专利名称：基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法
技术领域：
本发明涉及ー种农田氨挥发监测方法，特别涉及一种基于开放式长光程ニ极管激光吸收光谱技术的田氨挥发实时在线监测方法。
背景技术：
农田氨挥发測定主要采用土壌平衡法、密闭室法、微气象法。土壌平衡法由施肥量、植物吸收量、土壌残留量和淋失量来估算氨的挥发量，由于测定项目多，而且不考虑反硝化，一般误差较大，现在已基本不用。密闭室法是当前应用最广泛的方法，其装置比较简单，条件易于控制，可以估测某一点土壌一氨的物质交換，适合于小区试验和多因素对比研究。但密闭状态下的氨挥发过程完全不同于自然状态，氨浓度梯度、气压梯度、湍流脉动和气体流动与自然条件下不同，研究结果基本上是定性的；另外，由于测定尺度较小，对于田块以及更大尺度的农田氨挥发測定需要大量的监测点，劳动量大，而且通常也不考虑地上部植物的影响。微气象学方法通过测量近地层的湍流状况和空气中氨浓度计算地表氨挥发，其因为不干扰田间自然环境条件，真实地反映了农田氨挥发的实际状况，被广泛认为是測定氨挥发的较好方法，特别适宜于平坦均一的大面积农田氨挥发測定。但微气象学法由于对于气象、氨浓度测定仪器设备要求较高，这在很大程度上限制了微气象学法的实际应用。农田氨挥发方法的发展关键是监测技术的发展。当前世界各国氨排放清单估算中排放因子的界定都存在很大的不确定性，特别是农田氨挥发损失量难以准确測定。主要原因是由于空气中氨浓度很低，属痕量气体，当前常规的分析技术难以直接检测到，必须首先对氨样品进行长时间收集以增加样品的浓度，传统的氨样品的收集都是采用酸或酸性物质吸收农田挥发出来的氨，然后在实验室中提取，采用常规化学方法分析，如分光光度比色法等，最终采用密闭室法或微气象学法计算氨挥发。这是ー个复杂而耗时的过程，如密闭室法的样品收集一般要24小时，浓度低时往往需要几天时间，迎风采样器法样品收集也至少在2小时以上，不但难以获取农田氨挥发的实时动态变化规律，而且，长时间氨样品的采集使得氨挥发研究不得不忽略微小尺度湍流特征的影响，不可避免的影响了测定数据的真实可靠性。同吋，由于氨气极易溶于水，容易在采样管、仪器表面形成氨的沉积，以及随后的释放过程都会引起采样损失、记忆效应，也导致检测结果有一定的误差。因此迫切需要研发基于高技术的农田氨挥发測定新方法，以实现长期、连续、动态的基础数据监测。可调谐ニ极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy, TDLAS)是国际上新近发展的一项气体浓度监测技术,具有灵敏度髙(ppb量级)、选择性好、动态快速(毫秒量级)的特点。其利用ニ极管激光窄线宽(〈10MHz)及快速频率调谐特性，通过检测吸收分子的一条孤立振转吸收线，得到被测气体的吸收信息，由測量获得的线形、线宽和强度计算出气体分子的吸收截面，进而反演气体的浓度。通过与长光程 技术相结合,能够实现ppbv甚至pptv量级的气体检测灵敏度。特别在开放光路气体测量吋，由于不存在池壁吸收或损耗等间题，因此特别适宜于痕量气体瞬时波动的连续在线监測。ニ极管激光吸收光谱技术为氨浓度的测定提供了新的技术，但要明确农田的氨挥发状况，首先必须将新技术与氨挥发的研究方法有机整合，建立基于高技术的新方法。ニ极管激光吸收光谱技术主要与涡流相关法，梯度通量法和反向拉格朗日随机扩散理论等微气象学法结合測定氨挥发，其中反向拉格朗日随机扩散理论被认为是与开放式长光程ニ极管激光吸收光谱技术结合测定氨挥发最为有效的微气象方法。该方法在国际上还处于研究探索阶段，主要应用于养殖场、堆肥的氨气监測，鲜有将其用于农田氨挥发监测，在国内的应用研究还刚刚起歩。因此，本方法拟将开放式长光程ニ极管激光吸收光谱技术与反向拉格朝日随机扩散理论有效结合，开展基于高时间分辨率数据的农田氨挥发研究，为今后开放式长光程ニ极管激光吸收光谱技术在农田氨挥发监测中的应用提供依据。
发明内容
发明目的本发明针对上述现有农田氨挥发測定方法中存在的不足，提供ー种适用于农田的高灵敏度、实时、动态快速的氨挥发监测方法。技术方案基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，測定步骤为a.采用开放式长光程ニ极管激光吸收光谱仪同时測定挥发源上风向和下风向处空气中氨浓度值；b.同时在光谱仪设置处用三维超声风速仪或剖面气象系统测定得到三维风速、气温和风向气象数据；C.将步骤a所得氨浓度值和步骤b所得气象数据，输入反向拉格朗日随机扩散模型软件WindTraX2.0，通过反向模拟气体粒子从挥发源到气体浓度监测位置的运动轨迹，计算得到气体浓度与挥发速率的理论比⑴/^ —气体挥发速率“^·!^2·^1)可由下
式计算得到
权利要求
1.基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于测定步骤为 a.采用开放式长光程二极管激光吸收光谱仪同时测定挥发源上风向和下风向处空气中氨浓度值； b.同时在光谱仪设置处用三维超声风速仪或剖面气象系统测定得到三维风速、气温和风向气象数据； c.将步骤a所得氨浓度值和步骤b所得气象数据，输入反向拉格朗日随机扩散模型软件WindTrax2. O，通过反向模拟气体粒子从挥发源到气体浓度监测位置的运动轨迹，计算得到气体浓度与挥发速率的理论比(C/Q)sim，气体挥发速率Q可由下式计算得到
2.根据权利要求I所述基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于所述采用开放式长光程二极管激光吸收光谱仪同时测定挥发源上风向和下风向处空气中氨浓度值的方法为在挥发源下风向距挥发源边缘5m至20m处设一光谱仪监测挥发烟羽中空气氨浓度，在挥发源上风向不受挥发源影响的地方设一光谱仪监测背景空气氨浓度；测线长选择IOOm至200m均可，下风向处测线与挥发烟羽中线垂直，上风向处测线与下风向处测线平行；测线高度设为I. Om至I. 5m ;光谱仪数据采集频率为2 3次/秒，每15min至120min的氨浓度数据计算平均值。
3.根据权利要求I所述基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于所述气象数据测定方法是在光谱仪设置处采用三维超声风速仪获得三维风速和气温数据，三维风速仪高度在2m至3m ;或者采用剖面气象系统测定不同高度风速、气温、风向数据，至少测五个不同高度气象数据，各高度在0. 5m至IOm之间；获得的气象数据计算平均值时间间隔与氨浓度数据相同。
4.根据权利要求I所述基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于所述反向拉格朗日随机扩散模型估算氨挥发方法是反向拉格朗日随机扩散模型的基础是Monin - Obukhov相似理论，因此应用该模型时需获得四个指标摩擦风速U*、大气稳定性长度L、风向P和表面粗糙度Z。，其可由前面获得的气象数据输入反向拉格朗日随机扩散模型软件WindTrax2. 0计算得到；模型基于四个参数计算气体浓度与挥发速率的理论比(C/Q)sim，用(C/Q)sim与氨浓度数据可计算氨挥发速率。
5.根据权利要求I所述基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于所述根据气象数据剔除异常模拟数值的方法是剔除摩擦风速u*<0. 15m/s或大气稳定性Monin-Obukhov长度L : | L | ^ 2m时期的模拟值。
6.根据权利要求2所述基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于所述测线高度取光谱仪发射器高度、角反射镜高度与测线中点高度平均值为测线高度。
7.根据权利要求2所述基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，其特征在于以所述采集时间30min氨浓度数据计算平均值。
全文摘要
基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发实时监测方法，测定步骤为采用开放式长光程二极管激光吸收光谱仪同时测定挥发源上风向和下风向处空气中氨浓度；在挥发源附近用三维超声风速仪测定三维风速、气温等气象数据，或用剖面气象系统测定不同高度风速、气温、风向数据；基于氨浓度和气象数据，通过反向模拟气体粒子从挥发源到气体浓度监测位置的运动轨迹，以估算气体浓度与挥发速率的理论比(C/Q)sim，气体挥发速率Q(μg·m-2·s-1)可由下式计算根据气象数据剔除异常的模拟数值。该方法适用于任何规模和形状的挥发源，该方法可实现非接触、高灵敏度、高选择性、高时间分辨率的连续实时在线监测氨挥发。
文档编号G01N21/31GK102680421SQ20121018458
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者信秀丽, 张佳宝, 朱安宁, 杨文亮 申请人:中国科学院南京土壤研究所