Summary

校准被动采样 - NH多情节场测量<sub> 3</sub>与动态管法和被动采样的组合排放

Published: March 21, 2016
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Summary

氨氮排放量是由水体富营养化,土壤酸化和细颗粒形成环境的主要威胁,主要源于农业源。这种方法允许氨损耗测量中复制田间试验使排放量和作物生长和排放之间的关系进行统计分析。

Abstract

农业氨(NH 3)的排放量(90%欧盟总排放量)负责约45%的水体富营养化空降,31%土壤酸化和12%的罚款 ​​粉尘形成欧盟15国之内。但是NH 3排放也意味着营养物质相当大的损失。从有机和无机肥施用对NH 3排放许多研究近几十年来被执行。然而,3排放后申请化肥与NH研究尤其是仍局限于相对关系来排放,化肥类型,场地条件和作物生长。由于作物对治疗的可变响应,效果只能在实验设计包括用于统计检验字段复制验证。占主导地位的氨的减肥方法产生的排放量需要大的场区,昂贵的设备或电流供应,限制在重复田间试验他们的应用。该公关otocol描述NH测量新方法的许多情节联的所有地块使用一个简单的半定量测量方法,通过使用选定的地块两种方法同时测量定量的方法3排放。作为半定量测定方法被用于被动采样。第二种方法是一种动态室方法(动态管法),得到转印商数,它转换被动采样器的半定量损失到定量的损失(公斤氮气公顷-1)。这种方法的基本原理是,放置在一个均匀的试验田被动采样具有相同的环境条件下相同 NH 3的吸收行为。因此,转移合作效率,从单一的被动采样获得可用于规模在同一个现场试验中使用的所有被动采样值。该方法在大范围的实验条件下被证明有效并建议裸露的土壤或小檐(<0.3米)的条件下使用。与较高的植物,从实验中得到的结果应该更慎重对待。

Introduction

氨(NH 3)是从在欧盟农业源发射的唯一大气微量气体主要(90%)。虽然农业也是一个主要来源(>欧盟排放的50%),这些既有助于一下〜5%的总EU15人为温室气体排放量。与此相反,农业的NH 3排放负责大约45%的排放衍生富营养化,欧盟15 1内酸化和12%的细粉尘形成的31%。除了 ​​不利影响生态系统和人类健康,通过NH 3排放氮(N)的损失是经济损失给农民2。氮肥是一种通过现代农业提供食品生产率高的关键。除了 ​​对环境的损害,NH 3排放,因此,意味着营养素相当大的损失,作为NH 3从肥料铵衍生,除硝化密钥矿物氮物种直接利用能治作物生长过程和产量的工厂。氮肥应用的贡献20-80十亿€每年的利润为欧盟农民,但反过来,据估计,NH 3从农业释放到空气中造成〜年度损坏50个十亿€欧盟3。因此,还原的NH 3排放的是必不可少的既降低对环境的影响,并增加施加N的效率

在农业方面,NH 3主要发出动物的房子,粪便(泥浆,厌氧digestates(AD),固体肥料)的存储和管理,以及肥料领域的应用。的倾向发出NH 3的不同取决于粪便成分, 干物质含量和肥料的pH值。基于合成氮肥如尿素,磷酸二铵一定程度铵和胺也有助于NH 3排放。虽然钙质硝酸铵(CAN)是主要的氮肥在许多欧洲国家,使用大颗粒尿素的增加,并且是第二次在中欧和西欧CAN于2012年4尿素是在发展中国家尤为流行,由于高N含量的优势,安全,运输方便,是世界上最重要的合成氮肥5。然而,pH值和表层土壤NH 4 +尿素水解产生-concentrations的增加可导致高NH 3排放。这会导致低氮利用效率,尤其是在碱性土壤或土壤具有低吸附能力,这限制了在欧洲6,7-使用尿素肥料。

从有机和无机肥和牲畜外壳上NH 3排放许多研究近几十年来6,8。然而,相关的研究NH氨emitt的申请后3排放已执行ING化肥仍然是有限的。这特别适用于氨的排放量,使用肥料类型,场地条件和作物生长之间的关系。在理想情况下,这需要重复的田间试验中,由于作物对只能在一个实验设计包括用于统计检验字段复制进行验证处理的可变响应。

氨损 ​​失,因此应该还复制多情节的现场试验9确定,但占主导地位的氨的减肥方法产生的量化的排放( 公斤N /(公顷* H))需要大的场区(微气象方法),昂贵的设备(风洞),或者在场的电力供给这使得它们在重复的田间试验中应用困难或不可能。此外,风洞的特定设置而受到批评相对于得到的发光值10的精确度。因此,存在为强烈需要2N氨损失的方法来确定在重复的田间试验中氨氮排放量。这种方法可以用来帮助提高农业的措施,以减少基础上,场地条件,施肥种类,使用方法和作物生长统计学验证效果氨氮排放量。

新方法的基本思想,校准被动采样,是提供一种用于测量在许多小区通过同时测量结果与上几个重复这两种方法链接的简单的半定量测量方法中,用一个定量的方法。相比,在原始出版物11中的设计修改被动采样用作半定量测量方法。动态管法(DTM)12,一个校准动态室法中,采用以获得传递系数,它转换被动取样定量损失的半定量的损失(千克氮公顷-1)。由于在腔室中的低的空气交换率从DTM获得系统未校准的排放量要比真正的排放量低约一个数量级。不过,这个问题是由校准方程,校正该室通量取决于原位风力条件13克服。当腔室具有相同的内部顶空体积和设计中的那些校准试验中使用这些校准方程只能应用。腔室可以直接插在土壤或放置在土壤环。后者防止土壤过度干扰,并允许在密集的草皮或压实土几乎密不透风引进室。此外,待测试肥料的确切量可以在土壤环内施加。然而,在土壤环土壤土块也可以意味着在腔和土壤环之间的夹紧。

图1
图1:同时measuremeNT与被动采样,并在田间室法(DTM)。被动采样位于方密谋0.15米以上土壤/冠层的中心。与DTM测量是根据测量日期剧情内进行至少2个位置。专门用于收割面积不应室和被动采样测量操作的影响。

来导出传递系数测量在这两种方法的少数地块同时进行( 图1)。重要的是,它们都具有相同的总测量持续时间应用,该测量是在同一时间进行的(1小时内)。原则促进许多重复的转移系数的应用是基于这样的事实,被动采样器放置在一个均匀的试验田,以适当的距离到障碍物干扰风场作为树篱,建筑物等。(至少10倍,理想地20 obstac次乐高)14,具有相同的环境条件下同一NH 3吸收行为。因此,例如,在一个情节低50%的发射将直接由一个取样溶液转化为减少50%的氨的吸收。因此,用于酸阱值的比例在单个情节的转移系数可用于按比例在相同的现场试验所用的所有酸的陷阱的值。由于对被动采样11的氨吸收效率变化的环境条件(温度,风速,表面粗糙度)效应的传递系数具有分别以导出针对每个测量活动。

采用这两种方法的一般特征和要求的田间试验设计包括4个放置在由波纹管泵(DTM),被动采样和大型二次试验田大缓冲与聚四氟​​乙烯(PTFE)油管相连,通风的土壤动态室对于空间热度庆安NH 3漂移地块之间的发射测量实际情节的影响。

被动采样填充用稀硫酸(0.05 MH 2 SO 4)并放置在图的中心。在被动采样溶液不断吸收氨,并根据排放的预期强度定期更换。同时,NH 3通量与在两个处理区的DTM和在时间的特定时间点的控制积测量。相反,风洞,这两种方法组合在校准被动采样只对土壤湿度,土壤温度和降雨非常有限的影响,从而影响氨气排放的损失非常强烈6,8。虽然被动采样是在这些变量上面装土壤,植被表面0.15米,无任何影响,与DTM室测量最后只剩下约5分钟减少潜在室效应降至最低。 </p>

在取样溶液 NH 4 +浓度精确的结果可以通过与铵敏感电极测量来获得。用连续流自动分析仪的测量可能是有问题如在这些仪器可以通过所使用的取样溶液和化学品的酸性pH通过阻碍施加pH敏感色反应需要修改。在通过DTM的室系统通过空气NH 3浓度瞬间带指示灯管测量。测得的NH 3浓度记录每次测量后数据表。

对于DTM,NH 3通量(毫克N /(平方米* h))进行从测量 NH 3浓度,并通过四腔系统中的空气流率和由腔室(式1,段落2.5.1)所覆盖的面积来计算。由此产生的未校准通量(这低估了真正的排放量)被调整为亏损定量用校准方程(方程2和3,请参见第2.5.1)。 DTM中的缩放累积 NH 3损失(公斤/公顷)由平均两个后续测量日期之间的磁通量,此平均流量与每个间隔的持续时间相乘,并从测量的所有测量间隔加入式的所有损失计算运动。从被动采样累积定性NH 3负(ppm的总和)由累加在试验活动中的一个情节收集NH 4 + -concentrations(PPM)计算。这是可行的,因为在相同的体积和温度测量,PPM值直接转化为捕获的氨。缩放这些定性损失定量损失传递系数(公斤/(公顷* ppm的))由与所述DTM的累积最终损失衍生(千克氮公顷-1),以在该取样器的浓度的总和所测量的同样的地块。然后,该传热系数用吨Ø通过累积浓度与传热系数乘以转换被动采样量化通量( 千克/公顷)半定量排放。

通过蒸发的水损失从收集器不影响吸收能力但在以后进行数据分析进行校正。由于在强风的蔓延的解决方案还没有被观察到,即使在德国北部的沿海沼泽地。决定性这种方法的成功应用在包括地块内同一位置和布局的高度领域应用的所有被动采样的相同的设计。被动采样的几种设计在过去得到了成功应用。本文认为这已被证明可靠,易于现场测量操作一个特殊的设计。所提出的方法已经通过比较标准的氨损失的方法(微气象方法)在约15 FIEL广泛的测试Ð试验确认程序15,16的定量有效性和排放动态17一个不带偏见的代表性。相比于校准研究13微气象测量校准通量测定(R 2)的系数为0.84,非常类似于在最近的一项研究比较18对测得的大气氨的浓度氨气传感器获得的系数。累计损失氨氮相对根均方误差为17%,也相当接近在比较微气象测量13其它研究得出的值。在所提出的方法相比,从有机浆料氨气排放(5个独立试验),0.96(曲线的斜率≈1)和5%的相对根均方误差的R 2的微气象测量所述第二验证得到最终累积氨氮排放量15。该方法已被证明在敏感使用不同的合成氮肥19 3年田间试验。这种方法的应用受到限制,以平均风速≤4米/秒以2米的高度作为该室方法只有那些条件13,15,16下验证。

一个测量活动被定义为一个实验测试氨氮排放量在几个地块持续​​数天,长达数周施肥后。在一块土地上的每个测量活动是由若干后续采样间隔(被动采样)或测量日期(DTM)的。采样间隔被定义为通过一个取样溶液中释放氨的吸光度的顺序持续时间。测量日期被定义为在时间顺序点在该DTM测量在用于推导传递系数不同重复进行。

Protocol

1.实验设计和一般操作说明使用比较大的地块(12米×12米或9米×9米)相比,通常是在重复的田间试验中施加的尺寸( 例如 3米×8米),以避免对氨排放肥料分布不均( 图2)的效果。使用平方积的形状,以避免由取样风向氨摄取移位的效果。通过保持小区间1地块大小的缓冲区从一个阴谋,对方可以接受的程度降低NH 3的漂移。 <p class="jove_content" fo:keep-toget…

Representative Results

在2014年,田间试验成立于丹麦用于测试的几种方法的效果,减少牛的申请后,氨氮排放中心浆:公司成立有旋耕机,酸化泥浆和封闭槽注射剂(注射液浆掺入土壤与随后覆盖用土)。作为具有高发射应用技术,特别是对浆料的室方法线索软管应用的正确应用的比较也被包括在内。共有24地块被列入这项研究。牛浆液在80公斤NH 4 + -N /公顷的比率施用。 …

Discussion

结果表明,该方法可以用来比较不同施肥处理氨氮排放量在重复田间试验,并利用从这些测量得到的统计显著信息,提高氮肥的管理。通过这种方法获得的排放量已经在早期的研究与微气象测量13,15,16验证的比较。在本文中,这种方法的有效性定量测量所氨氮排放量和吸氮量之间有密切的线性关系,间接证明。因此,该方法可以被认为是适用于的农艺相关氮损失的氨排放的测定。这种…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

笔者感谢马可Roelcke博士,德克Niekisch博士罗伯特博士Quakernack,康妮博士他们在开发和这种方法的进一步发力。非常感谢也给现场技术人员多丽丝Ziermann和杨君。底层的调查是由德意志研究联合会,俄罗斯联邦国家的Schleswig Holstein,欧盟和SKW Piesteritz CORP的EFRE资助。如在引用的出版物中详细说明。

Materials

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

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check_url/it/53273?article_type=t

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Citazione di questo articolo
Pacholski, A. Calibrated Passive Sampling – Multi-plot Field Measurements of NH3 Emissions with a Combination of Dynamic Tube Method and Passive Samplers. J. Vis. Exp. (109), e53273, doi:10.3791/53273 (2016).

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