应用案例

Picarro G2103（施肥是城市大气中氨的主要来源吗？）

发表时间：2024-08-26

浏览量：44

点击蓝字

关注我们FOLLOW US

研究背景

氨在大气中的停留时间较短，其浓度高值一般出现在排放源周围的大气环境中。远离排放源后，氨在大气扩散过程中会发生干沉降或被植被和土壤吸附。

研究方法

在中国北京市市中心使用Picarro G2103氨气分析仪，从2020年9月到2021年8月份，每天对氨气浓度进行在线监测，并且离线采集气溶胶颗粒物进行氮同位素分析。

图1

图1为Picarro G2103从2020年9月至2021年8月获得的氨浓度的时间变化图。总体上，每小时氨气浓度范围为1.2~66.9μg m⁻³，全年平均为15.0±9.7μgm⁻³。这里观察到的年平均氨浓度与我们从2019年3月至2020年2月（16.4±10.3μg m⁻³）在同一地点的观测结果相当，但仍远高于同时期上海地区的氨气浓度（城市：4.4±3.3μg⁻³，农村：8.9±6.5μg⁻³）。此外，本研究中氨气浓度表现出明显的季节变化，夏季、春季、秋季、冬季的平均值分别为20.7±7.9、17.9±10.5、12.5±8.1和8.8±7.1μg m⁻³。这种季节模式是由排放源和环境温度共同驱动的，并在过往的研究中得到了很好的验证。

图2

我们的离线采样技术也捕捉到了3月底的氨事件。如图2所示，离线技术检测的氨气浓度与在线观测浓度具有较好吻合度，平均值分别为21.1±16.9和20.0±12.1μgm⁻³。这两种方法之间存在显著的正相关关系。

本研究中的观察结果是可重复的。这一发现也让我们在基于离线样本的后续同位素分析中更有信心。在离线采样期间，测量到的δ¹⁵N-NH₃值范围为−26.4‰~−10.8‰，平均为−17.5±3.8‰。该值低于夏季（−13.9±1.5‰，n = 8），这可能反映了季节间不同的信号源特征。在3月下旬，强化施肥可能会增加氨的排放，而δ¹⁵N-NH₃值往往低于其他来源。

在污染日期间，观察到的δ¹⁵N−NH₃值（−20.3‰）明显低于清洁阶段（−14.9‰）和过渡阶段（−15.0‰）（p<0.01）。这些值落在牲畜、发电厂氨、废物和肥料的范围内（图c）。检查在污染日测量的δ¹⁵N−NH₃值发现，它们更接近肥料指纹。这一发现表明3月底氨气浓度较高可能与施肥活动有关。

图2显示了2021年3月20-28日期间氨和PM_2.5浓度(a)、风速（WS）、风向（WD）(b)和δ¹⁵N-NH₃值(c)的时间变化。(c)图中右边的颜色条代表了来自6个氨发射源的δ¹⁵N-NH₃值的范围，清洁日（3月20-22日）、过渡日（3月23-24日）和污染日（3月25-28日）的日平均PM2.5浓度分别为<35、35-75和>75μgm⁻³。

这一阶段的气团后退轨迹可能为支持肥料排放提供更多的证据。在氨气浓度较低的清洁日子里，北方气团来自蒙古，相比之下，在氨气浓度升高的污染天数期间，气团来源向南和东南方向变化，这些南部气团经过NCP，那里的农业氨排放（牲畜和化肥施用）量比较大。然而，不能排除非农业排放的影响，因为该发达地区的燃烧源（燃煤和电厂）也会排放出大量的氨。此外，较低的风速也说明了当地车辆排放和城市垃圾的重要性。因此，迫切需要区分来源，以便将具体的贡献彼此分开。

图3

如图3所示，图a为本研究中不同源对氨的相对贡献，这是根据使用SIAR模型观测到的δ¹⁵N-NH₃值计算出来的。总体而言，氨气的来源主要为非农业来源（61.3%），而不是农业来源（38.7%）。这一发现与之前基于同一地点每周垂直采样得到的氨来源结论一致——2016年，非农业来源贡献了氨浓度的66%。值得注意的是，在图a中，农业（施肥）对氨浓度的贡献从清洁日的34.0%（17.5%）增加到污染日的43.5%（26.0%）。然而，考虑到测量的δ¹⁵N-NH₃值（−17.5±3.8‰）和初始氨(−10.7±4.1‰）之间的不同，氨和铵盐在大气传输过程中可能发生了氮同位素分馏。为了解决这一问题，我们进一步基于初始δ¹⁵N-NH₃值进行了源分配（图b）。结果表明，不同来源的贡献在采样期间相对稳定，在清洁和污染阶段的农业（施肥）贡献均为28.7%（12.4%）。在这种情况下，非农业排放仍然主导着城市氨气来源，而城市氨主要来自于汽车排放。

研究结果与意义

华北农业源（施肥）排放对北京大气氨浓度的最大贡献为43.5%；如果考虑大气传输过程中氨气与铵盐之间的氮同位素分馏效应，农业源（施肥）的贡献仅为29.1%。即使在氨挥发强烈的春季施肥期间，农业活动也不是城市大气氨的主要来源。尽管农业活动的影响有限，但本研究的同位素数据表明，农业氨排放的确能够发生长距离传输从而直接影响北京氨气浓度，挑战了氨排放后主要发生近源沉降的传统观点。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969722029874