Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Kalibrerad Passiv provtagning - Multi-tomt fältmätningar av NH Published: March 21, 2016 doi: 10.3791/53273
Automatic Translation
1,2
1Institute of Ecology, Assoc. Institute of Environmental and Sustainable Chemistry, Leuphana University, 2Institute of Crop Science and Plant Breeding, Department of Agronomy and Crop Science, Christian-Albrechts-University Kiel

Summary

Ammoniakutsläpp är ett stort hot mot miljön genom övergödning, försurning och fin partikelbildning och härrör främst från jordbruket. Denna metod tillåter mätningar ammoniak förlust i replike fältförsök möjliggör statistisk analys av utsläpp och relationer mellan grödans utveckling och utsläpp.

Abstract

Jordbruks ammoniak (NH 3) utsläpp (90% av EU: s totala utsläpp) svarar för ca 45% luftburna övergödning, 31% markförsurning och 12% fin dammbildning inom EU15. Men NH 3 utsläpp innebär också en betydande förlust av näringsämnen. Många studier på NH3 utsläpp från organiska och mineralgödselspridare har utförts under de senaste decennierna. Ändå är forskning med anknytning till NH 3 utsläpp efter applicering gödnings fortfarande begränsad i synnerhet när det gäller relationer till utsläpp, typ gödselmedel, stället och grödornas tillväxt. På grund av den varierande svar av grödor behandlingar, kan effekterna endast valideras i experimentell design, inklusive fält replikering för statistisk testning. De dominerande metoder ammoniak förlust som ger kvantitativa utsläppen kräver stora åkerområden, dyr utrustning eller strömförsörjningen, vilket begränsar deras tillämpning i replike fältförsök. denna protocol beskriver en ny metod för mätning av NH 3 utsläppen många tomter som förbinder en enkel semi-kvantitativ mätmetod som används i alla tomter, med en kvantitativ metod samtidiga mätningar med hjälp av båda metoderna på utvalda tomter. Som en semi-kvantitativ mätmetod passiva provtagare används. Den andra metoden är en dynamisk kammarmetod (Dynamic Tube Method) för att erhålla en överföringskvot, som omvandlar de halv kvantitativa förluster av den passiva provtagaren kvantitativa förluster (kg kväve ha -1). Principen bakom detta tillvägagångssätt är att passiva provtagare placerade i ett homogent experimentella fältet har samma NH3 absorption beteende under identiska miljöförhållanden. Därför kan en överföringskoefficient erhölls från enstaka passiva provtagare användas för att skala värdet av alla passiva provtagare används på samma försöksfältet. Metoden visade sig vara giltigt under ett brett spektrum av experimentella betingelser och rekommenderas tillanvändas under förhållanden med barmark eller små skärmtak (<0,3 m). Resultaten från experiment med högre växter ska behandlas mer noggrant.

Introduction

Ammoniak (NH3) är den enda atmosfärisk spårgas huvudsakligen (90%) som avges från jordbruket i EU. Även jordbruket är också en viktig källa (> 50% av EU: s utsläpp), endast dessa bidrar till ca ~ 5% till summan av EU15 antropogena utsläpp av växthusgaser. Däremot jordbruks NH 3 utsläpp svarar för ca 45% av utsläppen som härrör övergödning, 31% av försurning och 12% fin dammbildning inom EU15 1. Förutom skadliga effekter på ekosystemen och människors hälsa, kväve (N) förlust av NH3 utsläpp är en ekonomisk förlust för bönderna 2. Kvävegödsel är en förutsättning för den höga produktionstakten mat levereras av det moderna jordbruket. Förutom miljöskador, NH 3 utsläppen därmed innebära en avsevärd förlust av näringsämnen, som NH3 härrör från gödsel ammonium, förutom nitrat de viktigaste mineralkvävearter direkt utnyttjakunna växten styr grödan tillväxtprocesser och avkastning. Tillämpning av N gödselmedel bidrar 20-80 miljarder € i vinst per år för EU: s jordbrukare, men i sin tur det uppskattades att NH3 släpps ut i luften från jordbruket orsakar ~ 50 miljarder € i årliga skador i EU 3. Därför är viktig minskning av NH 3 utsläpp för både minska miljöeffekterna och öka effektiviteten i den applicerade N.

Inom jordbruket är NH3 främst avges från djurstallar, gödsel (slam, anaeroba rötrester (AD), fast gödsel) lagring och hantering samt gödsel fält ansökan. Benägenheten att emittera NH 3 skiljer sig beroende på gödselkomposition, t.ex. torrsubstanshalten och gödsel pH. Till viss del ammonium och aminbaserad syntetiska kvävegödselmedel som urea och diammoniumfosfat också bidra till NH 3 utsläpp. Även kalkhaltig ammoniumnitrat (CAN) Är den huvudsakliga N gödsel i många europeiska länder, har användningen av granulat urea ökade och var näst CAN i Central- och Västeuropa under 2012 4. Urea är särskilt populär i utvecklingsländerna på grund av dess fördelar med hög kvävehalt, säkerhet och enkel transport och är världens viktigaste syntetiska kvävegödsel 5. Emellertid kan en ökning av pH och ytjord NH 4 + -concentrations härrör från ureahydrolysen resulterar i höga NH 3 utsläpp. Detta kan leda till låg verkningsgrad N användning, särskilt i alkaliska jord eller jord med låg sorptionskapacitet, som begränsar användningen av urea gödselmedel i Europa 6,7.

Många studier på NH3 utsläpp från organiska och mineral gödselspridare och djurstallar har utförts under de senaste decennierna 6, 8. Icke desto mindre forskning med anknytning till NH 3 utsläpp efter applicering av ammoniak Emittning gödselmedel är fortfarande begränsad. Detta särskilt gäller förhållandet mellan ammoniakutsläpp, typ gödselmedel används, stället och grödornas tillväxt. Under idealiska förhållanden kräver detta replikerade fältförsök på grund av varierande svar av grödor behandlingar som endast kan valideras i en experimentell design inklusive fält replikering för statistisk testning.

Ammoniakförlusterna bör därför också fastställas i replikerade fler tomt fältförsök 9, men de dominerande ammoniakförlustmetoder ger kvantitativa utsläppen (dvs. kg N / (ha * h)) kräver stora åkerområden (mikrometeorologiska metoder), dyr utrustning (vindtunnlar ) eller på fältet elförsörjning som lämnar in sin ansökan i replikerade fältförsök svårt eller omöjligt. Dessutom har särskilda inställningar för vindtunnlar kritiserats med avseende på riktigheten av erhållna utsläppsvärdena 10. Därför finns det ett starkt behov av enn ammoniak förlust metod för att bestämma utsläppen av ammoniak i replikerade fältförsök. Denna metod kan användas för att bidra till att förbättra jordbruksåtgärder för att minska ammoniakutsläppen baserat på statistiskt validerade effekter av stället, typ gödselmedel, appliceringsmetoder och grödans utveckling.

Den grundläggande idén med den nya metoden, kalibrerad passiv provtagning, är att länka en enkel semi-kvantitativ mätmetod för mätning på många tomter, med en kvantitativ metod genom samtidiga mätningar med båda metoder på några tomter. Passiva provtagare modifierade jämfört med utformningen i den ursprungliga publikationen 11 används som en semi-kvantitativ mätmetod. Dynamic-rörmetoden (DTM) 12, ett kalibrerat dynamisk kammarmetod, används för att erhålla en överföringskoefficient, som omvandlar de halv kvantitativa förluster av den passiva provtagaren kvantitativa förluster (kg N ha -1). Grund av den låga växelkurs luften i kammarensystemet okalibrerade utsläpp som erhållits från DTM är ungefär en storleksordning lägre än verkliga utsläppen. Emellertid var detta problem övervinnas genom en kalibreringsekvation som korrigerar kammar flöden beroende på in situ vindförhållanden 13. Dessa kalibrerings ekvationer kan endast användas när kamrarna har samma inre huvudutrymmesvolym och design som de som används i kalibreringsförsök. Chambers kan direkt in i marken eller placeras på markringar. Den senare förhindra överdriven störning av jorden och ger en nästan lufttät införande av kamrarna på täta gräs Swärds eller packad jord. Dessutom kan den exakta mängden gödsel som skall testas appliceras i jordringarna. Däremot kan jordklumpar på jordringarna också innebära kläm mellan kammaren och marken ringen.

Figur 1
Figur 1: Samtidig MeasureMent med passiva provtagare och kammarmetoden (DTM) i fält tomt. Passiv provtagaren ligger i centrum av en kvadrat tomt 0,15 m över marken / kapell. Mätningar med DTM görs minst 2 platser inom en tomt per mätning datum. Områden avsedda för skörd bör inte påverkas av kammar och passiv provtagare mätningsverksamhet.

För att härleda överföringen koefficient mätningar utföras samtidigt på ett litet antal områden med båda metoderna (Figur 1). Det är viktigt att de tillämpas med samma totala mätt varaktighet och att mätningar utförs vid samma tidpunkt (inom 1 h). Principen underlätta tillämpningen av en överföringskoefficient för många tomter är baserad på det faktum att passiva provtagare placerade i ett homogent experimentella fältet, med lämpligt avstånd till hinder som stör vinden planen när häckar, byggnader mm (minst 10 gånger, helst 20 tider av obstacle höjd) 14, har samma NH3 absorption beteende under identiska miljöförhållanden. Så, till exempel, 50% lägre utsläpp på en tomt skulle direkt översätta till 50% minskad ammoniak upptag av en sampler lösning. Därför kan en övergångstal som används för skalning av sura fälla värden på en enda tomt användas för att skala värdena för alla sura fällor som används i samma försöksfältet. På grund av effekterna av olika miljöförhållanden (temperatur, vindhastighet, ytjämnhet) på ammoniakupptag effektivitet passiva provtagare 11 överföringskoefficienten måste härledas för varje mätning kampanj, respektive.

De allmänna egenskaperna hos de två metoderna tillämpas och den erforderliga utformningen av fältförsök omfattar 4 dynamiska kammare placeras på marken i samband med polytetrafluoretylen (PTFE) slang och ventileras med en bälg pump (DTM), passiva provtagare och stora kvadratiska experimentella tomter med stor buffert utrymmen för reducing effekten av NH3 drift mellan tomter på utsläppsmätning på det aktuella området.

De passiva provtagare är fyllda med utspädd svavelsyra (0,05 MH 2 SO 4) och är placerade i centrum av de tomter. Lösningen i de passiva provtagare absorberar kontinuerligt ammoniak, och ersätts regelbundet beroende på den förväntade intensiteten av utsläppen. Samtidigt är NH 3 flöden mäts med DTM på två behandlings tomter och en kontroll tomt vid specifika tidpunkter. I motsats till vindtunnlar, båda metoderna kombineras i kalibrerad passiv provtagning har endast mycket begränsade effekter på markfuktighet, marktemperatur och regn som kan påverka förluster utsläpp av ammoniak mycket starkt 6,8. Medan passiva provtagare monteras 0,15 m över marken och canopy yta, utan någon effekt på dessa variabler, mätningar med DTM kammare sist bara för ca 5 min minska möjliga kammareffekter till ett minimum. Fyrstjärniga NH 4 + koncentrationer i provtagnings lösning kan erhållas genom mätningar med ammonium känsliga elektroder. Mätningar med kontinuerligt flöde Auto analysatorer kan vara problematiskt eftersom pH-känslig färgreaktion tillämpas i dessa instrument kan genom hämmas av det sura pH-värdet i provlösning och kemikalier som används behöver ändras. NH 3 koncentrationer i luften passerar genom kammarsystemet i DTM är momentant uppmätta med indikator rör. De uppmätta NH 3-koncentrationer registreras på ett datablad efter varje mätning.

För DTM är NH 3 flöden (mg N / (m * h)) beräknas utifrån uppmätta NH 3 koncentrationer och luftflödet genom fyra kammarsystemet och det område som omfattas av kamrarna (Eq. 1, punkt 2.5.1). De resulterande okalibrerade flussmedel (som underskattar de verkliga utsläppen) skalas kvantitativa förlustermed en kalibreringsekvation (Ekv. 2 och 3, se punkt 2.5.1). Skalade ackumulerade NH 3 förluster (kg N / ha) i DTM beräknas genom medelvärdes flöden mellan två på varandra följande datum mätning, multiplicera denna genomsnittliga flöde med varaktigheten av varje intervall, och lägga upp alla förluster från alla mätintervallen av en mätning kampanj. Kumulativa kvalitativa NH 3 förluster (ppm summan) från passiva provtagare beräknas genom att addera upp insamlade NH 4 + -concentrations (ppm) på en tomt i en experimentell kampanj. Detta är möjligt på grund under identiska volym och mätningstemperaturer ppm värden direkt översätta till infångade mängder ammoniak. Att skala dessa kvalitativa förluster kvantitativa förluster överföringskoefficienten (kg N / (ha * ppm)) härleds genom att relatera kumulativ slutliga förlusten av DTM (kg N ha -1) till den totala summan av koncentrationer i provtagnings mätt på samma tomter. Denna överföringskoefficienten används sedan to konvertera halv kvantitativa utsläpp från passiv provtagning av kvantitativa flöden (t.ex. kg N / ha) genom att multiplicera de kumulativa koncentrationer med överföringskoefficienten.

Förlust av vatten från solfångarna genom avdunstning påverkar inte absorptionsförmåga men måste korrigeras senare för dataanalys. Spilla lösning på grund av under kraftiga vindar har inte observerats även i kust våtmarker i norra Tyskland. Avgörande för en framgångsrik tillämpning av detta tillvägagångssätt är identiskt mönster av alla passiva provtagare som tillämpas i området, inklusive identisk position och höjd placering inom en tomt. Flera konstruktioner av passiva provtagare har tillämpats med framgång i det förflutna. Detta dokument föreslår en särskild konstruktion som har visat sig vara tillförlitlig och lätt att använda i fältmätningar. De presenterade tillvägagångssätt har testats genom jämförelse med standardmetoder ammoniakförlusterna (mikrometeorologiska metoder) i cirka 15 field försök bekräftar den kvantitativa giltigheten av förfarandet 15,16 och en opartisk representation av utsläpps dynamik 17. Determinationskoefficienten (R ^) av kalibrerade flöden jämfört med mikrometeorologiska mätningar i kalibrerings studien 13 var 0,84, ganska lik den koefficient som erhålls genom att jämföra ammoniaksensorer för uppmätta atmosfärammoniakkoncentrationer i en nyligen genomförd studie 18. Den relativa rms-kvadratfelet av kumulativa ammoniakförlusterna var 17%, också ganska nära värden som erhållits i andra studier som jämför mikrometeorologiska mätningar 13. I den andra validering där den föreslagna metoden jämfördes med mikrometeorologiska mätningar av ammoniakutsläpp från organiska slam (5 separata prövningar), en R av 0,96 (lutning ≈ 1) och en relativ rms-kvadratfelet av 5% erhölls för slutliga ackumulerade ammoniakutsläpp 15. Metoden har visat sig vara känsliga i3 års fältförsök med olika syntetiska kvävegödsel 19. Tillämpningen av denna metod är begränsad till genomsnittliga vindhastigheter ≤4 m / s vid 2 m höjd som kammarmetoden endast validerade under dessa förhållanden 13,15,16.

En mätning kampanj definieras som ett experiment att testa ammoniakutsläpp efter applicering av gödselmedel på flera tomter som varar i flera dagar, upp till veckor. Varje mätning kampanj på en tomt består av flera efterföljande samplingsintervall (passiv provtagare) eller mätningsdatum (DTM). Samplingsintervall definieras som sekventiell längd absorbans avges ammoniak genom en samplings lösning. Mätning datum definieras som sekventiell tidpunkt vid vilken DTM mätningar görs på olika tomter som används för att härleda överföringskoefficienten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Experimentell Design och allmänna operativa instruktioner

  1. Använd jämförelsevis stora tomter (12 mx 12 m eller 9 mx 9 m) jämfört med storlekarna som vanligen används i replikerade fältförsök (t.ex. 3 x 8 m) för att undvika effekterna av ojämn gödsel på ammoniakutsläpp (Figur 2). Använd kvadrat tomt former för att undvika effekterna av skiftande vindriktningar på ammoniakupptag av provtagare. Minska drift av NH3 från ett tomt till den andra till en acceptabel nivå genom att hålla en buffertzon på en tomt storlek mellan tomter.

figur 2
Figur 2: Optimal experimentell design för multi-plot ammoniakförlustmätningar med passiva provtagare använda relativt stora (12 x 12 m, 9 mx 9 m) kvadratiska behandlings tomter åtskilda på varje sida av obehandlade skydds tomter.. För att undvika canopy effekter på NHBuffert 3 utsläpp tomter kan befruktas med nollutsläpp gödselmedel.

  1. Lägg kontrollytor utan gödselspridare fördelas mellan behandlings tomter.
  2. Ge nummer eller kod till varje tomt för enkel identifiering av tomter och prover.
  3. Applicera organiskt eller syntetiskt kvävegödsel till experimentella tomter på mellan 50 och 150 kg ammoniak (ammonium + urea) kväve (N) per hektar som i tidigare studier 15,16,19.
    Obs: Mängden gödsel kan variera beroende på experimentella mål.
  4. Välj två behandlings tomter och ett styrdiagram för samtidig mätning med DTM-metoden och passiv provtagare. Välj behandlings tomter med förmodat höga utsläpp (baserat på erfarenhet eller litteratur) ger en stark mätsignal.
  5. Inrätta ytterligare minst två tomter med jämnt fördelade gödselmedel tillämpas av jakt maskiner eller exakt spår slang eller Ytspridning (variation av Ntillämpas mellan upprepade tomter ~ 10%), om det finns ojämn vertikal eller lateral distributionsgödningsmedel. Observera att ojämn gödsel sker oftast efter applicering av slam från spår slang ansökan, gödsel och slam injektion eller tillämpningen av granulerade gödningsmedel med okalibrerade praktiska spridare.
    1. Genomför samtidiga mätningar med passiva provtagare och DTM på dessa ytterligare tomter. Använd resultaten från dessa tomter för härledning av överföringskoefficienten. Kontrollera mängden gödsel tillämpas genom vägning gödseltanken eller tillämpningen maskiner före och efter applicering.
  6. Registrera följande miljövariabler i fältet med ett situ väderstation loggningsdata för 10 min tidsintervall in för att beräkna den råa och korrigerade NH 3 förlustnivåer i DTM genom ekvationerna 1-3 (se Supplemental Code File) och eliminera fel i mätningarna plot:
    1. Spela lufttemperaturen (1m höjd)
    2. Spela lufttryck (hPa)
    3. Spela vindhastighet på 2 m höjd med höga tak och även på 0,2 m höjd (m / sek)
    4. Spela vindriktning.
      Obs: För att underlätta drift personal tre personer rekommenderas vid tillämpning av gödselmedlet (första mätningen datum) och installation av provtagare (en person i dynamisk kammarmetod, två för installation av passiva provtagare och utbyte av syralösning). Vid senare tidpunkter mätning, är två personer rekommenderas (en passiv provtagare, en dynamisk kammare); Men i fall av små diagramnummer (<10), är det hanterbart att täcka alla uppgifter med en person.

2. Förberedelser innan du går till fältet

  1. Förbered för mätning med DTM genom att följa dessa steg:
    1. Montera och packa kammarsystemet (figur 3 och 4) som består av poster som anges i tabell 1. Tryck PTFEröret (0,3 m längd) över den kortare kopparrör av varje kammare och anslut två PTFE rör med en Y-koppling, respektive. Anslut de båda y-kontakter med en annan PTFE-rör (0,3 m) och ansluta både med en annan Y-koppling. Sätt terminal PTFE röret (0,3 m) på den enda änden av det översta kontakten.
    2. Pack handpump eller automatisk pump (Figur 4) för ventilering av systemet. Packa alltid en handpump till området för spolning av systemet med luft med låg NH3 koncentration (steg 3.4.2). Obs: Original pumps av tillverkaren måste användas som reaktionskinetik i indikatorröret är nära kopplad till luftflödet som skapas av pumparna. När en automatiserad pump används, inte kräver det ytterligare stoppur mätningar under fluxmätningar.
    3. Om en automatisk pump inte används, före eller efter att ha tagit mätningar kontrollera längden av ett enda slag av handpumpen. Gör detta genom att pumpa med en öppen införas indikator tuvara (avskuren / sprucket rör huvudet) och mäta tiden fram till 10 slag med ett stoppur (tidigare värden: 4,5 sek / slag för rör 0,25 / a och 5 / a, 7 sekunder / slag för rör 2 / a).
    4. Ladda batteriet för automatisk pumpdispenser en dag före start av experiment.
      Notera: Urladdade batterier kan leda till en väsentligt långsammare pumpningshastighet.
    5. Förbered en Urklipp med kalkylblad för övervakning av DTM mätningar (tomt eller behandling, datum, tid, rör, antal slag, koncentration och mätning varaktighet om inga pumpdispensers används).
    6. Förbered en indikator rör låda (10 rör med varje koncentrationsintervall, tabell 2) att ta till området för att vara förberedd för olika ammoniak flödesnivåer (Figur 4).

Figur 3
Figur 3: Set-up och tillämpning av dynamisk cHamber Dynamic rörmetoden (DTM). Varje system består av 4 kammare förbundna med PTFE-slang, är minskningen anslutning används för att ansluta alla kammare till en pump. Luft dras genom ett kopparrör perforerat vid den nedre änden och förseglas längst ner, passerade över marken, och sög på toppen av den koniska inre volymen till en annan kopparrör. Den luft som har passerat genom systemet leds sedan via PTFE-slang till indikatorn rör för bestämning av ammoniakkoncentrationer.

figur 4
Figur 4: Indikator rör med pump dispenser och handpump Höger sida: handpump (slagräknare, fönster för pumpstyrning med vit fläck) med använd indikator rör;. vänster: pumpdispenser (kontroll display, kontrollknappar) och ny indikator röret (0,25-3 ppm). Ursprungliga fyllning av indikatorröret har en gul färg. Reaktion med ammoniak resultat i en förändring till lila färg är färgfram förskjuten i skala. koncentrationsvärdena ammoniak erhålles genom avläsning av skalan.

Nej. Komponenter i Dräger rörsystem
1 4 stål mäta kammare rostfritt (Figur 3)
2 7 segment av Teflon slang (7 mm x 6 mm, 0,3 m längd vardera); ersätta när starkt böjd
3 3 y-kontakter (PP)
4 Tillval: jord ring, rostfritt stål (särskilt rekommenderas för mätningar på gräsmark)
5 Handpump (Figur 4)
6 Indikator rör (1 förpackning innehåller 10 rör) (Figur 4)
7 Valfritt: pumpdispenser (Figure 4)
8 Valfritt: stoppur, när handpump används för mätningar

Tabell 1: Indikator rör (koncentrationsintervall) som används för mätning av ammoniak förlust.

Rör Koncentrationsområde (volym-ppm; il / l) Standard antal slag Kommentar
Ammoniak 0,25 / a 0,25-3 10 Lägsta detekterbara koncentration (ca 0,05 volym ppm) kan mätas genom att öka slagnummer till maximalt 50 slag
Ammoniak 2 / a 2-30 5
Ammoniak 5 / a 5-70 (600 1 stroke) 10

Tabell2: komponenter som behövs för att sätta upp ett system Dynamic Tube Metod mätning.

  1. Förbered för passiv provtagare mätning genom att följa dessa steg:
    1. Ställ in passiv provtagare med poster som anges i tabell 3 som visas i fig. 5 och förbereda ytterligare enheter för fältmätningar (tabell 3).
    2. Beräkna antalet flaskor (= antal provtagningar) för hela mätkampanj.
    3. Antag cirka 8 flaskor per tomt efter gödsling (dvs lösningen byts 7 gånger) och högre siffror för syntetiska kvävegödsel beroende på gödnings specifik upplösning och utsläpp beteende. Multiplicera antalet provtagningar med antal tomter för att beräkna det totala antalet provtagningar (totalt antal = antal tomter x antal samplingsintervall). Inkludera 10 extra flaskor i fall något spill uppstår.
    4. Beräkna den totala volymen av lösning som krävs genom att multiplicera totala antalet samplings med 0,02 L av 0,05 MH 2 SO 4 lösning.
    5. Förbereda total volym av 0,05 MH 2 SO 4 lösning genom att tillsätta 9,8 g koncentrerad svavelsyra (98%) per liter destillerat vatten.
      VIKTIGT: Tillsätt vatten först sedan koncentrerad svavelsyra, och skyddsglasögon.
    6. Väga varje tomma flaskan med lock före fyllning med syralösning eller använda ett antal flaskor (t.ex. 10) och beräkna genomsnittlig vikt på injektionsflaskor och notis resultat.
    7. Fyll alla små flaskor med 0,02 liter 0,05 MH 2 SO 4, till exempel med flaska-top dispenser.
    8. Etikett flaskor, både flaska och lock med vattentät bläck med provnummer, tomt nummer och ordning av provtagningslösningar inom mätsekvensen, för t.ex. B1 P1 T2 (korn försök 1, tomt 1, 2: a lösningen: lösning efter den första fyll på uppkomsten av experiment) eller B1 P23 T1 (korn försök 1, tomt 23, 1: a lösning).
    9. sorterings smalla flaskor för varje mätning vid en mätning kampanj i en plastpåse märkt med experiment nummer, år, etc. För större tomtnummer en bricka med sorterade flaskor är att föredra. Efter provtagning överföringsflaskor från fack till märkta plastpåsar.

figur 5
Figur 5:. Set-up av passiva provtagare (syrafälla) Huvuddelen av provtagaren består av en syrafast flaska med 1-2 fönster på varje sida (storlek beror på storleken på flaskan). Ett borrhål vid en övre kant används för att dränera flaskan. Därför fönster är något skiftat från detta hörn av denna kant av flaskan för att möjliggöra enkel hantering medan dränering. Flaskan fylls genom munnen upptill med samplings lösning och fixeras med munnen på locket som är skruvad till taket av rostfritt stål. Tak kan fästas med en flexibel skruv fixering tillstången för att medge anpassning till olika canopy höjder genom att använda endast en längd av stålstången.

Nej. Komponenter av passivt provtagningssystem
1 Stålstång med fästpunkt för plast tak (längd 0,5 m)
2 tak av rostfritt stål
3 Kubisk passiva provtagaren tillverkad av ett syraresistent PE-flaska med 1-2 myggnät täckta fönster på varje sida. Vid en övre kant ett hål borras för dränering begagnade samplingslösning. Shift fönster något från centrum för att tillåta utmatning av lösning genom hålet med låg risk för spill genom fönstren. Fäst locket på flaskan med 2 skruvar till ståltaket. Skruva flaska på locket.
4 Små flaskor för transport och påfyllning av sampler lösning (20 ml 0,05 MH 2 SO <sub> 4 lösning) - flera hundra för stora prövningar
5 Stora behållare / flaskor med sampler lösning (0,05 MH 2 SO 4 lösning) för alla flaskor
6 Flaska-top dispenser för att fylla små behållare med kollektor-lösning (20 ml)
7 Frys för provtagning lagringslösning

Tabell 3: Komponenter som behövs för att ställa upp en passiv provtagare och för att utföra passiva mätningar provtagning.

3. Efter att ha gått till fältet och Mätning

  1. Vidta följande tilläggsutrustning till området för att underlätta drift: pappershanddukar och påse för omhändertagande av använda pappershanddukar, klippbordet för att göra anteckningar, fack för (sorterade) flaskor, syrafasta handskar för hantering av syralösningen.
  2. Utför mätning av DTM och samtidigt eller wi byta passiva sampler lösningarthout stora tidsskillnader, särskilt i början av en mätning kampanj eller på förväntade höga NH 3 förluster.
  3. Gör kontrollmätning med DTM (steg 3,4) på ​​obefruktade kontrollytorna i början och slutet av varje mätning datum. Följ denna sekvens: kontroll, behandlingar, kontroll.
    1. Mät över 3-6 dagar för att få pålitliga mätningar ammoniak förlust för tidsrymden av en hel dag genom att redogöra för påverkande utsläpp på grund av varierande temperaturer och vindhastigheter. Göra mätningar vid dessa tider: tidigt på morgonen (strax efter soluppgången), sen morgon, tidig eftermiddag, sen eftermiddag, och strax före solnedgången.
    2. Om markringar används, pressringar på två lättillgängliga tillgängliga platser inom tomter i marken. Använd fyra ringar för varje plats och se till att avstånden mellan ringarna på varje plats kan nås med en av de fyra anslutna kamrarna i kammarsystemet (Figur 3). Infoga mark rings i marken med en planka placeras på ringarna att fördela trycket.
    3. Täck ringarna med små plastskivor under gödsling av tomterna om konstgödsel (t.ex. kalk ammoniumnitrat, urea) tillämpas. Omedelbart efter den maskintillämpning, applicera den erforderliga alikvot av gödselmedel med hög noggrannhet för hand av det område av jordringarna.
    4. Vid gödsel befruktning, först tillämpa gödsel (t.ex. genom leden slangar), sedan in ringar. Var försiktig så att gödningsmedlet mycket jämnt fördelad.
      Obs: Så gott empiriskt värde för giltiga mätningar efter spår slang befruktning följande fördelning av kamrarna visade sig ge korrekta resultat 13,14: två kammare på befruktade spår, två kammare på obefruktade området mellan. Om det finns en mycket stor mängd slam med låg viskositet appliceras genom spår slangar också placera fyra avdelningar på befruktade jord.
    5. Förfarande för mätning med DTM
      1. Ställ slagnumret till 50, om en automatisk pump används för att förenkla arbetet.
        Obs: Detta sätt stroke nummer i mellan 5 och 50 slag kan lätt tillämpas, stroke tal mindre än 50 slag kan uppnås genom att stoppa pumpningsprocessen.
      2. Skölj DTM-systemet med NH3-fri luft genom att lyfta kamrarna till en höjd av ca 1 m över marken och pumpa luft genom PTFE slang och kammare (20-30 stroke) med handpumpen i direkt anslutning till terminalen PTFE röret av kammarsystemet.
      3. Tryck DTM kammare direkt i marken till ett djup av ca 15 mm (djup präglas av en kant vid kammarens botten) eller i marken ringar (kragar). Se till att jordklumpar inte fastna i mellan jorden ringen och kammaren.
      4. Utför de första 20 förberedande pumpslag med en begagnad låg koncentration indikator-rör (0,25-3 ppm, Tabell 1) för att skapa kvasi-ställey-state-betingelser.
        Obs: Ammoniak koncentrationer indikeras med en färgförändring av pH-känsliga granulat inuti röret från mörkt gult till blåaktigt lila. Framsidan av denna färgförändring i röret visar NH3 koncentration så länge som den är belägen inom en skala tryckt på röret.
      5. Välj koncentrationsintervall (av tre möjliga rör med olika koncentrationsområden, Tabell 1) i den nya indikatorn rör som skall tillämpas i nästa mätning baserad på den information som erhålls från färgförändringen av det använda röret som användes i steg 3.4.4.
        Obs! I de flesta fall rör "0,25 / a" används. Omedelbart efter ytapplicering av flytgödsel och under höga temperaturer rören '2a "och" 5a' bör användas i många fall. Detta indikeras när indikatorn granulat av en svagt färgad används "0,25 / a" rör har helt vänt blå efter mer än 10 förberedande slag.
      6. Öppna en ny indikatorröret vid båda ändarna genom att bryta huvudet av att använda röret brytare installerad på pumphuset.
      7. Sätt i indikatorröret mellan terminal PTFE slang och pump genom att trycka på rörändarna in i PTFE-slang och pumpen munnen. Sätt in röränden med lägsta värdet på skalan som är tryckt på röret i PTFE-röret, och änden med det högsta värdet i pump munnen. Börja pumpa upp till standardslagnummer genom att trycka på OK-knappen för automatisk pump eller komprimera handpumpen. Håll paus mellan pre-pumpning med den använda röret (3.4.4) och i början av den faktiska mätningen så kort som möjligt.
        Obs: Detaljerad beskrivning av pumpdrift tillhandahålls av tillverkaren.
      8. Om en handpump används för mätningar, starta stoppuret samtidigt med den första slaget hos handpumpen.
      9. Avsluta mätningen när standard antal pumpslag (10 slag, 5 stroke med rör 2 / a) är uppnådd och handpumpen är helt avslappnad (värdestandardslagnummer dyker upp på displayen automatisk pump eller på mekanisk slagräknare av handpumpen). Med avkoppling av handpumpen avsluta Tidtagningen (handpump). Avsluta automatisk pumpning genom att trycka på "stopp" när slagnummer = standardslagnummer - en visas.
      10. Öka slagnummer till högst 50 slag om den första raden indikation på det lägsta värdet på skalan som är tryckt på röret (se figur 4) är inte nås efter standardslagnummer. Använd indikatorrör avläsningar endast när åtminstone den första raden på skalan av en indikator rör uppnås.
      11. Inte överstiga linjen som anger högsta värdet på skalan. Innan detta värde har uppnåtts minska antalet slag under standardslagnummer, sluta pumpa och registrera antalet slag som används.
      12. Läs längst färgförändring på röret från alla sidor (linje färg är ofta något sluttande eller ojämn) och RECORd koncentrationsvärde.
      13. Notera följande värden på diagrambladet: tomt, datum, tidpunkt för mätning, antal slag (för handpump: varaktighet mätning (sek)), läsa i ppm (se Kompletterande kodfil - exempel fältdiagramblad).
      14. Ren kant av kamrarna fastnar jord, gödsel eller gödselkomponenter med en ren pappershandduk.
      15. Lyft DTM-systemet från grunden och spola (se 3.4.2).
      16. Göra flera mätningar, åtminstone två, på olika platser inom en täppa att öka tillförlitligheten i mätningarna.
      17. Upprepa operationer 3.4.3-3.4.16 på andra tomter och i efterföljande mätningar.
    6. Förfarande för mätning med passiva provtagare.
      1. Placera passiva provtagare fästa på stålstänger i mitten av den experimentella tomt på 0,15 m höjd (fönster kollektor) över marken eller kapell yta omedelbart efter applicering av gödselmedel på en tomt. Skynda med slammet / gödnings applblue traktor / system för att installera provtagaren utan dröjsmål. I fall av torr jord, sätter stålstaven in i jorden med en hammare.
      2. Gå med uppdelad fack / väska med sorterade fyllda syraflaskor för första samplingsintervallet (t.ex. B1, P1, T1) och den passiva provtagaren. Sätt på handskar innan du hanterar flaskorna med syralösning. Ta ut flaskan för respektive tomt och samplingsintervall. Skruva loss flaska av den passiva provtagaren. Häll 0,05 MH 2 SO 4-lösningen ur flaskan i munnen på flaskan. Skruva på locket på flaskan på den tomma flaskan och returflaska till facket / väska.
      3. Skriv tomt nummer på plåttaket av provtagnings för identifiering av tomter.
      4. Ta indelade bricka med flaskor för två efterföljande samplingsintervall enligt de faktiska och efterföljande samplingsintervall (eller två påsar för olika samplingsintervall) på alla andra utbytesdatum.
      5. Återgå till tomten för att utbyta 0,05 MH 2 SO
      6. Avlägsna 0,05 MH 2 SO 4 lösning i den passiva provtagaren genom att försiktigt skruva den passiva provtagaren och försiktigt dirigera lösning mellan de "fönster" genom utloppshålet i tom originalflaska (t.ex. B1 / P1 / T1). Re-fill sampler genom flaskmynningen med nya 0,05 MH 2 SO 4 lösning från efterföljande oanvända injektionsflaska (B1 / P1 / T2). Skruva på lock med korrekt märkning på båda flaskorna. Fix passiv provtagare till stången genom att skruva den på locket är ansluten till stången.
      7. Obs tomt nummer, fyller-tid (= tömningstid → sluttiden för föregående provtagning) på diagrambladet.
      8. Utbyta provtagningslösningar efter 3-6 timmar på den första dagen omedelbart efter applicering av organiska kvävegödsel. Minska växelkursen 12 timmar (dvs. en provtagning för både nattetid och dagtid utsläpp) på den andra dagen och för alla provtagningar av synthetic kvävegödsel.
        Obs: provtagning kan utökas till 24 timmar, men i sommar och under höga temperaturer avdunstning av vatten kan vara hög hämmar ammoniakupptag.
      9. Mät ammoniumkoncentrationer i de passiva provtagaren lösningar (som beskrivs nedan) direkt efter att ha konstaterat de experimentella kampanjen eller frysa proverna vid -18 ° C för maximal en vecka och mäta senare.

    4. Beräkning av NH 3 flöden

    1. Beräkning av ammoniak flussmedel för DTM.
      1. Skapa ett kalkylblad för att automatiskt utföra följande beräkningssteg.
      2. Först beräkna okorrigerade flöden som erhållits från mätningen med DTM (mg N / (m * h)) med användning av Eq. 1 (Se Supplemental Code File) från koncentrations avläsningar (ppm NH3), mätning varaktighet, luftvolym passerat systemet och område som omfattas av kammaren.
      3. Konvertera dimension av de okorrigerade flödena i dimensionen kg N h-1 h -1 genom att dividera med 100.
      4. Skala dessa värden till kvantitativa utsläpp genom tillämpning av kalibrerings formler (Eq. 2 och 3) 12 (se kompletterande kod File) som korrigerar effekten av in situ vindhastighet på skillnaden mellan okorrigerade flöden av DTM och de verkliga utsläppen. Applicera två olika ekvationer till svars för de särskilda förhållandena i två kapell klasser: Eq. En för låg skärmtak <0,3 m / avtäckt mark och Eq. 2 för m skärmtak> 0,3.
      5. Applicera inte kalibreringsekvationerna (Eq. 2-3) när kammare inte har samma inre volym och uppställning som användes i den ursprungliga kalibreringsförsök 12.
      6. Utföra beräkningar bara med ppm avläsningarna från standard stroke nummer, det vill säga 5 eller 10 slag, vilket motsvarar 0,5 L eller ett L luften som passerat genom systemet. Om antalet slag avviker, korrigera ppm läsning och den uppmätta tidslängden tillämpas i Eq. 1 enligt to antalet slag:
        ppm = ppm * standard antal slag [5, 10] / faktiska antal pumpslag under mätningen = lästid (s) * standard antal slag [5, 10] / faktiska antal pumpslag under mätning
      7. Härleda de genomsnittliga utsläppen för varje tomt genom att beräkna medelflödet av upprepade mätningar inom en tomt för varje mätning datum.
      8. Beräkna medelammoniakflöden för tidsintervallen mellan två mätningsdatum.
      9. Beräkna ammoniakförlusterna (kg N / ha) för intervallet mellan två DTM mätningar genom att multiplicera medelflödet (kg N / (ha * h), 4.1.8) genom varaktighet detta intervall (h).
      10. Beräkna ackumulerad total förlust för en viss tomt genom att lägga upp alla ammoniakförlustvärden (se 4.1.9) som erhållits under mätkampanj.
    2. Beräkning av flödena från de passiva provtagare:
      1. Kasta värden om lösningen går förlorad genom att spilla, i detta fall hela tomten kan avlägsnas från data. Kontrollera om data gap kan tillsättas genom, till exempel, medelvärdena från replikat tomter under samma samplingsintervallet.
      2. Bestäm lösningens volym: subtrahera flaskan vikt (se steg 2,4) från vikten av flaskan med provlösning och ta en densitet av 1,0 g / ml.
      3. Mäta NH4 + koncentrationer i provlösningar med användning av en ammoniakkänslig elektrod enligt tillverkarens instruktioner.
      4. Om provvolymen avviker från standardvolym, rätt koncentration: korrigerade ppm [mg NH 4 + N / L] = uppmätt ppm * volymmätning [x ml] / standardvolymen [20 ml]
      5. Subtrahera medelkoncentration som erhållits från kontrollytor från behandlings tomt läsning för varje provtagningsintervall. Ställ värden till 0 vid negativa värden.
      6. Summera volym och kontroll korrigerade ppm-värdena av alla mätintervallen som erhållits från en tomt i en mätning kampanj för att få den kumulativa koncentrationen.
      7. ta bort starktpositivt avviker NH 3 utsläppsvärden från datauppsättningen om vållande av partiskhet kan identifieras. Identifiera avvikande värden genom att ta hänsyn till vindriktningen under provtagning som starkt avviker tomter från de övriga replik troligen påverkas av ammoniak drivande från vindsidan höga tomter utsläpp.
    3. Beräkna kvantitativa förluster från tomter utrustade med passiva provtagare genom tillämpning av överföringskoefficient.
      1. Skaffa överföringskoefficient (kg N / (ha * ppm)) genom att dividera slutlig kumulativ kvantitativ DTM förlust (4.1.10) genom kumulativ ammoniakupptag av provtagare (4.2.6) (ekvation. 4). Till exempel: DTM final: 10 kg N ha -1; Sampler kumulativ: 20 ppm [mg N / L] → genomgångskoefficienten = 0,5 kg N / (ha ppm): 1 ppm absorberad NH3 motsvarar 0,5 kg / ha avges NH3-N)
      2. Multiplicera ppm-värden för alla passiva provtagningar av övergångstal för att erhålla kvantitativa utsläppen från alla prövningar tomter. Härleda bortfallet för ett mätintervall genom att multiplicera ppm läsning för samplingsintervallet av överföringskoefficienten och därefter dividera med längden på samplingsintervallet. Till exempel (sampler upptag 12 ppm efter 6 timmar): 0,5 kg N ha -1 ppm -1 * 12 ppm / 6 h = 1 kg N ha -1 h -1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I år 2014 var ett fältförsök inrättas i centrala Danmark för att testa effekterna av flera metoder för att minska ammoniakutsläppen efter applicering av boskap slam: införlivande med en roterande rorkult, inkorporering av syrad slam och slutna slitsen injektion (injektion av slam i jord med efterföljande täckning med jord). Som en jämförelse med en hög emissionsappliceringsteknik och i synnerhet för en korrekt tillämpning av kammarmetoden spår slang tillämpning av slam ingick också. Sammanlagt 24 tomter ingick i denna studie. Nötkreatur uppslamningen applicerades med en hastighet av 80 kg NH4 + -N / ha.

figur 6
Figur 6: tidsförlopp för kumulativa ammoniakutsläpp från replik jaktprov med olika applikations slurry metoder Dairy nötflytgödsel tillämpades av spår slang (yta) ansökan, yta applicat.jon och efterföljande inkorporering, inkorporering av slammet surgörs med svavelsyra, sluten slits injektion (injektion slot täckt med jord). Överföringskoefficient erhölls från spår slang appliceringsbehandling, felstaplar visar standardavvikelser, bokstäver indikerar signifikansnivåer (Tukey HSD) vid p <0,05 (ett sätt ANOVA).

Metoden visade sig vara känsliga, och mycket höga och mycket låga utsläpp kunde särskiljas utan stark inblandning av ammoniak drivande från höga utsläpps tomter till låga tomter utsläpp. Som ett resultat, den metod som gav mycket signifikanta skillnader mellan ammoniakutsläpp av slam som tillämpas av de olika teknikerna (Figur 6). Som teoretiskt förväntade utsläppen från spår slangar var högst medan inkorporerings minskade utsläpp med mindre än 60%. Högsta förlustreduktioner erhölls genom applicering med slutna slitsen injektion eller försurning med efterföljande inkorporering (ca 90%). På detta sätt metoden gav mycket relevant information enligt ett praktiskt perspektiv, som försurning med efterföljande inkorporering är mycket mer arbete effektivare och billigare än slutna slitsen injektion.

I en annan studie genomfördes i Tyskland under 2012, tillämpade effekten av ureashämmare på ammoniakutsläpp från urea till höstvete testades. Urea är den mest problematiska syntetiska N gödselmedel med avseende på ammoniakutsläpp, men överlag är viktigast. Utsläppen kan minskas när urea hydrolys bromsas genom tillämpning av ureashämmare. Dessutom är nitrifikationshämmare sattes för att minska den bebyggda av nitrat i jord som kan stimulera utsläpp av växthusgasen lustgas (N2O). Dock kan längre varaktighet med bibehållen hög NH 4 + koncentration stimulera Dessutom NH 3 utsläpp. I denna studie båda olika urea gödningsmedel och anslutna applikationsstrategier (3 kontra två ansökningar om gödselmedel med nitrifikationshämmare)testades. Resultaten visar att ammoniakutsläpp var starkt minskas genom användningen av ureashämmare (Figur 7) oberoende av användningen av nitrifikationshämmare. Urea endast i kombination med nitrifikationshämmare uppvisade de högsta utsläppen kopplade till jord och vädereffekter stimulerande ammoniakutsläpp vid specifika ansökningstider. Den starka effekten av väderförhållandena vid olika ansökningstider kan ses från olika tidsförlopp för ammoniakutsläpp erhållna (Figur 8). De två första ansökningsdatum visade jämförelsevis låga utsläpp av ammoniak på grund av låga temperaturer och regelbundna men små nederbörd på den första ansökan, medan starkare nederbörd minskade utsläpp efter de första dagarna på den andra ansökan. På tredje och fjärde ansökan högre temperaturer rådde med högsta temperaturerna och utsläpp vid den tredje ansökan. Vid båda datum utsläpp stoppades av en starkare regn event. Den starka effekten av väderförhållanden på intensiteten av emission vid särskilda ansökningstider förklarar skillnaden i genomsnittliga utsläppen mellan vanlig urea (3 applikationer) och urea med nitrifikationshämmare (2 program) (Figur 7) som vanlig urea också appliceras vid den fjärde ansökningsdag med lägre relativa utsläpp.

figur 7
Figur 7:. Ackumulerade ammoniakutsläpp efter applicering av olika gödselmedel av urea för olika ansökningstider (övre grafen) och samlade för alla applikationer (kurva längst ner) Granulära gödselmedel applicerades på ytan till höstvete vid olika tillväxtstadier, är inhibitorer används att minska utsläppen av ammoniak (UI) eller bromsa omvandlingen av nitrat till ammonium (NI) (U = urea, UI = ureashämmare, NI = nitrifikationshämmare, CAN =kalkhaltig ammoniumnitrat); U, CAN, U + UI applicerades på tre datum, U + NI, U + NI + UI på två datum, APP = ansökningsdatum, felstaplar visar standardfelet, bokstäver indikerar signifikansnivåer (Tukey HSD) vid p <0,05 ( en vägs ANOVA).

Figur 8
Figur 8: tidsförlopp och väderförhållanden för ammoniakutsläpp från fyra gödselmedel av urea och CAN tillämpas vid olika tidpunkter och doser till höstvete Lufttemperatur och nederbörd (övre grafen) och tidsförloppen för NH 3 utsläpp (graf längst ner), detta. Figur exemplifierar att med den föreslagna metoden helt olika tidsförlopp för ammoniakutsläpp kan särskiljas beroende på typ gödselmedel (U = urea, UI = ureashämmare, NI = nitrifikationshämmare, CAN = kalk ammoniumnitrat) och väderförhållanden, U, CAN, U + UI applicerades på tre datum, U + NI, U + NI + UI på two datum, felstaplar visar standardavvikelse, bokstäver indikerar signifikansnivåer (Tukey HSD) vid p <0,05 (ett sätt ANOVA).

Mätningsmetoden möjliggör också för att testa effekten av ammoniakutsläpp på kärnskörd och spannmål N upptag (Figur 9). En analys av kovarians tillämpades för att testa effekten av ammoniakutsläpp, ansökan strategi (2 vs 3 ansökningar per vegetationsperiod) och år på spannmål N upptag. Det fanns bara signifikanta effekter av ammoniakförlusterna (lutning identisk mellan år) och år (intercept) på spannmål N upptag. De fångar upp av de två kurvorna visar årseffekt på N-upptag (väder, markförhållanden etc.), medan lutningen på kurvan representerar effekten av ammoniakutsläpp på denna variabel. Andra potentiella kväveförluster som påverkar grödor N-upptag, i synnerhet kväveförluster med urlakning vatten, övervakades av intensiv jordprover och analys (data visas ej). Ingen nitratutlakning observerades under grönttäcke nästan helt period. Därför är de flesta slående, värdet för lutningen (= 1) visar att ammoniakförluster direkt översättas i reducerad N upptag i denna studie. Detta bekräftar också storleksordningen av ammoniakförlusterna bestäms med denna metod.

figur 9
Figur 9:. Förhållandet mellan ammoniakutsläpp och korn kväveupptag av höstvete gödslats med olika gödselmedel av urea Ammoniak utsläppen förluster av direkt växttillgängligt kväve som bör ha effekt på växternas tillväxt. Detta diagram visar att avges ammoniak mäts med kalibrerade passiv provtagningsmetoden kan relateras till kväveupptag data analyserades genom tvåvägs ANOVA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det visade sig att den föreslagna metoden kan användas för att jämföra ammoniakutsläpp från olika gödselbehandlingar i replike fältförsök och att använda den erhållna statistiskt signifikant information från dessa mätningar för att förbättra förvaltningen av kvävegödsel. Mängden utsläpp som erhålls genom denna metod har validerats i tidigare studier jämfört med mikrometeorologiska mätningar 13,15,16. I detta papper, var den kvantitativa giltigheten av detta tillvägagångssätt indirekt framgår av en nära linjärt samband mellan uppmätta ammoniakutsläpp och gröda N upptag. Därför kan metoden anses vara tillämplig vid fastställandet av agronomiskt relevanta kväveförlusterna genom ammoniakutsläpp. Tillämpningen av denna metod för kvantifiering av ammoniakförlusterna begränsas till genomsnittliga vindhastigheter ≤4 m / s vid 2 m höjd som kalibrering av kammarmetoden endast validerade under dessa förhållanden.

e_content "> Det finns dock villkor som gör att tillämpningen av denna metod svårt. Vid mycket låga och noll vindhastigheter dubbel redovisning av ammoniak genom att återavsättning på platsen emission observerades 20 och kan inte förklaras av passiv provtagning. Sådana situationer kan förekomma nattetid och under särskilda geografiska förhållanden (skydd av berg, höga hinder). i detta fall är det mycket svårt att kvantifiera utsläppen som transport beteende avges ammoniak är osäker 14. emellertid påverkar detta problem nästan alla metoder för utsläpp av ammoniak och från en utsläpps perspektiv bör antas nollutsläpp under sådana förhållanden eller sådana mätintervallen ska kasseras. drev ammoniak från grann fält i flera plot experimentella fältet utgör inget problem för den presenterade metoden, eftersom de kan förklaras genom kontroll mätningar (ingen fertilitetsbehandlingar). om detta inflytande överskrider ammoniakkoncentrationer from behandlings tomter, kan bestämning av ammoniakförlusterna vara omöjligt. Därför bör befruktning områden som gränsar till försöksområdet styras och ingen ammoniak bör avges från dessa områden. Under förhållanden när gödselmedel ojämnt fördelade eller (ojämnt) införlivas i jorden, är det svårt eller omöjligt att korrekt tillämpa kammarsystemet mätt flussmedel kanske inte är representativ för området på grund av okänd distributionsgödningsmedel. I detta fall har en annan behandling för att ingå i välkända distributions gödselmedel som kan vara korrekt redovisas genom placeringen av kamrarna på marken. Detta kan ses från ovan givna exemplet, där leden slang ansökan tillsattes som marktäckning genom uppslamning med trail slangar var synligt kända. Om sådana åtgärder inte är möjligt presenterade metoden inte kan tillämpas. Emellertid den passiv provtagning, som inte påverkas av denna begränsning, åtminstone skulle ge semikvantitativa skillnader mellan treatments though inga exakta kvantitativa utsläpp. Problemet med inte lämpligt står för ojämn gödsel är ett problem med alla kammar eller vindtunnel system. Däremot kan vindtunnlar har större marktäckning och därmed i genomsnitt mikroskala ojämnheter i distributionsgödningsmedel. Därför kan kammaren metod som används i denna metod ersättas med en annan metod som ger kvantitativa utsläpp från tomt mätningar (t.ex. vindtunnel). Men bara specifika mönster av vindtunnlar ger exakta kvantitativa värden 10,21 och ofta ger felaktiga uppgifter om de inte kan tas bort innan regnhändelser och ersätts därefter.

Förutom det specifika problemet distributionsgödningsmedel, finns det fortfarande en pågående debatt om giltigheten av olika ammoniakförlusterna mätsystem för exakt kvantifiera ammoniakförlusterna, och kammarsystem är i allmänhet ifråga 20. Emellertid visade det sig i tidigare studier till exempel, öppen bana FTIR eller TDL system i kombination med mikrometeorologiska modellering 18, 20. Men sådana system är inte tillämpliga i replike fältförsök.

Höga tak m> 0,3 pose fortfarande en utmaning för den tillämpade kammarsystemet och alla dynamiska kammarsystem inklusive vindtunnlar. Tidigare tester visade en god överensstämmelse mellan den metod som presenteras i detta dokument och mikrometeorologiska resultat. Det krävs emellertid framtida tester för att bekräfta dessa resultat.

På lång sikt skulle det vara mest önskvärt att använda den passiva samp Ler resultat utan en kvantitativ metod som bygger på en separat kalibreringsekvation. Tidigare försök att härleda en sådan ekvation bas på vindhastighet, temperatur etc. var inte framgångsrik. Detta beror troligen på byte av passiva provtagare design - metod var fortfarande under utveckling - och skyddstak effekter. I framtiden en definierad utformning av provtagare kommer att föreslås och efter ett stort antal experiment härledningen av en kalibreringsekvation bör vara möjligt som ska tillämpas för denna speciella typ av passiva provtagare. Som ett alternativ till de självgjorda passiva provtagare i denna studie som använder flytande utspädd svavelsyra, färdiga syra fällor 22, t.ex. ALPHA samplare 23, finns tillgängliga där syran är bunden i en matris utan risk för att spilla och mer lätthanterlighet . Dock kan dessa provtagare kräva längre exponeringstider än de som tillämpas i denna metod 22 och har ännu inte testats i ett liknande tillvägagångssätt.

e_content "> En ny metod, kalibrerad passiv provtagning, för att kvantitativt mäta ammoniakutsläpp i replikerade fältförsök presenterades. bevisade metoden gäller under ett brett spektrum av experimentella betingelser och rekommenderas att användas under förhållanden med barmark eller små skärmtak. Resultat erhållits från experiment med större växt skärmtak bör behandlas mer noggrant. Om en användare är fortfarande osäker när det gäller den kvantitativa giltigheten av metoden, kan den testas genom att kombinera denna metod med en samtidig mätning med mikrometeorologiska och kammarteknik enligt samma jord och skyddstak förhållanden och efterföljande jämförelse av utsläpp som erhållits. De passiva provtagare visat sig vara ett mycket kraftfullt verktyg för att kvalitativt mäta ammoniakutsläpp på fler tomt fältförsök och kan användas med olika skal metoder för att få en övergångstal. Krav på ett sådant skalningsmetoden är dess tillämplighet på samma tomt som de som användes för det passiva provrs. Efter att ha fastställt en slutlig utformning av provtagare eller tillämpa färdiga passiva provtagare, kan en separat kalibreringsekvation för sådana provtagare utvecklas och en samtidig mätning med en kvantitativ metod kan vara onödigt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författaren förklarar att han inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Författaren är tacksam till Dr. Marco Roelcke, Dr. Dirk Niekisch, Dr Robert Quakernack, Dr. Kang Ni för deras insatser för att utveckla och vidareutveckling av denna strategi. Stort tack också till fälttekniker Doris Ziermann och juni Yang. De underliggande undersökningar stöddes av Deutsche Forschungsgemeinschaft, delstaten Schleswig-Holstein, EFRE bidrag i Europeiska unionen och SKW Piesteritz corp. såsom anges i detalj i de citerade publikationerna.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 (scintillation 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Erisman, J. W., Bleeker, A., Hensen, A., Vermeulen, A. Agricultural air quality in Europe and the future perspectives. Atmos. Environ. 42, 3209-3217 (2008).
  2. Bremner, J. M. Recent research on problems in the use of urea as a nitrogen fertilizer. Fert. Res. 42, 321-329 (1995).
  3. Sutton, M. A., Oenema, O., Erisman, J. W., Leip, A., van Grinsven, H., Winiwarter, W. Too much of a good thing. Nature. 472, 159-161 (2011).
  4. Production and International Trade statistics. , IFA (International Fertilizer Industry Association). Paris, France. Available from: http://www.fertilizer.org/En/Statistics/PIT_Excel_Files.aspx (2014).
  5. Glibert, P. M., Harrison, J., Heil, C., Seitzinger, S. Escalating worldwide use of urea - a global change contributing to coastal eutrophication. Biogeochemistry. 77, 441-463 (2006).
  6. Sommer, S. G., Schjoerring, J. K., Denmead, O. T. Ammonia emission from mineral fertilizers and fertilized crops. Adv. Agron. 82, 557-622 (2004).
  7. Jensen, L. S., et al. Benefits of nitrogen for food, fibre and industrial production. The European Nitrogen Assessment. Sutton, M. A., et al. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2011).
  8. Sommer, S. G., Hutchings, N. J. Ammonia emission from field applied manure and its reduction - invited paper. Eur. J. Agron. 15, 1-15 (2001).
  9. Shah, S. B., Westerman, P. W., Arogo, J. Measuring ammonia concentrations and emissions from agricultural land and liquid surfaces: A review. J. Air Waste Manage. 56, 945-960 (2006).
  10. Loubet, B., Cellier, P., Flura, D., Genermont, S. An evaluation of the wind-tunnel technique for estimating ammonia volatilization from land: Part 1. Analysis and improvement of accuracy. J. Agr. Eng. Res. 72, 71-81 (1999).
  11. Vandré, R., Kaupenjohann, M. In Situ Measurements of Ammonia Emissions from Organic Fertilizers in Plot Experiments. Soil Sci. Soc. Am. J. 62, 467-473 (1998).
  12. Roelcke, M., Li, S. X., Tian, X. H., Gao, Y. J., Richter, J. In situ comparisons of ammonia volatilization from N fertilizers in Chinese loess soils. Nutr. Cycling Agroecosyst. 62 (1), 73-88 (2002).
  13. Pacholski, A., et al. Calibration of a simple method for determining ammonia volatilization in the field - comparative measurements in Henan Province, China. Nutr. Cycling Agroecosyst. 74, 259-273 (2006).
  14. Flesch, T. K., Harper, L. A., Powell, J. M., Wilson, J. D. Inverse-dispersion calculation of ammonia emissions from Wisconsin dairy farms. Trans. ASABE. 52, 253-265 (2009).
  15. Gericke, D., Pacholski, A., Kage, H. Measurement of ammonia emissions in multi-plot field experiments. Biosystems Eng. 108 (2), 164-173 (2011).
  16. Quakernack, R., Pacholski, A., Techow, A., Herrmann, A., Taube, F., Kage, H. Ammonia volatilization and yield response after application of biogas residues to energy crops in a coastal marsh of Northern Germany. Agric., Ecosyst. Environ. 160, 66-74 (2012).
  17. Ni, K., Pacholski, A., Gericke, D., Kage, H. Measurement duration required for determining total ammonia losses after field application of slurries by trail hoses. J. Agr. Sci. 151 (1), 34-43 (2013).
  18. von Bobrutzki, K., et al. Field inter-comparison of eleven atmospheric ammonia measurement techniques. Atmos. Meas. Tech. 3, 91-112 (2010).
  19. Ni, K., Pacholski, A., Kage, H. Ammonia volatilization after application of urea to winter wheat over 3 years affected by novel urease and nitrification inhibitors. Agric. Ecosyst. Environ. 197, 184-194 (2014).
  20. Sintermann, J., et al. Are ammonia emissions from field-applied slurry substantially over-estimated in European emission inventories. Biogeosciences. 9, 1611-1632 (2012).
  21. Mannheim, T., Braschkat, J., Marschner, H. Measurement of ammonia emission after liquid manure application. 2. Comparison of the wind tunnel and the IHF method under field conditions. J. Plant Nutr. Soil Sci. 158, 215-219 (1995).
  22. Puchalski, M. A., et al. Passive ammonia monitoring in the United States: Comparing three different sampling devices. Environ. Monit. 13 (11), 3156-3167 (2011).
  23. Tang, Y. S., Cape, J. N., Sutton, M. A. Development and types of passive samplers for monitoring atmospheric NO2 and NH3 concentrations. ScientificWorldJournal. 1, 513-529 (2001).

Tags

Miljövetenskap dynamisk kammare ammoniakutsläpp multi-plot fältförsök fält replikering jordbruk kväve gödningsmedel passiva provtagare
Kalibrerad Passiv provtagning - Multi-tomt fältmätningar av NH<sub&gt; 3</sub&gt; Utsläpp med en kombination av dynamisk rörmetoden och passiva provtagare
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pacholski, A. Calibrated Passive… More

Pacholski, A. Calibrated Passive Sampling - Multi-plot Field Measurements of NH3 Emissions with a Combination of Dynamic Tube Method and Passive Samplers. J. Vis. Exp. (109), e53273, doi:10.3791/53273 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter