מכויל דגימה פסיבית - מדידות שדה רבה-עלילה של NH₃ פליטות עם שילוב של שיטת Tube הדינמית דוגמים פסיביים

אמוניה (NH ₃₎ הוא גז עקבות אטמוספרי רק בעיקר (90%) הנפלטת ממקורות חקלאיים במדינות האיחוד האירופי. למרות חקלאות היא גם מקור עיקרי (> 50% מכלל פליטות של איחוד האירופי), אלה תורמים רק לכ ~ 5% לסך הכל של פליטת גזי חממה אנתרופוגניים 15 מדינות חברות הוותיקות. לעומת זאת, פליטה חקלאית ₃ NH אחראי על 45% של eutrophication פליטה נגזר, 31% של החמצה ו -12% היווצרות אבק דק בתוך 15 המדינות החברות הוותיקות ^1. בנוסף השפעות מזיקות על מערכות אקולוגיות ועל בריאות אדם, חנקן (N) פסד מפליטת ₃ NH הוא הפסד כלכלי לחקלאים ^2. דשן חנקן חיוני השיעור הגבוה של ייצור מזון מועבר על ידי החקלאות מודרנית. מלבד הנזק הסביבתי, NH ובכך ₃ פליטות, פירושה אובדן ניכר של חומרים מזינים, כמו NH ₃ נגזר אמוניום דשן, בנוסף חנקתי המין חנקן המינרל הועיל ישירותמסוגל המפעל השולטים בתהליכי צמיחה היבול ואת התשואה. דישון N תורם € 20-80 מיליארד רווח בשנה לחקלאים האיחוד האירופי אבל בתורו הוערך כי NH ₃ שמתפזרים באוויר מחקלאות גורם ~ 50 מיליארד € נזק שנתי של האיחוד האירופי ^3. לכן, הפחתת ₃ פליטת NH חיונית הוא להקטין את ההשפעות הסביבתיות ולהגביר את היעילות של נ מיושם

בחקלאות, NH ₃ נפלט בעיקר מבתים בעלי חיים, זבל (slurries, digestates אנאירובי (AD), זבל מוצק) אחסון וניהול וכן יישום שדה זבל. הנטייה לפלוט NH ₃ שונות תלוי בהרכב זבל, תוכן חומר יבש למשל וזבל pH. במידה מסוימת אמוניום אמין מבוסס דשני חנקן סינטטיים כמו פוספט אוריאת diammonium גם לתרום פליטת ₃ NH. למרות אמוניום חנקתי גיר (CAN) היא דשן המנהלת N במדינות רבות באירופה, גדל השימוש של אוריאה פרטנית, והיה אמור CAN השני באירופה בשנת 2012 ⁴ המרכזית והמערבית. האוריאה היא פופולרית במיוחד במדינות מתפתחות בשל יתרונותיה של תוכן N גבוהה, בטיחות, תחבורה קלה והוא החנקן סינטטי החשוב בעולם דשן ^5. עם זאת, העלייה של אדמת pH משטח NH ₄ ⁺ -concentrations נובע הידרוליזה אוריאה יכולה לגרום פליטות גבוהות NH _3. זה יכול לגרום יעילות שימוש N נמוכות, במיוחד אדמה או אדמת אלקליין עם קיבולת וספיחה נמוכה, אשר מגבילה את השימוש בדשני אוריאה באירופה ^6,7.

מחקרים רבים על פליטת ₃ NH מיישום דשן אורגני ומינרלים ודיור בעלי החיים בוצעו בעשורים האחרונים ^{6, 8.} אף על פי כן, המחקר קשור NH ₃ פליטות לאחר היישום של אמונית emitting דשן עדיין מוגבל. זה בפרט חל על היחסים בין פליטת אמוניה, סוג הדשן המשמש, תנאי שימוש באתר וצמיחה צומחת. בתנאים אידיאליים זה דורש ניסויים בתחום משוכפלים בשל התגובה המשתנה של גידולים לטיפולים אשר ניתן תוקפים רק עיצוב ניסיוני כלל שכפול שדה לבדיקות סטטיסטיות.

הפסדי אמוניה ולכן צריכים גם להיקבע ניסוי שדה רב-עלילה משוכפלת ^9, אבל שיטות אובדן האמוניה שולטות מניב פליטת כמותית (כלומר קילו N / (h * חה)) דורש באזורי שדה גדולים (שיטות micrometeorological), ציוד יקר (מנהרות רוח אספקת החשמל ב-שדה או) ההופכים היישום שלהם ניסוי שדה משוכפל קשה או בלתי אפשרי. בנוסף, הגדרות ספציפיות של מנהרות רוח ספגו ביקורת ביחס למידת הדיוק של ערכי פליטה השיגו ^10. לכן, יש צורך חזק עבורn שיטת אובדן אמוניה לקבוע פליטת אמוניה ניסויית שדה משוכפל. שיטה זו יכולה לשמש כדי לשפר את אמצעי חקלאי להפחתת פליטות אמוניה מבוססת על תופעות תוקף הסטטיסטי של תנאי שימוש באתר, סוג הדשן, שיטות יישום ופיתוח יבול.

הרעיון הבסיסי של מתודולוגיה החדשה, הדגימה פסיבית מכוילת, הוא לקשר שיטה למדידה וכמותיות פשוטה למדידה על מגרשים רבים, עם שיטה כמותית על ידי מדידות בו זמנית עם שני השיטות על כמה חלקות. דוגמים פסיביים השונים לעומת עיצוב הספר שיצאו לאור בעבר ¹¹ משמשים כשיטה למדידה וכמותיות. שיטת Dynamic-Tube (DTM) ^12, שיטה קאמרית דינמית מכוילת, מועסקת להשיג מקדם העברה, אשר ממיר את ההפסדים וכמותיות של סמפלר הפסיבית להפסדים כמותית (קילו N חה ^-1). בשל שער החליפין אוויר נמוך בתאפליטות לא מכוילות מערכת המתקבל DTM הן על סדר גודל אחד נמוך יותר מאשר פליטה אמיתית. עם זאת, בעיה זו נתקפה משוואת כיול מתקנת והנתיבים הקאמריים תלוי in-situ תנאי רוח ^13. משוואות כיול אלו יכולות להיות מיושמות רק כאשר יש תאים באותו נפח ועיצוב אמיצים פנימיים כמו אלו ששמשו בניסויי כיול. צ'יימברס יכול להיות מוזן ישירות באדמה או מונח על טבעות אדמה. האחרון למנוע הפרעה מוגזמת של הקרקע ומאפשר היכרות אטומה כמעט של התאים על swards דשא הצפוף או אדמה דחוסה. יתר על כן, את הסכום המדויק של דשן להיבדק יכול להיות מיושם בתוך הטבעות האדמה. עם זאת, רגבי אדמה על טבעות האדמה יכולים כרוכים גם clamping בין החדר ואת טבעת האדמה.

איור 1: measureme סימולטניNT עם סמפלרים פסיבי ושיטה קאמרית (DTM) במזימת שדה. סמפלר הפסיבי ממוקם במרכז מגרש מרובע 0.15 מ 'מעל הקרקע / חופה. מדידות עם DTM מבוצעות לפחות 2 מקומות בתוך עלילה לכל במועד מדידה. תחומי מוקדש לקציר לא אמורים להיות מושפעים על ידי פעולות קאמריות ומדידת סמפלר פסיבית.

כדי לגזור את מדידות מקדמי ההעברה מתבצעות בו זמנית על מספר קטן של מגרשים עם שני השיטות (איור 1). חשוב שהם מוחלים עם אותו פרק זמן המדידה הכולל וכי מדידות מתבצעות בעת ובעונה אחת (בתוך שעה 1). עיקרון הקלת היישום של מקדם העברת מגרשים רבים מבוסס על העובדה כי דוגמים פסיביים להציב שדה ניסיוני הומוגנית, עם מרחק מתאים מכשולים להפריע בתחום הרוח כגידור, מבנים ועוד (לפחות 10 פעמים, באופן אידיאלי 20 בעתות obstacגובה le) ^14, יש התנהגות הקליטה אותו NH ₃ בתנאים סביבתיים זהים. כך, למשל, 50% פליטה נמוכה על מגרש היה לתרגם ישירות 50% מופחת ספיגת אמוניה ידי פתרון סמפלר. לכן, מקדם העברה משמש קנה מידה של ערכים מלכודת חומצה על מגרש אחד יכול לשמש סולם הערכים של כל מלכודות החומצה להשתמש באותו משפט שדה. בשל תופעות של תנאים סביבתיים שונים (טמפרטורה, מהירות רוח, חספוס פני שטח) על יעילות ספיגה אמוניה של דוגמים פסיביים ¹¹ מקדם ההעברה צריך להיגזר עבור כל מסע פרסום מדידה, בהתאמה.

התכונות הכלליות של שתי שיטות שיושמו התכנון הנדרש של ניסויים בתחום כולל 4 תאים דינמיים מושמים על האדמת קשורה polytetrafluoroethylene (PTFE) צינורות ומאוורר ידי משאבת מפוח (DTM), סמפלרים פסיביים חלקות ניסוי ריבועית גדולות עם מאגר גדול רווחים עבור reducing השפיע להיסחף ₃ NH בין חלקות על מדידת הפליטה על המגרש בפועל.

הדוגמים הפסיביים מלאי חומצה גופרתית מדוללת (0.05 MH ₂ SO ₄₎ ממוקמים במרכז של המגרשים. הפתרון של הדוגמים הפסיביים סופג ברציפות אמוניה, והוא מוחלף באופן קבוע, בהתאם לעוצמת הצפויה של הפליטות. במקביל, ונתיבי ₃ NH נמדדים עם DTM על שני מגרשי טיפול ועלילה מלאה בנקודות ספציפיות בזמן. בניגוד לרוח מנהרות, שתי השיטות משולבות דגימה פסיבית מכוילת יש רק השפעות מאוד מוגבלות על לחות קרקע, טמפרטורת קרקע גשמים אשר יכול להשפיע הפסדי פליטת אמוניה חזקות מאוד ^6,8. בעוד דוגמים פסיבית הם רכובים 0.15 מ 'מעל הקרקע משטח החופה, ללא כל השפעה על משתנים אלה, מדידות עם תאי DTM האחרון רק למשך כ -5 דקות לצמצום ההשפעות קאמרית פוטנציאל למינימום. </p>

תוצאות מדויקות עבור NH ₄ ⁺ ריכוזים בתמיסת הדגימה ניתן להשיג על ידי מדידות עם אלקטרודות אמוניום רגיש. מדידות עם זרימה רציפה מנתחים אוטומטיים יכולות להיות בעייתיות כמו תגובת צבע הרגיש pH מיושמת במכשירים אלה יכולים ידי הקשו על ידי ה- pH חומצי של פתרון דגימת כימיקלים המשמש דורשות שינוי. ריכוזי ₃ NH באוויר עבר דרך המערכת הקאמרית של DTM נמדדים באופן מיידי עם צינורות מחוון. הריכוזים שנמדדו ₃ NH נרשמים על גיליון נתונים לאחר כל מדידה.

לקבלת DTM, ונתיבי ₃ NH (מ"ג N / (h * מ"ר)) מחושבים מריכוזי נמדד NH ₃ וקצב זרימת אוויר דרך המערכה 4 הקאמרית באזור המכוסה על ידי התאים (Eq. 1, סעיף 2.5.1). והנתיבים וכתוצאה מכויל האו"ם (אשר לזלזל פליטה הנכונה) הם מדורגים להפסדים כמוניעם משוואת כיול (Eq. 2 ו -3, ראה סעיף 2.5.1). Scaled נזקים מצטברים ₃ NH (ק"ג N / חה) של DTM מחושבים על ידי חישוב ממוצע והנתיבים בין שני תאריכים המדידה העוקבת, הכפלת השטף הממוצע זה עם משך הזמן של כל מרווח, והוספת-אפ כל ההפסדים מכל במרווחים מדידת מדידה קמפיין. מספר ₃ הפסדים איכותיים NH (סכום ppm) מ דוגמי פסיביות מחושבים על ידי הוספה שנאסף NH ₄ ⁺ -concentrations (ppm) על מגרש בתוך קמפיין ניסיוני. זה אינו ריאלי, כי בטמפרטורות נפח מדידה זהות, ערכי ppm לתרגם ישירות לתוך כמויות בשבי של אמוניה. כדי לשנות את גודל הפסדים איכותיים אלה הפסדים כמותיים מקדמות ההעברה (קילו N / (חה * ppm)) נגזר על ידי הנוגע אובדן סופי המצטבר של DTM (קילו N חה ^-1) לסכום הכולל של ריכוזים של הדוגמים נמדד על מגרש אותו. מקדם העברה זו משמשת ולאחר מכן to להמיר את הפליטות וכמותיות מדגימה פסיבית ונתיבים כמותית (למשל קילו N / חה) על ידי הכפלת הריכוזים המצטברים עם מקדם ההעברה.

אובדן המים מן האספנים באמצעות אידוי אינו משפיע על היכולת הספיגה אבל צריך להיות מתוקן לאחר מכן לניתוח נתונים. הטחת פתרון בשל במהלך רוחות חזקות לא נצפתה גם בביצות החוף של צפון גרמניה. מכריע עבור יישום מוצלח של גישה זו הוא העיצוב הזהה של כל הדוגמים הפסיביים מיושמים בתחום ובכלל זה מצבו וגובה הזהים של מיקום בתוך עלילה. עיצובים כמה דוגמיות פסיבית יושמו בהצלחה בעבר. מאמר זה מציע עיצוב מסוים אחד אשר הוכיח אמין ונוח לתפעול במדידות שדה. הגישה המוצגת נבדקה באופן נרחב על ידי השוואה לשיטות אובדן אמוניה סטנדרטיות (שיטות micrometeorological) בתוך כ -15 fielניסויים ד המאשר את תוקפו כמותי של ההליך ^15,16 ו ייצוג מוטה של הדינמיקה פליטת ^17. המקדם של הנחישות (r²) של ונתיבים מכוילים לעומת מדידות micrometeorological במחקר הכיול ¹³ היה 0.84, די דומה המקדם מתקבל על ידי השוואת חיישני אמוניה לריכוזי אמונית אטמוספרי נמדדו במחקר שנערך לאחרונה ^18. קרוב מש' שגיאת שורש מרובע הממוצעת של הפסדי אמוניה מצטברים הייתה 17%, גם די קרוב ערכים שהתקבלו במחקרים אחרים השוואת מדידות micrometeorological ^13. באימות השנייה שבו השיטה המוצעת הושוותה מדידות micrometeorological של פליטת אמונית slurries האורגני (5 ניסויים נפרדים), גידול r² של 0.96 (שיפוע עקום ≈ 1) וכן טעות יחסית שורש ממוצע רבועה של 5% הושג עבור פליטת אמוניה מצטברת סופית ^15. השיטה הוכיחה רגישהניסוי שטח 3 שנים תוך שימוש בדשנים N סינתטיים שונים ^19. היישום של גישה זו הוא מוגבל רוחות במהירות ממוצעת ≤4 m / sec בגובה 2 מ 'כשיטה הקאמרית קבל תוקף רק בתנאים אלה ^13,15,16.

קמפיין מדידה מוגדר כניסוי בדיקת פליטת אמוניה לאחר דישון בכמה מגרשים שיימשכו כמה ימים, עד שבועות. כל קמפיין מדידה על מגרש מורכב מרווחי דגימה לאחר כמה (סמפלר פסיבית) או תאריכים מדידים (DTM). מרווח דגימה מוגדר משך רציפים של ספיגת אמוניה נפלטת פתרון דגימה. במועד מדידה מוגדר כנקודת רציפים בזמן שבו מדידות DTM מתבצעות על מגרשים שונים המשמשים להפקת מקדם ההעברה.