應(yīng)用案例
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01
研究背景
氨在大氣中的停留時(shí)間較短,其濃度高值一般出現(xiàn)在排放源周圍的大氣環(huán)境中。遠(yuǎn)離排放源后,氨在大氣擴(kuò)散過程中會(huì)發(fā)生干沉降或被植被和土壤吸附。
02
研究方法
在中國北京市市中心使用Picarro G2103氨氣分析儀,從2020年9月到2021年8月份,每天對氨氣濃度進(jìn)行在線監(jiān)測,并且離線采集氣溶膠顆粒物進(jìn)行氮同位素分析。
圖1
圖1為Picarro G2103從2020年9月至2021年8月獲得的氨濃度的時(shí)間變化圖??傮w上,每小時(shí)氨氣濃度范圍為1.2~66.9μg m?3,全年平均為15.0±9.7μgm?3。這里觀察到的年平均氨濃度與我們從2019年3月至2020年2月(16.4±10.3μg m?3)在同一地點(diǎn)的觀測結(jié)果相當(dāng),但仍遠(yuǎn)高于同時(shí)期上海地區(qū)的氨氣濃度(城市:4.4±3.3μg?3,農(nóng)村:8.9±6.5μg?3)。此外,本研究中氨氣濃度表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,夏季、春季、秋季、冬季的平均值分別為20.7±7.9、17.9±10.5、12.5±8.1和8.8±7.1μg m?3。這種季節(jié)模式是由排放源和環(huán)境溫度共同驅(qū)動(dòng)的,并在過往的研究中得到了很好的驗(yàn)證。
圖2
我們的離線采樣技術(shù)也捕捉到了3月底的氨事件。如圖2所示,離線技術(shù)檢測的氨氣濃度與在線觀測濃度具有較好吻合度,平均值分別為21.1±16.9和20.0±12.1μgm?3。這兩種方法之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。
本研究中的觀察結(jié)果是可重復(fù)的。這一發(fā)現(xiàn)也讓我們在基于離線樣本的后續(xù)同位素分析中更有信心。在離線采樣期間,測量到的δ15N-NH3值范圍為?26.4‰~?10.8‰,平均為?17.5±3.8‰。該值低于夏季(?13.9±1.5‰,n = 8),這可能反映了季節(jié)間不同的信號(hào)源特征。在3月下旬,強(qiáng)化施肥可能會(huì)增加氨的排放,而δ15N-NH3值往往低于其他來源。
在污染日期間,觀察到的δ15N?NH3值(?20.3‰)明顯低于清潔階段(?14.9‰)和過渡階段(?15.0‰)(p<0.01)。這些值落在牲畜、發(fā)電廠氨、廢物和肥料的范圍內(nèi)(圖c)。檢查在污染日測量的δ15N?NH3值發(fā)現(xiàn),它們更接近肥料指紋。這一發(fā)現(xiàn)表明3月底氨氣濃度較高可能與施肥活動(dòng)有關(guān)。
圖2顯示了2021年3月20-28日期間氨和PM2.5濃度(a)、風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD)(b)和δ15N-NH3值(c)的時(shí)間變化。(c)圖中右邊的顏色條代表了來自6個(gè)氨發(fā)射源的δ15N-NH3值的范圍,清潔日(3月20-22日)、過渡日(3月23-24日)和污染日(3月25-28日)的日平均PM2.5濃度分別為<35、35-75和>75μgm?3。
這一階段的氣團(tuán)后退軌跡可能為支持肥料排放提供更多的證據(jù)。在氨氣濃度較低的清潔日子里,北方氣團(tuán)來自蒙古,相比之下,在氨氣濃度升高的污染天數(shù)期間,氣團(tuán)來源向南和東南方向變化,這些南部氣團(tuán)經(jīng)過NCP,那里的農(nóng)業(yè)氨排放(牲畜和化肥施用)量比較大。然而,不能排除非農(nóng)業(yè)排放的影響,因?yàn)樵摪l(fā)達(dá)地區(qū)的燃燒源(燃煤和電廠)也會(huì)排放出大量的氨。此外,較低的風(fēng)速也說明了當(dāng)?shù)剀囕v排放和城市垃圾的重要性。因此,迫切需要區(qū)分來源,以便將具體的貢獻(xiàn)彼此分開。
圖3
如圖3所示,圖a為本研究中不同源對氨的相對貢獻(xiàn),這是根據(jù)使用SIAR模型觀測到的δ15N-NH3值計(jì)算出來的。總體而言,氨氣的來源主要為非農(nóng)業(yè)來源(61.3%),而不是農(nóng)業(yè)來源(38.7%)。這一發(fā)現(xiàn)與之前基于同一地點(diǎn)每周垂直采樣得到的氨來源結(jié)論一致——2016年,非農(nóng)業(yè)來源貢獻(xiàn)了氨濃度的66%。值得注意的是,在圖a中,農(nóng)業(yè)(施肥)對氨濃度的貢獻(xiàn)從清潔日的34.0%(17.5%)增加到污染日的43.5%(26.0%)。然而,考慮到測量的δ15N-NH3值(?17.5±3.8‰)和初始氨(?10.7±4.1‰)之間的不同,氨和銨鹽在大氣傳輸過程中可能發(fā)生了氮同位素分餾。為了解決這一問題,我們進(jìn)一步基于初始δ15N-NH3值進(jìn)行了源分配(圖b)。結(jié)果表明,不同來源的貢獻(xiàn)在采樣期間相對穩(wěn)定,在清潔和污染階段的農(nóng)業(yè)(施肥)貢獻(xiàn)均為28.7%(12.4%)。在這種情況下,非農(nóng)業(yè)排放仍然主導(dǎo)著城市氨氣來源,而城市氨主要來自于汽車排放。
03
研究結(jié)果與意義
華北農(nóng)業(yè)源(施肥)排放對北京大氣氨濃度的最大貢獻(xiàn)為43.5%;如果考慮大氣傳輸過程中氨氣與銨鹽之間的氮同位素分餾效應(yīng),農(nóng)業(yè)源(施肥)的貢獻(xiàn)僅為29.1%。即使在氨揮發(fā)強(qiáng)烈的春季施肥期間,農(nóng)業(yè)活動(dòng)也不是城市大氣氨的主要來源。盡管農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響有限,但本研究的同位素?cái)?shù)據(jù)表明,農(nóng)業(yè)氨排放的確能夠發(fā)生長距離傳輸從而直接影響北京氨氣濃度,挑戰(zhàn)了氨排放后主要發(fā)生近源沉降的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969722029874