氨是大氣中最主要的堿性氣體，在二次氣溶膠顆粒物生成中扮演著重要角色，是引發重霾污染和過量氮沉降的重要活性氮，在農業生產中，氮揮發也是農田氮養分損失的主要途徑。因氨具有強表面吸附力和水溶性等特性，大氣氨濃度和地氣氨交換通量的原位準確測量一直是學界的一大挑戰，目前國際上主流的測量儀器大多采用閉路吸入式的構造，采樣管路的吸附效應一直制約著大氣氨濃度的快速高頻高精準度測量。與此同時，閉路儀器和搭配使用的外置抽氣泵均要求交流供電，這意味著目前絕大多數的大氣氨通量觀測只能在少數電力條件允許的環境下開展。
中科院大氣物理研究所王凱和鄭循華所在的碳氮循環團隊和寧波海爾欣光電科技有限公司深入合作，研發了一款便攜式、高精度、快響應的開路多通池激光氨分析儀（圖1）。這款儀器基于可調諧激光吸收光譜（TDLAS）技術，采用了分布反饋式量子級聯激光（DFB-QCL）的光源，其開放式的光路結構，解決了傳統閉路儀器管路吸附引起的測量誤差，光機電軟各個部分高度集成，可完全由太陽能驅動運行，適合野外條件使用。研究團隊基于實驗室和野外觀測試驗，對這款儀器的穩定性、測量精度、準確度等指標進行評價，并以它為核心部件，集成開發了一套基于大氣湍流方法（渦動相關法）的氨通量觀測系統（圖2），這是目前測量地氣氨交換通量的理想方法。 野外測試結果顯示，這款開路氨分析儀可在-15至40度的環境溫度下穩定運行，10 Hz采樣頻率的測量精度（1σ）達0.302 nmol mol-1（即ppbv），半小時氨通量檢測限為7.1 ± 1.1 μg N m-2 h-1。憑借這一靈敏度，該通量觀測系統能準確有效地測量農田、養殖場等強排放源的氨排放通量，也可有效測量大多數區域的大氣氨沉降速率。這款國產儀器的問世，為大氣氨濃度和地表與大氣間的氨交換通量測量提供了一種先進工具，也將助力國內大氣環境學、生態學、農學等領域的氮循環研究。
圖1 HT8700型開路氨分析儀及其結構圖
圖2 大氣氨通量渦動相關法觀測系統
圖3 亞熱帶稻田施肥期間觀測的大氣氨濃度和地面氨排放通量
上述研究工作由國家自然科學基金委面上項目（41975169）和中國科學院從0到1原始創新項目（DBS-LY-DQC007）資助，相關成果發表于國際學術期刊Agricultural and Forest Meteorology。
文章引用：Wang K.*, Kang P., Lu Y., Zheng X.H., Liu M.M., Lin T.J., Butterbach-Bahl K., Wang Y.*, 2021. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308–309: 108570.
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原文轉自中國科學院大氣物理研究所
