Ammoniakk-utslipp er en stor trussel mot miljøet ved eutrofiering, jord forsuring og fine partikkeldannelse og stammer hovedsakelig fra landbruket kilder. Denne metoden gjør ammoniakk tapsmålinger i replikert feltforsøk muliggjør statistisk analyse av utslipp og av relasjoner mellom avling utvikling og utslipp.
Agricultural ammoniakk (NH 3) utslipp (90% av totale utslipp i EU) er ansvarlig for omtrent 45% luftbårne eutrofiering, 31% jord forsuring og 12% fin støvdannelse i EU15. Men NH 3-utslipp også bety et betydelig tap av næringsstoffer. Mange studier om NH 3-utslipp fra organisk og mineralgjødsel søknad har blitt utført de siste tiårene. Likevel er forskning knyttet til NH 3-utslipp etter søknad gjødsel fortsatt begrenset, særlig med hensyn til relasjoner til utslipp, gjødseltypen, stedet og avlingene. På grunn av den variable respons av avlinger til behandling, kan effekter bare valideres i eksperimentelle design inkludert feltet replikering for statistisk testing. De dominerende ammoniakk tap metoder som ga kvantitative utslipp krever store feltområder, dyrt utstyr eller strømforsyningen, noe som begrenser deres anvendelse i replikert feltforsøk. dette protocol beskriver en ny metode for måling av NH 3-utslipp på mange plott som knytter en enkel semi-kvantitative målemetode som brukes i alle plott, med en kvantitativ metode ved samtidige målinger ved hjelp av begge metoder på utvalgte plott. Som en semi-kvantitativ måling metode passive prøvetakere er brukt. Den andre metoden er en dynamisk kammer metode (Dynamic Tube metode) for å oppnå en overføring kvotient, som omformer de semi-kvantitative tap av den passive sampler kvantitative tap (kg nitrogen ha -1). Prinsippet for denne løsning er at passive prøvetakere plassert i et homogent eksperimentelle feltet har den samme NH3 absorpsjon oppførsel under identiske forhold i omgivelsene. Derfor kan en overføring co-effektiv innhentet fra enkelt passive prøvetakere brukes til å skalere verdiene av alle passive prøvetakere som benyttes i samme feltforsøk. Fremgangsmåten viste seg å være gyldige under et bredt spekter av eksperimentelle betingelser, og er anbefalt åbrukes under forhold med nakne jord eller små kalesjer (<0,3 m). Resultatene fra forsøkene med høyere planter bør behandles mer forsiktig.
Ammoniakk (NH3) er den eneste atmosfæriske spor gass overveiende (90%) som sendes ut fra landbruket kilder i EU. Selv om landbruket er også en viktig kilde (> 50% av EUs utslipp), disse bidrar bare til ca ~ 5% til totalt menneskeskapte klimagassutslipp EU15. I kontrast, landbruks NH 3-utslipp er ansvarlig for ca 45% av utslipps avledet eutrofiering, 31% av forsuring og 12% fin støvutvikling innenfor EU15 en. I tillegg til skadelige effekter på økosystemer og menneskers helse, nitrogen (N) tap av NH3-utslipp er et økonomisk tap for bønder 2. Nitrogengjødsel er avgjørende for den høye frekvensen av matproduksjonen levert av moderne landbruk. Bortsett fra de miljøskader, NH 3 utslipp således bety et betydelig tap av næringsstoffer, som NH3 er avledet fra gjødsel ammonium, i tillegg til nitrat nøkkel mineral nitrogenforbindelser direkte benyttestand til anlegget styrende avling vekstprosesser og yield. Anvendelse av N gjødsel bidrar € 20-80 milliarder av resultat per år for EU-bønder, men igjen ble det anslått at NH 3 slippes ut i luft fra jordbruket fører til ~ € 50 milliarder kroner i årlig skade i EU tre. Derfor er vesentlig reduksjon av NH 3-utslipp for både redusere de miljømessige virkningene og øke effektiviteten av det tilførte N.
I landbruket er NH 3 hovedsak slippes ut fra dyre hus, gjødsel (slam, anaerobe digestates (AD), fast husdyrgjødsel) lagring og ledelse samt gjødsel feltet søknad. Tilbøyelighet til å avgi NH 3 er forskjellig avhengig av husdyrgjødsel sammensetning, f.eks tørrstoffinnhold og gjødsel pH. Til en viss grad ammonium og aminbasert syntetisk nitrogengjødsel som urea og diammoniumfosfat også bidra til NH 3-utslipp. Selv kalkrik ammoniumnitrat (CAN) Er den viktigste N gjødsel i mange europeiske land, har bruken av granulert urea økte, og var uten CAN i Sentral- og Vest-Europa i 2012 4. Urea er spesielt populært i utviklingsland på grunn av dens fordeler av et høyt N-innhold, sikkerhet og enkel transport og er verdens viktigste syntetisk nitrogengjødsel 5. Imidlertid kan økningen av pH-verdien og overflatejord NH 4 + -concentrations som følge av hydrolyse av urea kan resultere i høye NH 3 utslipp. Dette kan føre til lav N bruk effektivitet, særlig i alkalisk jord eller jord med lav sorpsjonskapasitet, noe som begrenser bruken av urea gjødsel i Europa 6,7.
Mange studier om NH 3-utslipp fra organisk og mineralgjødsel søknad og husdyr bolig er utført de siste tiårene 6, 8. Likevel forskningen knyttet til NH 3-utslipp etter påføring av ammoniakk emitterendeing gjødsel er fortsatt begrenset. Dette spesielt gjelder forholdet mellom ammoniakkutslipp, gjødseltypen som brukes, stedet og plantevekst. Under ideelle forhold krever dette replikerte feltforsøk på grunn av den variable respons av avlinger på behandlinger som bare kan bli validert i en eksperimentell design inkluderer felt replikasjon for statistisk testing.
Ammoniakk tap bør derfor også fastsettes i replikert multiplottfeltforsøk 9, men de dominerende ammoniakk tap metoder som gir kvantitative utslipp (dvs. kg N / (ha * h)) krever store feltområder (micrometeorological metoder), dyrt utstyr (vindtunneler ) eller i felt elektrisk kraftforsyning som gjør deres anvendelse i replikerte feltforsøk vanskelig eller umulig. I tillegg er spesifikke innstillinger av vindtunneler blitt kritisert med hensyn til nøyaktigheten av oppnådde utslippsverdier 10. Derfor er det et sterkt behov for enn ammoniakktapet metode for å bestemme ammoniakkutslipp i replikert feltforsøk. Denne metoden kan brukes til å forbedre landbruks tiltak for å redusere utslipp av ammoniakk basert på statistisk validerte effekter av stedet, gjødseltypen, påføringsmetoder og planteutvikling.
Den grunnleggende ideen av den nye metodikk, kalibrert passiv prøvetaking, er å koble en enkel semi-kvantitative målemetode for måling av mange tomter, med en kvantitativ metode ved samtidige målinger med begge metoder på noen få plott. Passive prøvetakere modifisert i forhold til utformingen i originalens 11 blir brukt som en semi-kvantitativ målemetode. Den dynamiske Tube-metoden (DTM) 12, en kalibrert dynamisk kammer fremgangsmåten blir anvendt for å oppnå en overføring koeffisient, som omformer de semi-kvantitative tap av den passive sampler til kvantitative tap (kg N hektar -1). På grunn av den lave luft valutakursen i kammeretsystem ukalibrerte utslipp hentet fra DTM er omtrent en størrelsesorden lavere enn de reelle utslippene. Men dette problemet ble overmannet av en kalibrerings ligningen som korrigerer kammer flukser avhengig av in-situ vindforhold 13. Disse kalibrerings ligninger bare kan anvendes når kamrene har samme indre topprommet volum og utforming som de som brukes i kalibreringsforsøk. Chambers kan være direkte inn i jord eller plassert på jord ringer. Sistnevnte forhindre overdreven forstyrrelse av jord og tillater en nesten lufttett innføring av kamrene på tette gress swards eller komprimert jord. Dessuten kan den nøyaktige mengden gjødsel som skal testes skal brukes inne i jord ringer. Imidlertid kan jordklumpene på jord ringene også medføre klemming mellom kammeret og jord ringen.
Figur 1: Samtidig måling avnt med passive prøvetakere og kammermetode (DTM) i feltet tomt. Passiv sampler ligger i sentrum av en firkantet tomt 0,15 m over jord / baldakin. Målinger med DTM er gjort minst 2 steder innenfor en tomt per måletidspunktet. Områder dedikert for innhøsting bør ikke bli påvirket av kammer og passiv sampler måleoperasjoner.
For å utlede overførings koeffisienter målinger utføres samtidig på et lite antall av plott med begge metoder (figur 1). Det er viktig at de anvendes med de samme totale måle varighet og at målingene utføres på samme tid (innen 1 time). Prinsippet lette anvendelsen av et overgangstallet for mange tomter er basert på det faktum at passive prøvetakere plasseres i et homogent eksperimentelle feltet, med passende avstand for å hindre forstyrrende vindfeltet som hekker, bygninger etc. (minst 10 ganger, helst 20 tider obstacle høyde) 14, har den samme NH3 absorpsjon oppførsel under identiske forhold i omgivelsene. Så, for eksempel, 50% lavere utslipp på en tomt vil direkte oversette til 50% redusert opptak av ammoniakk med en sampler løsning. Derfor kan en overgangstall brukt for skalering av syre felle verdier på et enkelt tomt brukes til å skalere verdiene av alle syre feller benyttes i den samme feltforsøk. På grunn av virkningene av varierende miljøforhold (temperatur, vindstyrke, overflateruhet) på ammoniakk opptak effektiviteten av passive prøvetakere 11 overføring koeffisient må utledes for hver måling kampanje, henholdsvis.
De generelle trekk ved de to metodene brukt og ønsket utforming av feltforsøk består av 4 dynamiske kamre plasseres på jord koblet med polytetrafluoretylen (PTFE) tubing og ventilert med en belg pumpe (DTM), passive prøvetakere og store kvadratiske eksperimentelle tomter med stor buffer plasser for redusere effekten av NH 3 drift mellom tomter på utslippsmåling på selve tomten.
De passive prøvetakere er fylt med fortynnet svovelsyre (0,05 MH 2 SO 4) og er plassert i midten av flatene. Løsningen i de passive prøvetakere absorberer kontinuerlig ammoniakk, og blir erstattet regelmessig avhengig av den forventede intensiteten av utslippene. Samtidig er NH 3 flukser målt med DTM på to behandlings plott og en kontrollflekk på bestemte punkter i tid. I motsetning til vindtunneler, begge metodene kombinert i kalibrert passiv prøvetaking har bare svært begrensede effekter på jordfuktighet, jordtemperatur og nedbør som kan påvirke ammoniakkutslipp tap veldig sterkt 6,8. Mens passive prøvetakere er montert 0,15 m over jordoverflaten og baldakin, uten noen effekt på disse variablene, målinger med DTM kamre siste bare i omtrent 5 min og reduserer potensielle kammer virkninger til et minimum. </p>
Nøyaktige resultater for NH 4 + konsentrasjoner i prøveløsningen kan oppnås ved målinger med ammonium-sensitive elektroder. Målinger med kontinuerlig strømning Auto analysatorer kan være problematisk som pH sensitive farge reaksjon anvendt i disse instrumentene kan ved hemmet av den sure pH i prøveløsningen og kjemikalier som brukes kreve modifikasjon. NH3 konsentrasjoner i luften ført gjennom kammersystemet i DTM blir momentant målt med indikatorrørene. De målte NH 3 konsentrasjoner er spilt inn på et datablad etter hver måling.
For DTM, er NH 3 fluks (mg N / (m² * h)) beregnet fra målte NH 3 konsentrasjoner og luftmengde gjennom fire kammersystemet og området dekket av kamrene (Eq. 1, avsnitt 2.5.1). De resulterende un-kalibrert fluks (som undervurderer den sanne utslipp) er skalert til kvantitative tapmed en kalibrerings ligning (Eq. 2 og 3, se avsnitt 2.5.1). Skalert kumulative NH 3 tap (kg N / ha) av DTM beregnes ved å ta gjennomsnittet fluksene mellom to påfølgende måle datoer, multiplisere dette gjennomsnittlig fluks med varigheten av hvert intervall, og legge opp alle tapene fra alle måle intervaller på en måling kampanje. Akkumulert kvalitative NH 3 tap (ppm sum) fra passive prøvetakere er beregnet ved å legge opp innsamlede NH 4 + -concentrations (ppm) på en tomt innenfor en eksperimentell kampanje. Dette er mulig fordi under identiske volum og måletemperaturer, ppm verdier direkte oversette til fangede mengder ammoniakk. For å skalere disse kvalitative underskudd til kvantitative tap overføring koeffisient (kg N / (ha * ppm)) er avledet av om kumulative endelige tap av DTM (kg N ha -1) til den totale summen av konsentrasjoner i samplere målt på samme plott. Denne overføring koeffisienten blir så brukt to konvertere semi-kvantitative utslipp fra passiv prøvetaking til kvantitative fluks (f.eks kg N / ha) ved å multiplisere de kumulative konsentrasjonene med overføring koeffisient.
Tap av vann fra samlere ved fordampning påvirker ikke absorpsjonskapasiteten men må korrigeres senere for dataanalyse. Spilling av løsningen på grunn under sterk vind har ikke blitt observert selv i de kystnære myrer i Nord-Tyskland. Avgjørende for en vellykket bruk av denne tilnærmingen er identisk design av alle passive prøvetakere som benyttes i felten, inkludert identisk posisjon og høyde på plassering i et plott. Flere design av passive prøvetakere har blitt brukt i det siste. Denne artikkelen foreslår en spesiell design som har vist seg pålitelig og lett å operere i feltmålinger. Den presenterte tilnærmingen har blitt grundig testet i forhold til standard ammoniakk tap metoder (micrometeorological metoder) i ca 15 field studier bekrefter den kvantitative gyldigheten av prosedyren 15,16 og en objektiv fremstilling av utslipps dynamikk 17. Koeffisienten (Ri) av kalibrerte flukser sammenlignet med micrometeorological målinger i kalibrerings studien 13 var 0,84, ganske lik koeffisienten beregnet ved å sammen ammoniakk sensorer for målt atmosfæriske ammoniakk konsentrasjoner i en fersk undersøkelse 18. Den relative rot-middel-kvadrat feilen kumulative ammoniakk tap var 17%, også ganske nær verdier oppnådd i andre studier som sammenligner micrometeorological målinger 13. I det andre validering der foreslåtte fremgangsmåte ble sammenlignet med micrometeorological måling av ammoniakkutslipp fra organiske oppslemminger (5 separate forsøk), en Ri på 0,96 (helningen av kurven ≈ 1) og en relativ rot-middel-kvadrat feil på 5% ble oppnådd for endelig kumulerte ammoniakkutslipp 15. Metoden har vist seg å være følsom3 års feltforsøk ved hjelp av forskjellige syntetiske N gjødsel 19. Anvendelsen av denne tilnærmingen er begrenset til gjennomsnittlig vindstyrke ≤4 m / sek på 2 m høyde som kammermetode ble bare validerte under slike forhold 13,15,16.
En måling kampanje er definert som et eksperiment teste utslipp av ammoniakk etter påføring av gjødsel på flere tomter som varer i flere dager, opptil uker. Hver måling kampanje på en tomt består av flere påfølgende samplingsintervaller (passiv sampler) eller måle datoer (DTM). Samplingsintervall er definert som sekvensiell varighet av absorpsjon av ammoniakk som sendes ut ved en samplings løsning. Måletidspunktet er definert som sekvensiell tidspunkt hvor DTM målingene er gjort på ulike tomter som brukes for å utlede overføringen koeffisient.
Det ble vist at den foreslåtte fremgangsmåte kan brukes til å sammenligne ammoniakkutslipp fra forskjellige gjødsel behandlinger i replikert feltforsøk og for å bruke den oppnådde statistisk signifikant informasjon fra disse målinger for å forbedre styringen av N-gjødsel. Mengden av utslipp oppnås ved denne tilnærmingen er validert i tidligere studier ved sammenligning med micrometeorological målinger 13,15,16. I denne utredningen, ble den kvantitative gyldigheten av denne tilnærmingen ind…
The authors have nothing to disclose.
Forfatteren er takknemlig for Dr. Marco Roelcke, Dr. Dirk Niekisch, Dr. Robert Quakernack, Dr. Kang Ni for deres innsats i å utvikle og videreutvikling av denne tilnærmingen. Mange takk også til feltteknikere Doris Ziermann og Jun Yang. De underliggende undersøkelser ble støttet av Deutsche Forschungsgemeinschaft, Federal State Schleswig Holstein, EFRE tilskudd i Den europeiske union og SKW Piesteritz corp. som angitt i detalj i de siterte publikasjonene.
stainless steel Dräger chamber + soil rings | Fa. Hofmann GmbH, Metallindustriewerk, Kiel, Germany | no number | |
roofs and stainless steel rod for passive sampler | Fa. Hofmann GmbH, Metallindustriewerk, Kiel, Germany | no number | |
ammonia electrode + bench | Thermo scientific | Cat. No. 9512BNWP or 951201 | |
ammonia electrode filling solution | Thermo scientific | Cat. No. 951202 | |
Ammonia calibration standards; 0.1 M ammonia chloride standard | Thermo scientific | Cat. No. 951006 | |
Dräger pumps | Draeger Safety AG& Co Kg | ||
Dräger tubes | Draeger Safety AG& Co Kg | types: 0.25/a; 2/a; 5/a | |
acid resistant passive sampling bottles (Azlon bottle, HDPE) | Dunn Labortechnik GmbH | Cat.No.: BGE230P | |
small vials (scintilation bottles PE 60 mm X 27 mm) | any laboratory store | ||
PTFE tubing 7 mm x 1 mm WDG | any laboratory store | ||
connectors PP Y-Form 6-7 mm | any laboratory store |