應(yīng)用案例

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Picarro G2103(應(yīng)用G2103與G2509對(duì)不同施肥方式下氨氣排放通量室優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究)

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  文章鏈接:https://amt.copernicus.org/preprints/amt-2023-212/amt-2023-212.pdf



前言



田間施用的漿料畜便(Slurry)是氨氣(NH3)排放的重要來源,通常有害于環(huán)境和人類健康。為了評(píng)估緩解方案,需要可靠的效果測量。本研究提出一種新的具有高時(shí)間分辨率在線測量的動(dòng)態(tài)通量室,新的測量系統(tǒng)有助于在手動(dòng)和農(nóng)場規(guī)模的漿料畜便施用后以相對(duì)較高的精度重復(fù)進(jìn)行 NH排放測量。


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01

研究目標(biāo)

本研究的目的是開發(fā)一種新的動(dòng)態(tài)通量室(Dynamic Flux Chambers, DFC)系統(tǒng),用于測量農(nóng)場規(guī)模機(jī)械施用液態(tài)動(dòng)物糞便(slurry)后的氨(NH3)排放。研究還評(píng)估了不同施肥方法(手動(dòng)、實(shí)驗(yàn)性噴霧器、商業(yè)噴霧器)中氨氣排放的變異性,并與逆向拉格朗日隨機(jī)模型(bLS)的測量結(jié)果進(jìn)行比較。


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02

研究方法

研究在三個(gè)田間試驗(yàn)(Trial A、Trial B、Trial C)展開,簡要說明情況如下:


Trial A

施肥技術(shù):使用手持設(shè)備施肥。

測量方法:動(dòng)態(tài)通量室(DFC)和風(fēng)洞(WT)。

試驗(yàn)說明:在一個(gè)地塊上使用9個(gè)DFC和3個(gè)WT,每個(gè)測量單元都有背景測量點(diǎn)。與早期設(shè)計(jì)的風(fēng)洞進(jìn)行比較,評(píng)估新DFC系統(tǒng)的性能。


Trial B

施肥技術(shù):使用30米長的商業(yè)肥料噴霧臂(30-m boom)。

測量方法:動(dòng)態(tài)通量室DFC和逆向拉格朗日隨機(jī)模型(bLS)。

試驗(yàn)布局: 100m2地塊上使用8個(gè)DFC,并在地塊內(nèi)外設(shè)置了bLS測量點(diǎn)。評(píng)估30米噴霧臂施肥對(duì)氨排放的影響,并與DFC測量結(jié)果進(jìn)行比較。


Trial C

施肥技術(shù):使用3米長的實(shí)驗(yàn)性肥料噴霧臂。

測量方法:動(dòng)態(tài)通量室DFC和逆向拉格朗日隨機(jī)模型(bLS)。

試驗(yàn)布局:分別在56 m2和47 m2的地塊上使用6個(gè)和7個(gè)DFC進(jìn)行施肥和注射施肥的測量,并在每個(gè)地塊內(nèi)及上風(fēng)向位置設(shè)置了bLS測量點(diǎn)。比較兩種施肥方法對(duì)氨排放的影響,并與DFC和bLS測量結(jié)果進(jìn)行比較。


這三個(gè)試驗(yàn)的目的是評(píng)估不同施肥技術(shù)對(duì)氨排放的影響,并比較DFC和bLS兩種測量方法的準(zhǔn)確性和可靠性。


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03

Picarro儀器的使用與數(shù)據(jù)說明

1.在三個(gè)田間試驗(yàn)中,Picarro G2103被用于DFC和風(fēng)洞( WT)測量,空氣被抽取到一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥,測量周期為8分鐘,試驗(yàn)A每144分鐘產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(9個(gè)DFC具有3個(gè)背景,3個(gè)WT具有3個(gè)背景,共18個(gè)測量),試驗(yàn)B每88分鐘產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)點(diǎn)(8個(gè)DFC和3個(gè)背景,共11個(gè)測量),試驗(yàn)C每80分鐘產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)點(diǎn)(每個(gè)應(yīng)用方法7個(gè)DFC,3個(gè)背景,共10個(gè)測量)。


2.在bLS模型測量中,使用了3臺(tái)Picarro G2509 CRDS測量上風(fēng)向和下風(fēng)向的NH3濃度。儀器使用的說明如下:


a.測量穩(wěn)定性:在施用消化液前,這三臺(tái)儀器測量的氨濃度在9.5小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定,這意味著在施肥前,田間的氨背景濃度沒有顯著變化。

b.儀器間的偏差:盡管測量結(jié)果穩(wěn)定,但三臺(tái)儀器之間存在小的偏差(offset)。這可能是由于儀器校準(zhǔn)、傳感器靈敏度或環(huán)境條件等因素造成的。

c.背景濃度:在施肥前,三臺(tái)儀器測量的平均背景濃度分別為:

1)注射施肥地塊(injection plot)的儀器:1.920 ± 0.06 μg NH3 m-3

2)噴霧臂施肥地塊(trailing hose plot)的儀器:0.273 ± 0.03 μg NH3 m-3

3)背景測量的儀器:0.824 ± 0.11 μg NH3 m-3

d.校正:為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)于注射地塊和尾隨式施肥地塊的儀器,分別進(jìn)行了校正。校正的重要性:盡管儀器間的偏差很小,但考慮到背景濃度與施肥地塊的濃度差異不大,如果不進(jìn)行校正,這些小的偏差可能會(huì)影響注射地塊的氨通量(flux)測量結(jié)果。


3.數(shù)據(jù)說明:

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a.氨排放速率(NH3是TAN總氨態(tài)氮的一部分):通過噴霧臂施肥或注射施肥后,用動(dòng)態(tài)通量室(DFC)、風(fēng)洞(WT)或后向拉格朗日隨機(jī)模型(bLS)的測量,可以直觀地比較不同測量方法和施肥技術(shù)對(duì)氨排放的影響。

b.展示DFC、WT和bLS三種不同測量方法的結(jié)果,有助于確定在不同施肥條件下更適合評(píng)估氨排放的方法。

c.幫助研究者評(píng)估不同施肥技術(shù)對(duì)減少氨排放的潛在效果。

d.直觀地展示研究結(jié)果,支持注射施肥相比傳統(tǒng)的噴霧施肥技術(shù)可以顯著減少氨排放的研究結(jié)論。


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04

總結(jié)

1.動(dòng)態(tài)通量室DFC技術(shù)通過設(shè)計(jì)改進(jìn)、CFD模擬驗(yàn)證、實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析,證明了其在測量氨排放方面的準(zhǔn)確性和可靠性優(yōu)于WT技術(shù)。

2.動(dòng)態(tài)通量室DFC和逆向拉格朗日隨機(jī)模型bLS,這兩種方法都顯示:與噴霧施肥相比,注射施肥方式大幅度降低NH3排放量(DFC 為 89%,bLS 為 97%),新的測量系統(tǒng)有利于對(duì)NH3的排放進(jìn)行測量


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