可调谐二极管激光吸收光谱技术测定农田氨挥发的初步研究

【摘要】：20多年的实践表明,资源问题、生态安全问题已成为我国新的制约粮食持续高产的因素。农田氨挥发损失不但造成了氮肥利用效率降低、资源浪费,同时也导致了许多生态环境问题。但目前,在我国农田生态系统氨挥发的相关研究中,测定的方法和手段相对落后,新技术新方法研究和应用不够及时,对于农田环境下的氨排放,我国尚缺乏连续自动监测系统的数据积累,这在一定程度上影响了我国农田生态系统的科研水平。因此开展基于高时间分辨率、高灵敏度的可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用研究不仅是对农田氨挥发研究方法发展的有力推动,也为提高氮肥利用率、减少区域氨排放等前沿性科学问题的研究提供了重要的高技术和新方法支撑。 本文以黄淮海平原冬小麦、夏玉米农田生态系统为研究对象,在针对不同施氮量与不同施氮方式下基、追肥施用后的土壤氨挥发状况及其影响因素展开研究的基础上,重点开展了开放光程可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)与微气象学反拉格朗日随机扩散技术(backward Lagrangian Stochastic dispersion technique,bLS)结合在线连续监测农田氨挥发的新方法研究。并与通气法的测定结果进行了比较验证。主要研究结论如下： (1)肥料氮素的氨挥发损失主要发生在施肥后1周。不同施氮方式下土壤氨挥发速率、氨挥发累积量及其占施氮量的比率均随施氮量的增加而增大。氮肥在土壤中的深度对氨挥发有显著影响,基肥时期除150 kg/hm2施N量外,氨挥发累积量为沟施法明显大于传统施氮法；追肥期不同施氮量均为传统施氮法大于沟施法。传统施氮法在整个冬小麦季氨挥发损失累积量占总施N量的比例为4.78%-6.72%,沟施法为4.31%-11.24%。相关分析显示,施肥后表层土壤NH4+-N浓度与氨挥发速率呈正相关关系,而pH则与其呈负相关关系。另外,气温和降雨气候条件对氨挥发速率也有一定程度的影响。 (2)可调谐二极管激光吸收光谱技术可以获取连续、动态的农田氨浓度变化数据,与反拉格朗日随机扩散技术结合,可实现对农田氨挥发的在线连续监测。TDLAS-bLS方法所得小麦追肥期土壤氨挥发累积量为27.51 kg N hm-2,占施肥量的24.3%,明显大于通气法所得氨挥发累计量(5.11 kg N hm-2,4.52%)。因风向控制不严格,bLS模型可能高估了实际氨挥发情况。TDLAS-bLS监测土壤氨挥发与大气温度、平均摩擦风速、0～5 cm、5～10 cm土壤温度之间都存在极显著正相关。 (3)夏玉米TDLAS-bLS方法所得氨挥发累计损失量为7.57 kg N hm-2,占施氮量比例为5.41%,通气法为5.81 kg N hm-2,所占比例为4.15%,两者较接近。相关分析亦显示,TDLAS-bLS监测土壤氨挥发与大气温度、平均摩擦风速、0～5 cm.5～10 cm土壤温度之间都存在极显著正相关。