Kalibrierte Passive Sampling - Multi-Plot Feldmessungen von NH<sub> 3</sub> Emissionen mit einer Kombination von Dynamic Tube-Methode und Passive Samplers
Summary
Die Ammoniakemissionen sind eine große Bedrohung für die Umwelt durch Eutrophierung, Versauerung der Böden und feinen Partikelbildung und stammen hauptsächlich aus landwirtschaftlichen Quellen. Diese Methode ermöglicht es den Ammoniakverlust Messungen in replizierten Feldversuche statistische Analyse der Emissionen und der Beziehungen zwischen den Pflanzenentwicklung und Emissionen zu ermöglichen.
Abstract
Landwirtschaftliche Ammoniak (NH 3) Emissionen (90% der gesamten EU – Emissionen) sind verantwortlich für etwa 45% der Luft Eutrophierung, 31% Bodenversauerung und 12% Feinstaubbildung innerhalb der EU – 15. Aber NH 3 -Emissionen bedeuten auch einen erheblichen Verlust an Nährstoffen. Viele Studien über die NH 3 Emission von organischen und mineralischen Dünger Anwendung in den letzten Jahrzehnten durchgeführt wurden. Dennoch zu NH Forschung 3 – Emissionen nach der Anwendung Düngemittel noch insbesondere in Bezug auf Beziehungen zu den Emissionen, Düngerart, Standortbedingungen und das Pflanzenwachstum begrenzt. Durch die variable Reaktion von Pflanzen auf Behandlungen, können Effekte nur in experimentellen Designs einschließlich Feld Replikation für statistische Tests validiert werden. Die dominierenden Ammoniakverlust Methoden ergibt quantitative Emissionen erfordern große Feldbereiche, teure Geräte oder Stromversorgung, die in replizierten Feldversuchen ihre Anwendung einschränkt. Diese protocol beschreibt eine neue Methode für die Messung von NH 3 -Emissionen auf viele Parzellen eine einfache semi-quantitative Messmethode in allen Parzellen verwendet Verknüpfung mit einer quantitativen Methode durch gleichzeitige Messungen mithilfe beider Methoden auf ausgewählten Flächen. Als semi-quantitative Meßmethode sind passive Probennehmer verwendet. Das zweite Verfahren ist ein dynamisches Kammerverfahren (Dynamic Tube – Methode) einen Transfer Quotienten zu erhalten, die die semi-quantitative Verluste des Passivsammlers wandelt Verluste auf quantitative (kg Stickstoff ha -1). Das Prinzip dieser Ansatz zugrunde liegt , ist , dass Passivsammler in einem homogenen Versuchsfeld die gleiche NH 3 Absorptionsverhalten unter gleichen Umweltbedingungen gelegt. Daher ist ein Transfer-Koeffizient aus einem Passivsammler erhalten wird, kann verwendet werden, um die Werte aller Passivsammler in der gleichen Feldversuch verwendet zu skalieren. Die Methode erwies sich als gültig unter einer Vielzahl von experimentellen Bedingungen und wird empfohlen,unter Bedingungen mit nackten Boden oder kleine Vordächer verwendet werden (<0,3 m). Ergebnisse aus Experimenten mit größeren Pflanzen erhalten sollten sorgfältig behandelt mehr werden.
Introduction
Ammoniak (NH 3) ist die einzige atmosphärische Spurengas überwiegend (90%) emittiert aus landwirtschaftlichen Quellen in der EU. Obwohl die Landwirtschaft auch eine wichtige Quelle ist (> 50% der EU-Emissionen), tragen diese nur etwa ~ 5% auf die Summe der EU15 anthropogenen Treibhausgasemissionen. Im Gegensatz dazu sind landwirtschaftliche NH 3 -Emissionen für rund 45% des Emissions abgeleiteten Eutrophierung verantwortlich, 31% der Versauerung und 12% Feinstaubbildung in der EU – 15 1. Neben schädlichen Auswirkungen auf die Ökosysteme und die menschliche Gesundheit, die Stickstoff (N) Verlust von NH 3 Emission ist ein wirtschaftlicher Schaden für die Landwirte 2. Stickstoffdünger ist wesentlich für die hohe Rate der Nahrungsmittelproduktion durch die moderne Landwirtschaft geliefert. Neben der Umweltschäden, NH 3 -Emissionen bedeuten somit einen erheblichen Verlust an Nährstoffen, wie NH 3 aus Dünger Ammonium abgeleitet ist, zusätzlich die wichtigsten Mineralstickstoffspezies direkt zu Nitrat in Anspruch nehmenauf die Anlage in der Lage Erntewachstumsprozesse und Ertrag gelten. Die Anwendung von N Düngemitteln trägt € 20-80000000000 Gewinn pro Jahr für die Landwirte der EU , aber wiederum wurde geschätzt , dass NH 3 freigesetzt in die Luft aus der Landwirtschaft verursacht ~ € 50000000000 in jährlichen Schaden in der EU 3. Daher Reduktion von 3 – Emissionen NH ist wichtig sowohl für den Umwelteinflüsse zu verringern und die Effizienz des angewandten N. zunehmenden
In der Landwirtschaft, NH 3 wird hauptsächlich aus Tierställen, Dung (Schlämmen, anaerobe Gärreste (AD), Festmist) Speicherung und Verwaltung sowie Dung Feldanwendung emittiert. Die Neigung zu emittieren NH 3 unterscheidet sich je nach Dung Zusammensetzung, zB Trockensubstanzgehalt und Gülle pH – Wert. Bis zu einem gewissen Ausmaß Ammonium- und Amin – basierten synthetischen Stickstoffdüngern wie Harnstoff und Diammoniumphosphat tragen auch zur NH 3 -Emissionen. Obwohl kalkhaltigem Ammoniumnitrat (CAN) Ist der wichtigste Dünger N in vielen europäischen Ländern hat sich der Einsatz von Harnstoffgranulat erhöht und war an zweiter Stelle in Mittel- und Westeuropa zu CAN im Jahr 2012 4. Urea aufgrund seiner Vorteile einer hohen N – Gehalt in den Entwicklungsländern besonders beliebt ist, Sicherheit und einfachen Transport und ist die wichtigste synthetische Stickstoffdünger 5 der Welt. Die Erhöhung des pH – Wertes und Oberflächen Boden NH 4 + -Konzentrationen aus Harnstoff Hydrolyse in hoher NH 3 -Emissionen führen jedoch. Dies kann niedrigen N Nutzungseffizienz verursachen, insbesondere in alkalischen Boden oder Boden mit geringer Sorptionskapazität, die die Verwendung von Harnstoffdünger in Europa 6,7 begrenzt.
Viele Studien über die NH 3 Emission von organischen und mineralischen Dünger Anwendung und Ställen haben in den letzten Jahrzehnten 6, 8. Dennoch durchgeführt wurde, die Forschung im Zusammenhang mit NH 3 -Emissionen nach der Anwendung von Ammoniak Emitting Düngemittel ist noch begrenzt. Dies gilt insbesondere für das Verhältnis zwischen der Ammoniakemissionen, Dünger-Typ verwendet, Standortbedingungen und das Pflanzenwachstum. Unter idealen Bedingungen erfordert diese replizierten Feldversuche aufgrund der variablen Reaktion von Kulturen auf Behandlungen, die nur in einem experimentellen Design einschließlich Feld Replikation für statistische Tests überprüft werden kann.
Ammoniakverluste sollten daher auch in replizierten Multi-Plot Feldversuche 9, aber die dominierende Ammoniakverlust Methoden quantitative Emissionen umzu bestimmt werden (dh kg N / (ha * h)) benötigen große Feldbereiche (mikrometeorologischer Methoden), teure Ausrüstung (Windkanäle ) oder im Bereich Stromversorgung, die in replizierten Feldversuche schwierig oder unmöglich, ihre Anwendung zu machen. Darüber hinaus haben bestimmte Einstellungen von Windkanälen wurde in Bezug auf die Genauigkeit der erhaltenen Emissionswerte 10 kritisiert. Daher gibt es ein starkes Bedürfnis für einen Ammoniakverlust Methode Ammoniakemissionen in replizierten Feldversuchen zu bestimmen. Dieses Verfahren könnte verwendet werden, um landwirtschaftliche Maßnahmen zu verbessern Ammoniakemissionen auf statistisch abgesicherte Effekte der Standortbedingungen, Düngerart, Anwendungsmethoden und Pflanzenentwicklung auf Basis zu reduzieren.
Die Grundidee der neuen Methodik, kalibriert passive Abtastung ist eine einfache halbquantitative Messverfahren für die Messung von vielen Plots zu verbinden, mit einer quantitativen Verfahren durch gleichzeitige Messungen mit beiden Methoden auf wenige Parzellen. Passivsammlern im Vergleich modifiziert mit dem in der Originalpublikation 11 werden als eine semi-quantitative Meßmethode verwendet. Das Dynamic-Rohr – Methode (DTM) 12, eine kalibrierte dynamische Kammerverfahren wird verwendet , um einen Übertragungskoeffizienten zu erhalten, die die semi-quantitative Verluste des Passivsammlers wandelt auf quantitative Verluste (kg N ha -1). Aufgrund der geringen Luftwechselrate in der KammerSystem unkalibrierten Emissionen aus der DTM erhalten sind etwa eine Größenordnung niedriger als den tatsächlichen Emissionswerten. Jedoch wurde dieses Problem durch eine Kalibrierungsgleichung zu überwinden , welche die Kammer Flüsse in Abhängigkeit von in-situ korrigiert Windbedingungen 13. Diese Kalibrierungsgleichungen kann nur angewendet werden, wenn Kammern den gleichen Innenraumvolumen und Gestaltung wie die in den Kalibrierungsversuchen verwendet haben. Chambers kann direkt im Boden oder in Verkehr gebracht auf die Bodenringe eingesetzt werden. Letztere verhindern übermäßige Störung des Bodens und ermöglicht eine nahezu luftdichten Einführung der Kammern auf dichten Grasrasen oder verdichtetem Boden. Außerdem kann die genaue Menge an Dünger getestet werden kann im Inneren der Bodenringe aufgebracht werden. Jedoch Erdklumpen auf den Boden Ringe kann auch zwischen der Kammer und der Bodenring mit sich bringen festzuklemmen.
Abbildung 1: Gleichzeitige measurement mit Passivsammlern und Kammerverfahren (DTM) in Feld – Plot. Passive Sampler ist in der Mitte eines quadratischen Grundstück 0,15 m über dem Boden / Vordach gelegen. Messungen mit DTM sind mindestens zwei Stellen innerhalb einer Parzelle pro Messzeitpunkt. Gebiete für die Ernte gewidmet sollte nicht von Kammer und zur passiven Probenmessoperationen betroffen sein.
Abzuleiten , die Übertragungskoeffizienten Messungen durchgeführt werden, gleichzeitig auf einer kleinen Anzahl von Stellplätzen mit beiden Methoden (Abbildung 1). Es ist wichtig, dass sie mit der gleichen Gesamtmessdauer angelegt werden und dass Messungen werden zur gleichen Zeit (innerhalb 1 Stunde) durchgeführt. Das Prinzip der Anwendung einer Übertragungskoeffizienten für viele Parzellen erleichtert wird basierend auf der Tatsache , dass Passivsammler in einem homogenen Versuchsfeld platziert, mit entsprechenden Abstand zu Hindernissen das Windfeld als Hecken, Gebäude usw. (mindestens 10 – mal zu stören, im Idealfall 20 Zeiten von obstacle Höhe) 14, haben die gleiche NH 3 Absorptionsverhalten unter identischen Umgebungsbedingungen. So zum Beispiel, 50% geringere Emissionen auf einem Grundstück würde direkt auf 50% reduziert Ammoniak-Aufnahme durch einen Sampler Lösung übersetzen. Daher kann ein Durchgangskoeffizient für die Skalierung von Säurefalle Werte in einer einzigen Kurve verwendet werden, um die Werte aller Säurefänger in der gleichen Feldversuch verwendet zu skalieren. Aufgrund Wirkungen variierender Umgebungsbedingungen (Temperatur, Windgeschwindigkeit, Oberflächenrauhigkeit) auf Ammoniakaufnahme Effizienz der Passivsammler 11 die Transferkoeffizienten für jede Messreihe abgeleitet werden, respectively.
Die allgemeinen Merkmale der beiden Methoden angewandt und die erforderliche Gestaltung von Feldversuchen zählen 4 dynamische Kammern auf die mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Schläuche angeschlossen Boden gelegt und belüftet durch eine Balgpumpe (DTM), Passivsammler und großen quadratischen Versuchsflächen mit großen Puffer Räume für reducing die Wirkung von NH 3 Drift zwischen den Parzellen auf der Emissionsmessung auf dem tatsächlichen Handlung.
Die Passivsammler werden mit verdünnter Schwefelsäure (0,05 MH 2 SO 4) gefüllt und in der Mitte der Flächen angeordnet. Die Lösung in der Passivsammler absorbiert kontinuierlich Ammoniak und wird regelmäßig in Abhängigkeit von der erwarteten Intensität der Emissionen ersetzt. Gleichzeitig werden NH 3 Flüsse mit der DTM auf zwei Behandlungs Plots und eine Kontrollparzelle zu bestimmten Zeitpunkten gemessen. Im Gegensatz Tunnel zu wickeln, kombiniert beide Methoden kalibriert passiven Probenahme haben nur sehr begrenzte Auswirkungen auf die Bodenfeuchte, Temperatur und Niederschläge , die 6,8 Verluste Ammoniakemission sehr stark beeinflussen können. Während Passivsammler sind 0,15 m über dem Boden und Segelfläche montiert, ohne Auswirkung auf diese Variablen, die Messungen mit DTM Kammern nur zuletzt für ca. 5 min auf ein Minimum Potential Kammer Wirkungen verringert. </p>
Genaue Ergebnisse für NH 4 + Konzentrationen in der Probenlösung kann durch Messungen mit Ammoniumempfindlichen Elektroden erhalten werden. Messungen mit Continuous-Flow-Auto-Analysatoren können in diesen Instrumenten angewandt als pH-empfindliche Farbreaktion problematisch sein kann durch den sauren pH-Wert der Lösung Probenahme und Chemikalien Modifikation erfordern behindert durch. NH 3 Konzentrationen in der Luft , die durch das Kammersystem der DTM übergeben werden sofort mit Kontrollröhrchen gemessen. Die gemessenen NH 3 Konzentrationen werden nach jeder Messung auf einem Datenblatt aufgezeichnet.
Für DTM, NH 3 Flüsse (mg N / (m² * h)) berechnet aus den gemessenen NH 3 -Konzentrationen und Luftströmungsgeschwindigkeit durch das 4 – Kammer – System und dem durch die Kammern abgedeckt (Gl. 1, Absatz 2.5.1). Die sich daraus ergebenden unkalibrierten Flüsse (die die wahren Emissionen unterschätzen) auf quantitative Verluste skaliertmit einer Kalibriergleichung (Gl. 2 und 3, siehe Abschnitt 2.5.1). Scaled kumulative NH 3 Verluste (kg N / ha) der DTM werden berechnet , indem die Flüsse zwischen zwei aufeinander folgenden Messdaten gemittelt, Multiplikation dieses durchschnittlichen Fluss mit der Dauer jedes Intervalls und das Hinzufügen von sich auf alle Verluste aus allen Messintervalle einer Messung Kampagne. Kumulative qualitative NH 3 Verluste (ppm Summe) von Passivsammler werden durch Addition gesammelt NH 4 + -Konzentration (ppm) auf einem Grundstück innerhalb einer experimentellen Kampagne berechnet. Dies ist möglich, da unter gleichem Volumen und Messtemperaturen, ppm-Werte direkt in erfassten Mengen an Ammoniak zu übersetzen. Um diese qualitative Verluste zu quantitativen Verlusten den Übertragungskoeffizienten skaliert (kg N / (ha * ppm)) durch Bezug kumulative endgültigen Verlust der DTM (kg N ha -1) auf die Gesamtsumme der Konzentrationen in den Sampler , gemessen an der abgeleitet ist gleichen Plots. Dieser Übergangskoeffizient wird dann verwendet to konvertieren semi-quantitative Emissionen aus der passiven Probenahme quantitative Flüsse (zB kg N / ha) durch die kumulativen Konzentrationen mit dem Übertragungskoeffizienten multipliziert wird .
Verlust von Wasser aus den Kollektoren durch Verdunstung beeinflusst nicht die Fähigkeit Absorptions sondern später für die Datenanalyse korrigiert werden. Spilling der Lösung aufgrund bei starkem Wind hat sich auch in den Küstenmarschen des nördlichen Deutschland nicht beobachtet worden. Entscheidend für eine erfolgreiche Anwendung dieses Ansatzes ist die identische Gestaltung aller Passivsammler im Bereich einschließlich identischer Position und Höhe der Platzierung in einem Grundstück angelegt. Einige Entwürfe von Passivsammler wurden in der Vergangenheit erfolgreich angewendet. Dieses Papier schlägt vor, eine bestimmte Konstruktion, die in Feldmessungen zuverlässig und einfach hat sich zu bedienen. Der vorgestellte Ansatz wurde durch Vergleich mit Standardammoniakverlust Methoden (mikrometeorologischer Methoden) in etwa 15 Fiel ausgiebig getestetd Studien , die die quantitative Gültigkeit des Verfahrens 15,16 und eine unvoreingenommene Darstellung der Emissionsdynamik 17 bestätigt. Der Bestimmungskoeffizient (r²) von kalibrierten Flußmittel im Vergleich zu den Messungen in der mikrometeorologischer Kalibrierungsstudie 13 betrug 0,84, ganz ähnlich wie die Koeffizienten , erhalten durch Ammoniaksensoren zur gemessenen Atmosphärenammoniakkonzentrationen in einer neueren Studie 18 verglichen wird . Die relative root mean square error kumulativer Ammoniakverluste betrug 17%, auch ganz in der Nähe Werte in anderen Studien erhalten Vergleich mikrometeorologischer Messungen 13. In der zweiten Validierung wo das vorgeschlagene Verfahren zur mikrometeorologische Messungen der Ammoniakemissionen aus organischen Schlämmen verglichen wurde (5 separate Studien), einem r² von 0,96 (Steigung der Kurve ≈ 1) und einer relativen root mean square Fehler von 5% erhalten für die endgültige kumulierten Ammoniakemissionen 15. Das Verfahren hat sich als empfindlichein 3 Jahre Feldversuch verschiedene synthetische Stickstoffdünger 19 verwendet wird . Die Anwendung dieses Ansatzes ist durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten beschränkt ≤4 m / s bei 2 m Höhe wie die Kammerverfahren nur unter diesen Bedingungen 13,15,16 validiert wurde.
Testen Ammoniakemissionen nach der Anwendung von Düngemitteln Eine Messkampagne wird als Experiment definiert auf mehrere Grundstücke für mehrere Tage dauern, bis Wochen. Jede Messkampagne auf einem Grundstück besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Abtastintervallen (Passivsammler) oder Messdaten (DTM). Sampling-Intervall wird als sequentielle Dauer der Absorption des emittierten Ammoniak durch eine Stichprobenlösung definiert. Mess Datum wird als sequentielle Zeitpunkt definiert, bei der DTM-Messungen durchgeführt werden, auf verschiedenen Parzellen zum Ableiten des Übertragungskoeffizienten verwendet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es wurde gezeigt, dass das vorgeschlagene Verfahren verwendet werden können, die Ammoniak-Emissionen aus verschiedenen Düngungs in replizierten Feldversuche und die Verwendung der erhaltenen statistisch signifikante Informationen aus diesen Messungen zur Verbesserung der Verwaltung von N Düngemittel zu vergleichen. Die Menge der Emissionen durch diesen Ansatz erhalten wurde 13,15,16 in früheren Studien durch Vergleich mit mikrometeorologischer Messungen validiert. In dieser Arbeit wurde die quantita…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Der Autor dankt Dr. Marco Roelcke, Dr. Dirk Niekisch, Dr. Robert Quakernack, Dr. Kang Ni für ihre Bemühungen bei der Entwicklung und Weiterentwicklung dieses Ansatzes. Vielen Dank auch an die Techniker Doris Ziermann und Jun Yang. Die zugrunde liegenden Untersuchungen wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesland Schleswig-Holstein, EFRE Zuschüsse der Europäischen Union und der SKW Piesteritz corp. wie ausführlich in den zitierten Veröffentlichungen angegeben.
Materials
| stainless steel Dräger chamber + soil rings | Fa. Hofmann GmbH, Metallindustriewerk, Kiel, Germany | no number | |
| roofs and stainless steel rod for passive sampler | Fa. Hofmann GmbH, Metallindustriewerk, Kiel, Germany | no number | |
| ammonia electrode + bench | Thermo scientific | Cat. No. 9512BNWP or 951201 | |
| ammonia electrode filling solution | Thermo scientific | Cat. No. 951202 | |
| Ammonia calibration standards; 0.1 M ammonia chloride standard | Thermo scientific | Cat. No. 951006 | |
| Dräger pumps | Draeger Safety AG& Co Kg | ||
| Dräger tubes | Draeger Safety AG& Co Kg | types: 0.25/a; 2/a; 5/a | |
| acid resistant passive sampling bottles (Azlon bottle, HDPE) | Dunn Labortechnik GmbH | Cat.No.: BGE230P | |
| small vials (scintilation bottles PE 60 mm X 27 mm) | any laboratory store | ||
| PTFE tubing 7 mm x 1 mm WDG | any laboratory store | ||
| connectors PP Y-Form 6-7 mm | any laboratory store |
References
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