.       通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)軟件

8.       氣象儀(Climovue50)

（二）       HT8700大氣NH3激光開路分析儀

1.       NH3分析儀器主機(jī)

2.       冷卻水泵

3.       清洗模塊

4.       供電模塊及各種線纜

（三）       HT8500大氣N2O激光開路分析儀

1.       N2O分析儀器主機(jī)

2.       冷卻水泵

3.       清洗模塊

4.       供電模塊及各種線纜

技術(shù)指標(biāo)

l                      系統(tǒng)搭建選址指南

1.       選擇平坦且開闊的地面，遠(yuǎn)離遮擋物，以確保風(fēng)場流動性良好，減少風(fēng)場對數(shù)據(jù)的影響。

2.       確保選址地點(diǎn)周圍環(huán)境相對穩(wěn)定，避免大面積植被、建筑物或其他人為干擾。

3.       盡可能遠(yuǎn)離可能產(chǎn)生干擾氣體的源頭，如養(yǎng)殖場、工業(yè)排放點(diǎn)等，以保證分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.       考慮選址地點(diǎn)的氣候特征，避免高溫、高濕或強(qiáng)風(fēng)等天氣對系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響。

5.       避免系統(tǒng)暴露在污染物濃度較高的空氣中，以防止傳感器受到污染影響。

l                      系統(tǒng)搭建注意點(diǎn)

1.       安裝碳通量檢測系統(tǒng)時，確保渦動通量分析儀（IRGASON）與地面垂直安裝，并且避免將傳感器安裝在可能受到人為干擾的位置。

2.       在安裝凈輻射傳感器（Kipp&Zone NR Lite2）時，確保其正確定位于開闊的天空下方，并遠(yuǎn)離遮擋物，以保證輻射的準(zhǔn)確測量。

3.       NH3和N2O激光開路分析儀底部距地面約1.4米，水箱放在離主機(jī)0.5米左右位置。需注意確保主機(jī)及相關(guān)模塊安裝牢固，同時保證冷卻水泵運(yùn)行正常，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作溫度。

4.       在系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)和功能測試，確保各傳感器和主機(jī)正常運(yùn)行，并調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)以滿足監(jiān)測需求。

三、應(yīng)用

高系統(tǒng)集成能力，滿足多場景需求，為您提供理想的解決方案：

四、       客戶案例

1.       亞熱帶稻田施肥期間氣體排放-中國科學(xué)院大氣物理研究所 

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氨揮發(fā)也是農(nóng)田氮養(yǎng)分損失的主要途徑。因氨具有強(qiáng)表面吸附力和水溶性等特性，大氣氨濃度和地氣氨交換通量的原位準(zhǔn)確測量一直是學(xué)界的一大挑戰(zhàn)，目前國際上主流的測量儀器大多采用閉路吸入式的構(gòu)造，采樣管路的吸附效應(yīng)一直制約著大氣氨濃度的快速高頻高精準(zhǔn)度測量。與此同時，閉路儀器和搭配使用的外置抽氣泵均要求交流供電，這意味著目前絕大多數(shù)的大氣氨通量觀測只能在少數(shù)電力條件允許的環(huán)境下開展。

在本項(xiàng)目中，中科院大氣物理研究所王凱和鄭循華所在的碳氮循環(huán)團(tuán)隊(duì)使用HealhtyPhoton HT8700，這款儀器基于可調(diào)諧激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，采用了分布反饋式量子級聯(lián)激光（DFB-QCL）的光源，其開放式的光路結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)閉路儀器管路吸附引起的測量誤差；光機(jī)電軟各個部分高度集成，可由太陽能驅(qū)動運(yùn)行，適合野外條件使用。

野外測試結(jié)果顯示，這款開路氨分析儀可在-15至40度的環(huán)境溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，10 Hz采樣頻率的測量精度（1σ）達(dá)0.302 nmol mol-1（即ppbv），半小時氨通量檢測限為7.1 ± 1.1 μg N m-2 h-1。

相關(guān)文獻(xiàn)：Wang K.*, Kang P., Lu Y., Zheng X.H., Liu M.M., Lin T.J., Butterbach-Bahl K., Wang Y.*. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308-309, 108570, 2021

2.       華北農(nóng)區(qū)秋冬季地氣排放-中國農(nóng)業(yè)大學(xué)

華北是我國氨的熱點(diǎn)區(qū)域，大氣中的氨含量高，空間覆蓋范圍廣，這與區(qū)域內(nèi)高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)活動密切相關(guān)，如農(nóng)業(yè)施肥、畜牧養(yǎng)殖等。高濃度的大氣氨和由此引發(fā)的過量活性氮沉降，會導(dǎo)致重霾污染天氣，也深刻改變了氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，施肥導(dǎo)致的氮揮發(fā)還是農(nóng)田氮養(yǎng)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(nèi)外對于氨干沉降通量的觀測，大都采用基于低頻（數(shù)日至數(shù)月）濃度采樣的沉降速率經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，其結(jié)果的準(zhǔn)確度亟待檢驗(yàn)。

在本項(xiàng)目中，中國科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等單位，采用HealhtyPhoton HT8700在華北農(nóng)區(qū)開展秋冬季地氣氨交換通量高頻觀測。

研究團(tuán)隊(duì)成功獲取了典型玉麥輪作農(nóng)田在冬小麥播種施肥期間的氨揮發(fā)通量數(shù)據(jù)，并獲得農(nóng)區(qū)高時間分辨率（半小時）的氨干沉降通量數(shù)據(jù)集，監(jiān)測到平均沉降速率為14 g N ha-1 d-1，并發(fā)現(xiàn)迥然不同于自然生態(tài)系統(tǒng)的干沉降日變化規(guī)律。

相關(guān)文獻(xiàn)：Wang K., Wang J., Qu Z., Xu W., Wang K., Zhang H., Shen J., Kang P., Zhen X., Wang Y., Zheng X., Liu X. 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, 2022

3.       EC法與氣動梯度技術(shù)對比實(shí)驗(yàn)-荷蘭應(yīng)用科學(xué)院（TNO）

在荷蘭，氨的干沉降是從大氣向土壤和植被的氮沉降的最大來源，導(dǎo)致富營養(yǎng)化和生物多樣性喪失等生態(tài)危機(jī)。然而，學(xué)術(shù)界對于氨通量測量的數(shù)據(jù)十分有限，而且通常最多只有月度分辨率。造成這種情況的一個重要原因是在干燥條件下測量氨通量非常困難。過去，沒有一種技術(shù)可以被認(rèn)為是氨通量測量的黃金標(biāo)準(zhǔn)，這使得新技術(shù)的測試和判斷其質(zhì)量變得復(fù)雜。

在本項(xiàng)目中，研究人員在荷蘭Cabauw的Ruisdael觀測站并排運(yùn)行了兩種光學(xué)開放路徑的通量觀測技術(shù)：其一是使用基于紫外差分法的新型 RIVM-miniDOAS 2.2D儀器、結(jié)合梯度法通量技術(shù)，其二是HealhtyPhoton HT8700和渦動相關(guān)技術(shù)。

對比測試結(jié)果顯示，RIVM-miniDOAS 2.2D和HT8700在迎風(fēng)地形均勻又沒有附近障礙物時，兩種不同的技術(shù)顯示出非常相似的結(jié)果（相關(guān)性r = 0.87）。觀察到的通量從約 80 ng NH3 m-2 s-1 的沉降到約 140 ng NH3 m-2 s-1 的排放不等。

相關(guān)文獻(xiàn)：Swart D.et al., Field comparison of two novel open-path instruments that measure dry deposition and emission of ammonia using flux-gradient and eddy covariance methods. Atmospheric Measurement Techniques, 16(2), 529-546, 2023

4.       森林冠層氣體排放-歐洲綜合碳觀測系統(tǒng)（ICOS）

Forest Canopy Gas Emissions - Integrated Carbon Observation System in Europe (ICOS)

利用高塔測量大氣溫室氣體，包含了比靠近地面監(jiān)測更大的空間尺度的信息，從而為區(qū)域傳輸?shù)挠绊懱峁┝擞袃r值的信息。此外，將高塔測量與傳輸模型相結(jié)合，可以作為估計本地到區(qū)域規(guī)模的溫室氣體通量的一種手段，增加高塔站點(diǎn)的數(shù)據(jù)將有利于提高區(qū)域?qū)厥覛怏w分布的認(rèn)知。目前，歐洲高塔溫室氣體的觀測已被整合到歐洲綜合碳觀測系統(tǒng)（ICOS）中。

在本項(xiàng)目中，HealhtyPhoton HT8700安裝于新站點(diǎn)（38米高的塔樓，6米高的集裝箱），用以測量高塔附近的森林冠層氨排放和沉降通量。由于HT8700的開放光路低功耗設(shè)計，使之成為世界上為數(shù)不多的具備森林冠層氨通量測量能力的儀器，也是少有的入選歐洲集成碳觀測網(wǎng)絡(luò)的中國設(shè)備。