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源自農業排放熱點區域的高山氨沉降研究
逐年升高的活性氮（Nr）沉降可能會為高山生態系統帶來問題，其中氨的干沉降是一個關鍵因素。過去的許多研究表明，農業活動引起的氨排放占全球氨排放總量很大的一部分。美國的許多國家公園雖然位于偏僻的郊區，卻不可避免的受到農業氨排放的影響。了解氨排放熱點如何通過氨的干沉降影響下風處的生態系統為有效緩解提供了機會。來自普林斯頓大學的研究團隊使用了自主研制的開路式激光氨氣分析儀測量了美國洛基山國家公園高山草原生態系統的氨通量，并分析了來自科羅拉多州東北部農業和城市來源的氨排放造成的影響。此項工作的成果發表于《Environmental Science & Technology》。
圖一 普林斯頓大學團隊利用開路氨分析儀進行EC法氨通量測量
過去幾年中，面對微氣象法測量氨通量的需求，普林斯頓大學的Mark Zondlo教授團隊自主研制了基于量子級聯激光光譜分析技術的開路大氣氨濃度分析儀，滿足渦動協方差（EC）方法中對儀器快速響應 (≥10 Hz) 和高精度的要求，克服閉路傳感器中因為氨的吸附和粘滯性導致的高頻信號衰減問題。過去，研究組曾將該分析儀應用于畜牧業氨排放測量和交通污染測量。本文描述的研究工作是研究團隊將氨分析儀應用于氨濃度特別低的場景中。作者通過模型的建立和原位測量，分析了來自氨排放熱點的區域傳輸背景下的EC通量。
2015和2016年夏季，研究團隊選擇在美國洛基山國家公園的一處相對平坦的草原區，將開路式氨分析儀安裝在通量塔上，觀察到了清晨和傍晚至夜間凈氨通量表現為沉降，日間表現為氨排放，總體凈氨通量為負。而觀測數據中，早上在溫度沒有明顯升高時出現的氨排放，作者認為這或許與露水蒸發有關，實際原因則需要更多的研究來證明。
圖二 研究團隊獲得的典型氨通量日變化數據
在科羅拉多州東北部，丹佛大都會區（圖三中灰色框區域）的汽車尾氣和南普拉特河谷農業區中的集中動物飼養場（Concentrated animal feeding operations, CAFO）（圖三中紅色框區域）是可能影響國家公園氨沉降的潛在源區。論文中描述研究人員將儀器安裝在車頂1.5m處進行了移動氨濃度監測，結果表明顯示農業氨排放被輸送至高山地區。圖三c、d則顯示了機載氣體分析儀測得的高山區域三濃度垂直分布，可以看出高海拔區域在下午時比上午的氨濃度要高，這就是本次實驗中觀測到的氨上行事件：當天氣影響較弱時，白天地形加熱導致反向上坡流動，氨從草地和農田排放熱點區域被運送到地勢較高的地區進而沉降。
圖三 科羅拉多州東北部氨濃度空間和垂直分布圖
此項研究中通過2015和2016年的氨通量測量，展示了研究團隊開發的開路氨分析儀在偏遠的野外地區測量氨通量的能力。研究人員將觀測到的氨通量按風向分組，發現氨沉降通常與白天的東風有關，表明氨排放熱點的影響很大。以2016年夏季為例，經過農業區熱點排放的氣團導致的累積沉降占氨的干沉降總量40%以上。
作者在論文結論中表示，本次試驗結果以洛基山國家公園為例，顯示高山生態系統如何受到氨排放熱點的影響。此項工作能為其他國家公園或自然保護區中的氨通量和潛在源觀測起到示范作用，并同時了說明控制農業和城市氨排放可從源頭上減緩自然生態系統的氨沉降問題。
參考文獻：Da Pan, Katherine B. Benedict, Levi M. Golston, Rui Wang, Jeffrey L. Collett, Lei Tao, Kang Sun, Xuehui Guo, Jay Ham, Anthony J. Prenni, Bret A. Schichtel, Tomas Mikoviny, Markus Müller, Armin Wisthaler, and Mark A. Zondlo
Environmental Science & Technology 2021 55 (12), 7776-7785
DOI: 10.1021/acs.est.0c05749