Name: 校准被动采样 - NH多情节场测量 3与动态管法和被动采样的组合排放 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-21T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
Description: 了解一种原位量化农田氨排放的方法，该方法结合动态管法和被动采样技术，无需外接电源即可在多地块田间试验中进行统计测试，评估肥料利用效率与环境影响。

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作者感谢Marco Roelcke博士、Dirk Niekisch博士、Robert Quakernack博士和Kang Ni博士在本方法的建立及进一步发展过程中所付出的努力。同时衷心感谢现场技术人员Doris Ziermann和Jun Yang。本研究所依据的调查工作得到了德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft）、石勒苏益格-荷尔斯泰因州政府、欧盟欧洲区域发展基金（EFRE）以及SKW Piesteritz公司资助，具体信息详见所引用的出版物。

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作者声明其不存在竞争性经济利益。

已有研究表明，该方法可用于比较重复田间试验中不同施肥处理的氨排放，并利用这些测量获得的具有统计学意义的信息来改进氮肥的管理。通过与微气象学测量方法的比较，先前的研究已验证了该方法所获得排放量的准确性13,15,16。本文中，该方法的定量有效性通过实测氨排放量与作物氮吸收量之间的密切线性关系得到了间接证明。因此，该方法可被视为适用于测定具有农学意义的氨挥发氮素损失。该方法在量化氨损失方面的应用仅限于2米高度处平均风速≤4 m/sec的条件，因为密闭箱法的校准仅在这些条件下得到验证。
然而，某些条件使得该方法的应用变得困难。在极低风速或无风条件下，由于氨在排放源处重新沉降，会出现氨的重复计算问题20，而被动采样法无法对此进行校正。此类情况可能发生在夜间或特定地理条件下（如被山脉或高大障碍物遮蔽的区域）。在这种情况下，由于排放氨的传输行为不确定，很难准确量化排放量14。然而，这一问题几乎影响所有氨排放测量方法；从排放角度出发，应认为在此类条件下排放量为零，或应舍弃这些时段的测量数据。来自邻近田块的漂移氨气对本方法所介绍的技...

氨（NH₃）3）是欧盟主要（90%）来自农业源排放的唯一一种大气痕量气体。尽管农业也是（&gt;50%的欧盟排放量），这些仅占欧盟15国人为温室气体排放总量的约5%。相比之下，农业氨（NH₃）3 排放物导致欧盟15国约45%的由排放引起的富营养化、31%的酸化以及12%的细颗粒物形成1除了对生态系统和人类健康造成有害影响外，氮（N）以氨3 排放对农民而言是一种经济损失2氮肥对于现代农业实现高产食品生产至关重要。除了对环境造成的损害外，NH3 因此，排放意味着大量养分流失，因为NH3 来源于肥料中的铵，在植物可直接利用的关键矿质氮形态中，除硝酸盐外，铵同样调控着作物的生长过程和产量。氮肥的施用每年为欧盟农民带来200亿至800亿欧元的收益，但据估算，NH3 农业释放到空气中的污染物每年在欧盟造成约500亿欧元的损失3因此，NH的还原3 减少排放对于降低环境影响和提高氮素利用效率至关重要。
在农业中，NH3 主要来源于畜禽舍、粪便（粪浆、厌氧消化液（AD）、固体粪便）的储存与管理，以及粪便的田间施用。NH3 的排放倾向因粪便组成成分而异，例如干物质含量和粪便 pH 值。例如，基于铵和胺的合成氮肥（如尿素和磷酸氢二铵）也在一定程度上导致 NH3 的排放。尽管硝酸铵钙（CAN）是许多欧洲国家主要的氮肥，但颗粒尿素的使用量已有所增加，并在2012年成为中欧和西欧地区使用量第二大的氮肥4。由于尿素具有含氮量高、安全性好以及便于运输等优势，在发展中国家尤为受欢迎，是全球最重要的合成氮肥5。然而，尿素水解引起的土壤 pH 升高以及表层土壤中 NH4+ 浓度上升，可能导致较高的 NH3 排放，从而造成氮素利用效率低下，特别是在碱性土壤或吸附能力较低的土壤中，这限制了尿素肥料在欧洲的使用6,7。
关于NH的许多研究3 近年来已对有机肥和矿物肥施用以及畜禽养殖设施的排放进行了研究6, 8然而，与NH相关的研究3 施用氨挥发性肥料后氨排放的研究仍然有限，尤其在氨排放与肥料类型、地点条件及作物生长之间关系方面。在理想条件下，由于作物对处理措施的响应存在变异性，必须通过设置重复的田间试验来进行验证，只有包含田间重复的实验设计才能满足统计检验的要求。
因此，也应在重复的多小区田间试验中测定氨损失9，但目前主导的可提供定量排放数据（即 kg N/(ha·h)）的氨损失测定方法需要大面积试验田（微气象法）、昂贵的设备（风洞）或田间电力供应，使得这些方法在重复田间试验中的应用变得困难甚至不可行。此外，风洞的特定设置在所获排放值的准确性方面也受到质疑10。因此，迫切需要一种适用于重复田间试验的氨损失测定方法。该方法可用于基于地点条件、肥料类型、施用方式和作物生长发育等影响因素的统计学验证结果，改进农业减排措施。
新方法——校准被动采样法的基本思路是，将一种简单的半定量测量方法与定量方法相结合，前者用于多个样地的测量，后者则通过在少数样地上同时使用两种方法进行同步测量来实现。所采用的半定量测量方法使用了相较于原始文献中设计有所改进的被动采样器11。动态管法（DTM）12是一种经过校准的动态箱法，用于获得一个转换系数，该系数可将被动采样器测得的半定量氮损失转化为定量的氮损失（kg N ha-1）。由于该箱体系统的空气交换率较低，未经校准的DTM测得的排放量比实际排放量低约一个数量级。然而，这一问题已通过一个校准方程得以解决，该方程可根据现场风速条件对箱体通量进行校正13。这些校准方程仅在所用箱体的内部顶空体积和结构与校准试验中使用的箱体相同时方可适用。箱体可直接插入土壤中，也可放置在土壤环上。后者可显著减少对土壤的扰动，并允许箱体在茂密的草层或紧实土壤上实现近乎气密的安装。此外，可在土壤环内精确施用待测肥料的用量。然而，土壤环上的土块也可能导致箱体与土壤环之间出现夹紧现象。
<img alt="田间布局示意图、被动采样器、带泵的动态密闭箱用于环境测量。" src="/files/ftp_upload/53273/53273fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1：在田间小区中使用被动采样器与密闭箱法（DTM）同时进行测量。 被动采样器位于方形小区中心，距土壤/冠层上方0.15 m处。每次测量日期，每个小区内至少进行两处DTM测量。用于收获的区域不应受到密闭箱和被动采样器测量操作的影响。
为推导传递系数，需同时在少量样地上采用两种方法进行测量（图1）。重要的是，所有测量应采用相同的总测量时长，并在同一时间（1小时内）进行。对多个样地应用传递系数的原理基于以下事实：在均一的实验场中放置的被动采样器，若与影响风场的障碍物（如树篱、建筑物）保持适当距离，则其采样结果具有可比性。 等等。 （至少为障碍物高度的10倍，理想情况下为20倍）14，具有相同的NH3 在相同环境条件下吸收行为的一致性。例如，某样地上的排放量降低50%，将直接导致采样溶液对氨的吸收量减少50%。因此，用于对单个样地酸性捕集器数值进行换算的转移系数，也可用于校正同一田间试验中所有酸性捕集器的测量值。然而，由于环境条件（温度、风速、地表粗糙度）的变化会影响被动采样器对氨的吸收效率11 每次测量活动均需分别推导传递系数。
所采用的两种方法的总体特征以及田间试验所需的设计包括：将4个动态箱放置在土壤上，通过聚四氟乙烯（PTFE）管路连接，并由风箱泵（DTM）进行通风；同时使用被动采样器，以及设置较大的方形实验小区，并配备充足的缓冲区，以降低相邻小区间氨气（NH3）漂移对目标小区排放测量结果的影响。
被动采样器中装有稀释的硫酸（0.05 M H2SO4），并放置在样地的中心位置。被动采样器中的溶液持续吸收氨气，并根据预期的排放强度定期更换。同时，在两个处理样地和一个对照样地上，使用DTM在特定时间点测量NH3通量。与风洞法相比，校准后的被动采样结合这两种方法对土壤湿度、土壤温度和降雨的影响极小，而这些因素可能对氨挥发损失产生显著影响6,8。被动采样器安装在土壤和冠层表面以上0.15 m处，不会对上述变量造成影响；而DTM腔室的测量每次仅持续约5分钟，从而将潜在的腔室效应降至最低。
通过使用铵离子敏感电极进行测量，可获得采样溶液中NH4+浓度的准确结果。而使用连续流动自动分析仪进行测定时可能存在困难，因为该仪器所采用的对pH敏感的显色反应易受到采样溶液酸性pH值的影响，且所用化学试剂需要进行调整。通过DTM腔室系统的空气中的NH3浓度可使用指示管进行瞬时测定。每次测定后，测得的NH3浓度均被记录在数据表中。
对于 DTM，NH3 通量（mg N/(m²·h)）根据测得的 NH3 浓度和通过四腔系统的气流速率以及腔体覆盖面积（公式1，第2.5.1段）。所得的未校准通量（低估了实际排放量）通过校准方程转换为定量损失值（公式2和公式3，见第2.5.1段）。校准后的累积NH3 损失量（kg N/ha）通过计算两个连续测量日期之间的通量平均值，将该平均通量乘以每个时间间隔的持续时间，并累加一次测量周期中所有测量间隔的损失量得到。累积定性 NH3 被动采样器的损失量（ppm 总和）通过累加收集到的 NH4+-浓度（ppm）绘制于一次实验周期内的图表中。这是可行的，因为在相同体积和测量温度条件下，ppm 值可直接转换为捕获的氨量。为了将这些定性损失转化为定量损失，通过将 DTM 的累积最终损失量（kg N/ha）与 ppm 值关联，计算得出转移系数（kg N/(ha·ppm)）。-1) 与在同一地块上测得的采样器中浓度总和之比。该转移系数随后用于将被动采样获得的半定量排放量转换为定量通量（例如 kg N/ha）通过将累积浓度乘以转移系数计算得出。
收集器中的水分因蒸发而损失不会影响吸收能力，但后续数据分析时需进行校正。即使在德国北部沿海沼泽地区，强风导致溶液溅出的情况也未曾观察到。该方法成功应用的关键在于，所有在野外使用的被动采样器必须具有相同的设计，包括在样地内的放置位置和高度完全一致。过去已有多种被动采样器设计被成功应用。本文推荐一种特定设计，因其在野外测量中已被证明可靠且操作简便。该方法已通过约15次田间试验与标准氨气损失测定方法（微气象法）进行广泛比对，验证了其定量准确性15,16以及对排放动态的无偏表征能力17。在校准研究中13，校准通量与微气象法测量结果相比，决定系数（r²）为0.84，与近期研究中比较氨传感器测量大气氨浓度所得系数相近18。累积氨损失的相对均方根误差为17%，也与其他比较微气象法测量的研究所得数值接近13。在第二次验证中，将本方法与有机粪浆氨排放的微气象法测量进行比较（5次独立试验），最终累积氨排放量的r²达到0.96（曲线斜率≈1），相对均方根误差为5%15。在为期3年的田间试验中，该方法对不同合成氮肥的响应表现出良好的灵敏度19。由于该腔室方法仅在平均风速≤4 m/sec（2 m高度处）的条件下经过验证，因此本方法的应用也限于此类风速条件13,15,16。
测量活动定义为在多个地块上施用肥料后，持续数天至数周以测试氨排放的实验。每个地块上的测量活动包含若干连续的采样时段（被动采样器）或测量日期（DTM）。采样时段定义为采样溶液连续吸收排放氨的时间段。测量日期定义为在不同地块上进行DTM测量以推导转移系数的连续时间点。

<table><tbody><tr><td>不锈钢 Dr&amp;auml;ger 培养室 + 土壤环</td><td>Fa. Hofmann GmbH, Metallindustriewerk, Kiel, Germany</td><td>无编号</td><td></td></tr><tr><td>被动采样器的顶盖和不锈钢杆</td><td>Fa. Hofmann GmbH, Metallindustriewerk, Kiel, Germany</td><td>无编号</td><td></td></tr><tr><td>氨电极 + 电极支架</td><td>Thermo scientific</td><td>货号：9512BNWP 或 951201</td><td></td></tr><tr><td>氨电极填充液</td><td>Thermo scientific</td><td>货号：951202</td><td></td></tr><tr><td>氨校准标准品；0.1&amp;nbsp;M 氯化铵标准溶液</td><td>Thermo scientific</td><td>货号：951006&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Dr&amp;auml;ger 抽气泵</td><td>Draeger Safety AG&amp; Co Kg</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dr&amp;auml;ger 检测管</td><td>Draeger Safety AG&amp; Co Kg</td><td>型号：0.25/a；2/a；5/a</td><td></td></tr><tr><td>耐酸被动采样瓶（Azlon 瓶，HDPE 材质）</td><td>Dunn Labortechnik GmbH</td><td>货号：BGE230P</td><td></td></tr><tr><td>小型样品瓶（闪烁瓶，PE 材质，60 mm × 27&amp;nbsp;mm）</td><td>任意实验室耗材供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚四氟乙烯（PTFE）管（7 mm × 1&amp;nbsp;mm 内径）</td><td>任意实验室耗材供应商</td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚丙烯（PP）Y 型连接头（6–7 mm）</td><td>任意实验室耗材供应商</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

校准的被动采样——结合动态管法与被动采样器的多地块田间氨（nh3）排放测量

Calibrated Passive Sampling - Multi-plot Field Measurements of NH3 Emissions with a Combination of Dynamic Tube Method and Passive Samplers

农业氨（NH3）排放占欧盟总排放量的90%，在欧盟15国范围内，其导致约45%的空气富营养化、31%的土壤酸化以及12%的细颗粒物形成。但NH3排放也意味着大量养分流失。近几十年来，已开展大量关于有机肥和矿物肥施用后NH3排放的研究。然而，有关施肥后NH3排放的研究仍较为有限，尤其是在排放量与肥料类型、地点条件及作物生长之间关系方面。由于作物对处理措施的响应具有变异性，只有通过包含田间重复的实验设计才能对效应进行统计验证。目前主流的氨损失定量测定方法需要大面积试验田、昂贵设备或持续电力供应，限制了其在重复田间试验中的应用。本实验方案介绍了一种新的NH3排放测量方法，该方法将所有试验小区中使用的简易半定量测量法，与在部分小区同步采用的定量方法相结合。半定量测量使用被动采样器；另一种方法为动态箱法（动态管法），用于获得转换系数，将被动采样器测得的半定量损失值转换为定量损失值（kg氮 ha-1）。该方法的基本原理是，在环境条件相同的情况下，均匀布置于试验田中的被动采样器具有相同的NH3吸收行为。因此，可通过单个被动采样器获得的转换系数，对同一田间试验中所有被动采样器的测量值进行标定换算。该方法已在多种实验条件下验证有效，建议在裸地或低矮冠层（&#60;0.3 m）条件下使用。对于较高植株的试验结果应谨慎解读。

2014年，在丹麦中部开展了一项田间试验，旨在测试多种方法在施用牛粪浆后减少氨排放的效果：包括使用旋转耕作机混入土壤、施用酸化粪浆以及封闭式窄缝注入（将粪浆注入土壤后随即覆土）。为与高排放施用技术进行对比，特别是为了正确应用箱法测量，试验还包括了拖管式施用粪浆作为对照。本研究共设置了24个试验小区。牛粪浆的施用量为80 kg NH4+-N/ha。
<img alt="随时间推移的氨气损失；比较不同施用方法（拖管式、混入、注入）的图表。" src="/files/ftp_upload/53273/53273fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6：利用不同粪浆施用方法的重复田间试验中累积氨排放的时间变化过程。 奶牛粪浆通过拖管式（地表）施用、地表施用后立即混入、经硫酸酸化后的粪浆混入，以及封闭式开槽注入（注入槽被土壤覆盖）等方式施用。迁移系数来自拖管式施用处理，误差线表示标准差，字母表示显著性水...

氨气排放主要来自农业源，通过导致富营养化、土壤酸化和细颗粒物形成，对环境构成重大威胁。该方法可在重复的田间试验中测量氨的损失，从而对排放量以及作物生长发育与排放之间的关系进行统计分析。

校准的被动采样——结合动态管法与被动采样器的多地块田间氨（NH3）排放测量

农业氨（NH3）排放（占欧盟总排放量的90%）导致约45%的大气富营养化、31%的土壤酸化和12%的……

该简易田间原位方法的总体目标是对多小区田间试验中的重复小区氨排放进行定量，从而促进统计检验和处理效应的识别。该方法有助于回答农学与农业生态学领域的关键问题，例如氨排放的定量与减排、肥料利用效率的确定以及环境评估。该方法的主要优势在于，可在无需外部电源供应的情况下，实现对多小区田间试验中氨排放的原位定量。我将与我实验室的硕士研究生 Christian Wagner 一起演示该实验流程。与通常在重复田间试验中使用的面积相比，应采用相对较大的试验地块，以避免肥料分布不均对氨排放产生影响。应使用正方形的地块形状，以避免风向变化对采样器氨吸收的影响。通过在各试验小区之间保留一个小区大小的缓冲区，减少氨气从一个小区向另一个小区的漂移。选择两个处理小区和一个对照小区，使用动态管法（DTM）或被动采样器同时进行测量。选择排放量显著较高的处理小区，以获得较强的测量信号。按照文本方案中的准备步骤，在每次测量日期的开始和结束时，采用对照、处理、对照的顺序，使用 DTM 在未施肥的对照小区进行对照测量。通过连续 3 至 6 天的测量，考虑温度和风速变化对排放量的影响，获得全天时段内可靠的氨挥发损失数据。测量时间应包括清晨、上午晚些时候、下午早些时候、下午晚些时候以及日落前不久。进行测量时，首先通过将腔室抬升至距地面约一米的高度，用无氨空气冲洗 DTM 系统。然后，使用直接连接到腔室系统末端 PTFE 管的手动泵，将空气通过聚四氟乙烯（PTFE）管路和腔室。按照腔室底部边缘标记的深度，将 DTM 腔室垂直压入土壤中，深度约为 15 毫米。或者，将 DTM 测定室压入土壤环中。确保土块不会卡在土壤环与测定室之间。使用一支已用过的低浓度指示管进行前 20 次预抽气操作，以建立准稳态条件。氨浓度通过管内pH敏感颗粒的颜色变化来指示，颜色由深黄色变为蓝紫色，只要颜色变化处于管壁上印刷的刻度范围内即可读取结果。根据已使用指示管观察到的颜色变化信息，选择下一测量步骤中要使用的新型指示管的浓度范围。使用安装在泵体上的管子切割器折断管端头部，打开新型指示管的两端。将指示管插入末端的PTFE管与泵之间，通过将管的两端分别压入PTFE管和泵口完成连接。将标有刻度最低数值的一端插入PTFE管，将标有最高数值的一端插入泵口。按下自动泵的“OK”按钮或挤压手动泵，开始抽吸，直至达到默认的冲程次数。尽量缩短使用过的导管进行预抽气与开始实际测量之间的暂停时间。若使用手动泵进行测量，应在手动泵第一次抽气的同时启动秒表。当达到标准抽气次数且手动泵完全回位时，终止测量。当达到终末冲程后，松开手泵，停止秒表计时。若标准冲程次数后仍未达到管壁上所印刻度的最低值第一条线，则将冲程次数增加至最多50次。仅当指示管刻度上至少达到第一条线时，方可依据指示管读数进行判断。从各个角度读取试管上最远端的颜色变化，因为着色线通常略微倾斜或不均匀，并记录浓度值。在记录表上注明测定地点、日期、测量时间、振荡次数以及以 ppm 为单位的读数。用干净的纸巾清洁测定室边缘残留的土壤、粪肥或肥料成分。然后，将DTM系统从地面抬起，并像之前一样进行冲洗。在样地内不同位置进行多次测量，以提高测量结果的可靠性。在施肥后立即于实验样地中央、距土壤或冠层表面0.15米高度处，放置固定在钢杆上的被动采样器。尽快使用泥浆肥料施用拖拉机或系统安装采样器，不得延误。若土壤干燥，需用锤子将钢杆敲入土壤中。放置被动采样器后，携带装有已分类填充酸化小瓶的分格托盘或袋子，前往被动采样器进行第一次采样周期的取样。在处理装有酸溶液的小瓶前，戴上手套。取出相应样地和采样时间点的小瓶。拧开被动采样器的瓶盖，将小瓶中的0.05摩尔硫酸溶液倒入采样瓶口中。然后，将小瓶的瓶盖重新拧紧，并放回托盘或袋中。在采样周期结束后，如需更换被动采样器中的0.05 mol/L硫酸溶液，应小心拧开被动采样器，谨慎地将窗口间溶液通过排液孔排入原先盛装溶液的空瓶中。随后，通过瓶口使用下一个未使用的试剂瓶中的新0.05 mol/L硫酸溶液重新填充采样器。将两个小瓶的瓶盖拧紧，并正确标记。通过将被动采样器拧到连接钢杆的瓶盖上，将其固定在杆上。在记录表上注明地块编号和填充时间。根据文本方案中所述的方法计算氨排放通量。一项田间试验的结果展示了多种减少牛粪浆施用后氨排放的方法，与使用拖曳软管施用相比，包括使用旋转耕耘机混施、酸化粪浆混施以及封闭式插槽注入法。该方法显示出氨排放量之间存在极显著差异，其中以封闭式插槽注入或酸化后混施的减排效果最强。这些图表展示了施用不同尿素肥料后累积氨排放量的差异，其中部分处理添加了脲酶抑制剂和硝化抑制剂，部分未添加。无论是否使用硝化抑制剂，脲酶抑制剂的使用均使其显著降低了氨排放。仅施用尿素并结合硝化抑制剂的处理表现出最高的氨排放量。本方法展示了天气条件对尿素肥料和硝酸钙铵氨排放的显著影响，表现为不同施用日期下氨排放随时间变化的过程和排放水平的差异。低温和降雨显著降低氨排放，而高温则增加相对损失量和排放速率。通过多小区田间试验，展示了氨排放变化对冬小麦籽粒氮素吸收的影响。籽粒氮素吸收量随氨排放量的增加呈线性下降。采用该方法还可进一步应用其他技术，如温室气体测定、箱室测量、土壤取样和植物取样，以评估农学利用效率及整体环境可持续性。感谢观看本视频，祝您成功应用所提出的方法。

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校准被动采样 - NH多情节场测量<sub&gt; 3</sub&gt;与动态管法和被动采样的组合排放

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