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AZ-M0510 溫室氣體通量在線觀測(cè)系統(tǒng)

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1 引言
自然環(huán)境、人供設(shè)施及工業(yè)活動(dòng)中溫室氣體通量的估測(cè)是研究氣候變化的基礎(chǔ)。生態(tài)學(xué)家在森林、草原、濕地、農(nóng)田、水域等自然景觀的溫室氣體排放過(guò)程和驅(qū)動(dòng)因子等方面已做了大量工作；生物學(xué)家對(duì)家禽育肥、養(yǎng)殖場(chǎng)地溫室氣體的估測(cè)進(jìn)行了有效探索；工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的溫室氣體減排更成為人們減少環(huán)境污染的的重點(diǎn)。
傳統(tǒng)的溫室氣體估測(cè)多采用現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室采用氣相色譜分析的方法，耗時(shí)長(zhǎng)，隨機(jī)誤差大，準(zhǔn)確度低。

2 觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 目的

溫室氣體指京都協(xié)定書(shū)所定六種氣體總稱(chēng)，包括二氧化碳Carbon dioxide（CO₂）、甲烷Methane （CH₄）、 Nitrous oxide (N₂O)、氫氟碳化物Hydrofluorocarbons（HFCs）、全氟碳化物 Perfluorocarbons（PFCs）、六氟化硫Sulfur hexafluoride（SF6）。實(shí)際需要監(jiān)測(cè)的溫室氣體的種類(lèi)因估測(cè)、研究目的不同而有變化。AZ-M0510溫室氣體在線觀測(cè)系統(tǒng)因其實(shí)時(shí)、在線測(cè)量、自動(dòng)記錄、同時(shí)測(cè)量5中氣體、多種溫室氣體可選擇等特點(diǎn)已成為生態(tài)研究、環(huán)境修復(fù)、農(nóng)田施肥措施、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究的手段。

2.2觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

氣體采樣地點(diǎn)四周盡量開(kāi)闊。單點(diǎn)測(cè)量時(shí)，采樣氣管的長(zhǎng)度在150米以內(nèi)。采用多通道采樣器時(shí)，氣管的長(zhǎng)度不超過(guò)50米。

儀器機(jī)房位于小型建筑內(nèi)（高度不超過(guò)5m）時(shí)，采樣進(jìn)氣口距離屋頂平面的高度以1.5m-2m為宜。

儀器機(jī)房位于大型建筑內(nèi)（高度超過(guò)5m）時(shí)，采樣口的位置應(yīng)選擇在建筑的迎風(fēng)面或最頂端，采樣進(jìn)氣口距離屋頂平面的高度應(yīng)適當(dāng)增加。

四周有茂密樹(shù)木時(shí)，采樣進(jìn)氣口高度應(yīng)超過(guò)冠層高度1m 以上，至少在采用進(jìn)氣口的迎風(fēng)面水平面270°扇區(qū)內(nèi)，阻擋物到采樣進(jìn)氣口的距離大于阻擋物高度的10倍。

封閉箱的大小可根據(jù)研究的需要定制。

AZ-M0510溫室氣體分析儀主機(jī)應(yīng)平穩(wěn)放置，四周有不小于0.1m 的散熱空間，并盡量避開(kāi)其他發(fā)熱、震動(dòng)、電磁干擾和強(qiáng)烈腐蝕的影響。

2.3采樣頻率

AZ-M0510溫室氣體在線觀測(cè)系統(tǒng)采用紅外光聲譜測(cè)量技術(shù)，通過(guò)選擇不同的濾波鏡可測(cè)量不同的氣體。

若測(cè)量一種氣體和水汽，需要13秒，若同時(shí)測(cè)量五種氣體和水汽，可在40秒完成。系統(tǒng)可重復(fù)測(cè)量，可達(dá)40個(gè)重復(fù)，若是12個(gè)點(diǎn)測(cè)量模式，每個(gè)點(diǎn)可達(dá)3個(gè)重復(fù)。

對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量：

確保于測(cè)量前一天進(jìn)行采樣管預(yù)熱
除去采樣管預(yù)熱時(shí)間，設(shè)備預(yù)熱需要30分鐘
舍棄個(gè)濃度測(cè)量值
管長(zhǎng)上限150m

對(duì)于多樣點(diǎn)測(cè)量：

確保于測(cè)量前一天進(jìn)行采樣管預(yù)熱
除去采樣管預(yù)熱時(shí)間外，設(shè)備預(yù)熱需要4小時(shí)
重復(fù)（三次）
舍棄一、二次的濃度測(cè)量值
管長(zhǎng)上限50m

2.4 觀測(cè)內(nèi)容

測(cè)量氣體種類(lèi)含CO2， CH4，N2O，NH3，CO， SO2，H2S， TOC，氫氟碳化物，全氟碳化物，六氟化硫SF6等上百種氣體。檢測(cè)限達(dá)ppb級(jí)。

最多同時(shí)選擇5個(gè)不同的濾波片（外加水汽濾波片），同時(shí)測(cè)量5種氣體和水汽。

2.5系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)

AZ-M0510溫室氣體通量在線觀測(cè)系統(tǒng)由光聲譜溫室氣體分析儀主機(jī)、采樣管、多點(diǎn)采樣器、軟件組成。配置計(jì)算后，可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值。

技術(shù)指標(biāo)：

主機(jī)：紅外光聲譜技術(shù)，響應(yīng)時(shí)間：一種氣體：~13s，沖洗：5種氣體+水汽：~27 s；檢測(cè)限：ppb級(jí)

多樣點(diǎn)采樣器：12通道

封閉箱：尺寸定制

采樣管：150米

系統(tǒng)軟件：測(cè)量結(jié)果直接顯示在顯示屏上，并實(shí)時(shí)更新。實(shí)時(shí)計(jì)算平均值、均方差、和濃度等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理

封閉箱中氣體的通量，可按如下公式計(jì)算

公式中：

0——開(kāi)始時(shí)間；f——結(jié)束時(shí)間；h——距離氣體釋放面高h(yuǎn)處采樣測(cè)量

C(0)、C(t)、C(f) ——開(kāi)始時(shí)（0），0.5f， f 時(shí)的氣體濃度

J(0)——開(kāi)始時(shí)的氣體通量，按此法，可計(jì)算不同時(shí)刻的氣體通量。

4 應(yīng)用案例

4.1污染土壤的監(jiān)測(cè)，為土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 加拿大農(nóng)田N肥施加量對(duì)溫室氣體減排的影響

由加拿大糧農(nóng)委員會(huì)資助的項(xiàng)目“定點(diǎn)N肥施加量對(duì)溫室氣體減排的影響"由Alberta大學(xué)的Dr. R. Gary Kachanoski 博士主持，在加拿大境內(nèi)耕地開(kāi)展研究。該項(xiàng)目采用靜態(tài)箱法和AZ-M0510系統(tǒng)的光聲譜溫室氣體分析儀在靜態(tài)箱法的采樣點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量N2O和CO2，同時(shí)測(cè)量土壤溫度和土壤含水量，完成如下工作：
在加拿大不同的土壤類(lèi)型和氣候帶，定量現(xiàn)有的施肥點(diǎn)不同的施肥量條件下的溫室氣體（N2O， CO2）通量。結(jié)合這些點(diǎn)的土壤和作物數(shù)據(jù)，整合成公共數(shù)據(jù)庫(kù)，為建模做準(zhǔn)備。此外，評(píng)估不同的施肥措施對(duì)溫室氣體減排的影響潛力，同時(shí)發(fā)展和測(cè)試大田溫室氣體通量的隨機(jī)空間尺度理論。

4.3 施加豬糞農(nóng)田的氨氣和溫室氣體的測(cè)定：三種方法比較

該項(xiàng)目有美國(guó) USDA-ARS 的動(dòng)物廢物管理研究所主持，比較三種施肥法（Row injection， Surface Spray injection， Aerway injection）開(kāi)始時(shí)、72小時(shí)、216小時(shí)氨氣和溫室氣體的排放情況。
氨氣和溫室氣體（CO2， CH4和N2O）的通量（通過(guò)濃度計(jì)算）采用封閉箱和AZ-M0510 系統(tǒng)的主機(jī)-光聲譜氣體分析儀測(cè)量。封閉箱高10cm，由鋁材制成，每次測(cè)量時(shí)，將一個(gè)寬38cm，長(zhǎng)102cm的錨嵌入地下15cm ，露出地表18cm高，蓋上箱子后，用AZ-M0510 的主機(jī)測(cè)量氨氣和溫室氣體的濃度，主機(jī)設(shè)置成1s 采樣，2s 駐留測(cè)量室，3s抽氣，一個(gè)測(cè)量周期（測(cè)量氨氣、CO2， CH4和N2O和露點(diǎn)溫度）的時(shí)間是70s。封閉箱中有兩個(gè)風(fēng)扇，用于采樣前和采樣過(guò)程中混合氣體。也同時(shí)測(cè)量空氣中距地面5cm處的氣體濃度，查看風(fēng)的稀釋和驅(qū)散影響。此外，還測(cè)量采樣點(diǎn)上風(fēng)處和下風(fēng)處背景氣體濃度。采用Fickian diffusion 模型計(jì)算氣體通量。