專(zhuān)利名稱(chēng)：基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種農(nóng)田氨揮發(fā)監(jiān)測(cè)方法，特別涉及一種基于開(kāi)放式長(zhǎng)光程ニ極管激光吸收光譜技術(shù)的田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定主要采用土壌平衡法、密閉室法、微氣象法。土壌平衡法由施肥量、植物吸收量、土壌殘留量和淋失量來(lái)估算氨的揮發(fā)量，由于測(cè)定項(xiàng)目多，而且不考慮反硝化，一般誤差較大，現(xiàn)在已基本不用。密閉室法是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的方法，其裝置比較簡(jiǎn)單，條件易于控制，可以估測(cè)某一點(diǎn)土壌一氨的物質(zhì)交換，適合于小區(qū)試驗(yàn)和多因素對(duì)比研究。但密閉狀態(tài)下的氨揮發(fā)過(guò)程完全不同于自然狀態(tài)，氨濃度梯度、氣壓梯度、湍流脈動(dòng)和氣體流動(dòng)與自然條件下不同，研究結(jié)果基本上是定性的；另外，由于測(cè)定尺度較小，對(duì)于田塊以及更大尺度的農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定需要大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，勞動(dòng)量大，而且通常也不考慮地上部植物的影響。微氣象學(xué)方法通過(guò)測(cè)量近地層的湍流狀況和空氣中氨濃度計(jì)算地表氨揮發(fā)，其因?yàn)椴桓蓴_田間自然環(huán)境條件，真實(shí)地反映了農(nóng)田氨揮發(fā)的實(shí)際狀況，被廣泛認(rèn)為是測(cè)定氨揮發(fā)的較好方法，特別適宜于平坦均一的大面積農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定。但微氣象學(xué)法由于對(duì)于氣象、氨濃度測(cè)定儀器設(shè)備要求較高，這在很大程度上限制了微氣象學(xué)法的實(shí)際應(yīng)用。農(nóng)田氨揮發(fā)方法的發(fā)展關(guān)鍵是監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前世界各國(guó)氨排放清單估算中排放因子的界定都存在很大的不確定性，特別是農(nóng)田氨揮發(fā)損失量難以準(zhǔn)確測(cè)定。主要原因是由于空氣中氨濃度很低，屬痕量氣體，當(dāng)前常規(guī)的分析技術(shù)難以直接檢測(cè)到，必須首先對(duì)氨樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間收集以增加樣品的濃度，傳統(tǒng)的氨樣品的收集都是采用酸或酸性物質(zhì)吸收農(nóng)田揮發(fā)出來(lái)的氨，然后在實(shí)驗(yàn)室中提取，采用常規(guī)化學(xué)方法分析，如分光光度比色法等，最終采用密閉室法或微氣象學(xué)法計(jì)算氨揮發(fā)。這是ー個(gè)復(fù)雜而耗時(shí)的過(guò)程，如密閉室法的樣品收集一般要24小時(shí)，濃度低時(shí)往往需要幾天時(shí)間，迎風(fēng)采樣器法樣品收集也至少在2小時(shí)以上，不但難以獲取農(nóng)田氨揮發(fā)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，而且，長(zhǎng)時(shí)間氨樣品的采集使得氨揮發(fā)研究不得不忽略微小尺度湍流特征的影響，不可避免的影響了測(cè)定數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。同吋，由于氨氣極易溶于水，容易在采樣管、儀器表面形成氨的沉積，以及隨后的釋放過(guò)程都會(huì)引起采樣損失、記憶效應(yīng)，也導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果有一定的誤差。因此迫切需要研發(fā)基于高技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定新方法，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、連續(xù)、動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)?？烧{(diào)諧ニ極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy, TDLAS)是國(guó)際上新近發(fā)展的一項(xiàng)氣體濃度監(jiān)測(cè)技術(shù),具有靈敏度髙(ppb量級(jí))、選擇性好、動(dòng)態(tài)快速(毫秒量級(jí))的特點(diǎn)。其利用ニ極管激光窄線寬(〈10MHz)及快速頻率調(diào)諧特性，通過(guò)檢測(cè)吸收分子的一條孤立振轉(zhuǎn)吸收線，得到被測(cè)氣體的吸收信息，由測(cè)量獲得的線形、線寬和強(qiáng)度計(jì)算出氣體分子的吸收截面，進(jìn)而反演氣體的濃度。通過(guò)與長(zhǎng)光程 技術(shù)相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)ppbv甚至pptv量級(jí)的氣體檢測(cè)靈敏度。特別在開(kāi)放光路氣體測(cè)量吋，由于不存在池壁吸收或損耗等間題，因此特別適宜于痕量氣體瞬時(shí)波動(dòng)的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。ニ極管激光吸收光譜技術(shù)為氨濃度的測(cè)定提供了新的技術(shù)，但要明確農(nóng)田的氨揮發(fā)狀況，首先必須將新技術(shù)與氨揮發(fā)的研究方法有機(jī)整合，建立基于高技術(shù)的新方法。ニ極管激光吸收光譜技術(shù)主要與渦流相關(guān)法，梯度通量法和反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散理論等微氣象學(xué)法結(jié)合測(cè)定氨揮發(fā)，其中反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散理論被認(rèn)為是與開(kāi)放式長(zhǎng)光程ニ極管激光吸收光譜技術(shù)結(jié)合測(cè)定氨揮發(fā)最為有效的微氣象方法。該方法在國(guó)際上還處于研究探索階段，主要應(yīng)用于養(yǎng)殖場(chǎng)、堆肥的氨氣監(jiān)測(cè)，鮮有將其用于農(nóng)田氨揮發(fā)監(jiān)測(cè)，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究還剛剛起歩。因此，本方法擬將開(kāi)放式長(zhǎng)光程ニ極管激光吸收光譜技術(shù)與反向拉格朝日隨機(jī)擴(kuò)散理論有效結(jié)合，開(kāi)展基于高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)的農(nóng)田氨揮發(fā)研究，為今后開(kāi)放式長(zhǎng)光程ニ極管激光吸收光譜技術(shù)在農(nóng)田氨揮發(fā)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法中存在的不足，提供ー種適用于農(nóng)田的高靈敏度、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)快速的氨揮發(fā)監(jiān)測(cè)方法。技術(shù)方案基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，測(cè)定步驟為a.采用開(kāi)放式長(zhǎng)光程ニ極管激光吸收光譜儀同時(shí)測(cè)定揮發(fā)源上風(fēng)向和下風(fēng)向處空氣中氨濃度值；b.同時(shí)在光譜儀設(shè)置處用三維超聲風(fēng)速儀或剖面氣象系統(tǒng)測(cè)定得到三維風(fēng)速、氣溫和風(fēng)向氣象數(shù)據(jù)；C.將步驟a所得氨濃度值和步驟b所得氣象數(shù)據(jù)，輸入反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散模型軟件WindTraX2.0，通過(guò)反向模擬氣體粒子從揮發(fā)源到氣體濃度監(jiān)測(cè)位置的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算得到氣體濃度與揮發(fā)速率的理論比⑴/^ —?dú)怏w揮發(fā)速率“^·!^2·^1)可由下
式計(jì)算得到
權(quán)利要求
1.基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于測(cè)定步驟為 a.采用開(kāi)放式長(zhǎng)光程二極管激光吸收光譜儀同時(shí)測(cè)定揮發(fā)源上風(fēng)向和下風(fēng)向處空氣中氨濃度值； b.同時(shí)在光譜儀設(shè)置處用三維超聲風(fēng)速儀或剖面氣象系統(tǒng)測(cè)定得到三維風(fēng)速、氣溫和風(fēng)向氣象數(shù)據(jù)； c.將步驟a所得氨濃度值和步驟b所得氣象數(shù)據(jù)，輸入反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散模型軟件WindTrax2. O，通過(guò)反向模擬氣體粒子從揮發(fā)源到氣體濃度監(jiān)測(cè)位置的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算得到氣體濃度與揮發(fā)速率的理論比(C/Q)sim，氣體揮發(fā)速率Q可由下式計(jì)算得到
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述采用開(kāi)放式長(zhǎng)光程二極管激光吸收光譜儀同時(shí)測(cè)定揮發(fā)源上風(fēng)向和下風(fēng)向處空氣中氨濃度值的方法為在揮發(fā)源下風(fēng)向距揮發(fā)源邊緣5m至20m處設(shè)一光譜儀監(jiān)測(cè)揮發(fā)煙羽中空氣氨濃度，在揮發(fā)源上風(fēng)向不受揮發(fā)源影響的地方設(shè)一光譜儀監(jiān)測(cè)背景空氣氨濃度；測(cè)線長(zhǎng)選擇IOOm至200m均可，下風(fēng)向處測(cè)線與揮發(fā)煙羽中線垂直，上風(fēng)向處測(cè)線與下風(fēng)向處測(cè)線平行；測(cè)線高度設(shè)為I. Om至I. 5m ;光譜儀數(shù)據(jù)采集頻率為2 3次/秒，每15min至120min的氨濃度數(shù)據(jù)計(jì)算平均值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述氣象數(shù)據(jù)測(cè)定方法是在光譜儀設(shè)置處采用三維超聲風(fēng)速儀獲得三維風(fēng)速和氣溫?cái)?shù)據(jù)，三維風(fēng)速儀高度在2m至3m ;或者采用剖面氣象系統(tǒng)測(cè)定不同高度風(fēng)速、氣溫、風(fēng)向數(shù)據(jù)，至少測(cè)五個(gè)不同高度氣象數(shù)據(jù)，各高度在0. 5m至IOm之間；獲得的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算平均值時(shí)間間隔與氨濃度數(shù)據(jù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散模型估算氨揮發(fā)方法是反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)是Monin - Obukhov相似理論，因此應(yīng)用該模型時(shí)需獲得四個(gè)指標(biāo)摩擦風(fēng)速U*、大氣穩(wěn)定性長(zhǎng)度L、風(fēng)向P和表面粗糙度Z。，其可由前面獲得的氣象數(shù)據(jù)輸入反向拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散模型軟件WindTrax2. 0計(jì)算得到；模型基于四個(gè)參數(shù)計(jì)算氣體濃度與揮發(fā)速率的理論比(C/Q)sim，用(C/Q)sim與氨濃度數(shù)據(jù)可計(jì)算氨揮發(fā)速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述根據(jù)氣象數(shù)據(jù)剔除異常模擬數(shù)值的方法是剔除摩擦風(fēng)速u(mài)*<0. 15m/s或大氣穩(wěn)定性Monin-Obukhov長(zhǎng)度L : | L | ^ 2m時(shí)期的模擬值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述測(cè)線高度取光譜儀發(fā)射器高度、角反射鏡高度與測(cè)線中點(diǎn)高度平均值為測(cè)線高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于以所述采集時(shí)間30min氨濃度數(shù)據(jù)計(jì)算平均值。
全文摘要
基于激光吸收光譜技術(shù)的農(nóng)田氨揮發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，測(cè)定步驟為采用開(kāi)放式長(zhǎng)光程二極管激光吸收光譜儀同時(shí)測(cè)定揮發(fā)源上風(fēng)向和下風(fēng)向處空氣中氨濃度；在揮發(fā)源附近用三維超聲風(fēng)速儀測(cè)定三維風(fēng)速、氣溫等氣象數(shù)據(jù)，或用剖面氣象系統(tǒng)測(cè)定不同高度風(fēng)速、氣溫、風(fēng)向數(shù)據(jù)；基于氨濃度和氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)反向模擬氣體粒子從揮發(fā)源到氣體濃度監(jiān)測(cè)位置的運(yùn)動(dòng)軌跡，以估算氣體濃度與揮發(fā)速率的理論比(C/Q)sim，氣體揮發(fā)速率Q(μg·m-2·s-1)可由下式計(jì)算根據(jù)氣象數(shù)據(jù)剔除異常的模擬數(shù)值。該方法適用于任何規(guī)模和形狀的揮發(fā)源，該方法可實(shí)現(xiàn)非接觸、高靈敏度、高選擇性、高時(shí)間分辨率的連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氨揮發(fā)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102680421SQ20121018458
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者信秀麗, 張佳寶, 朱安寧, 楊文亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所