基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发研究

氨挥发是农田氮素向环境输出的重要途径,也是我国空气中PM2.5形成的主要因素,给环境和农业生产带来了诸多不利影响。传统的农田氨挥发测定大多依赖酸吸收法,但因采样时间长、劳动量大,难以获取氨挥发日内动态变化规律。基于开放光程可调谐二极管激光吸收光谱技术进行田间痕量氨气测定时,测量精度高、选择性好、系统响应速度快,不需要复杂的采样操作,就可以实现激光发射器与反射镜之间数十至数百米的高时间分辨率的氨气浓度原位快速监测。其与微气象反向拉格朗日随机扩散模型相结合(TDLAS-BLS法)是目前农业源氨挥发监测技术领域的研究热点。通过田间试验,分析比较TDLAS-BLS法与微气象水平通量积分法(IHF法)测定的氨挥发速率及氨挥发损失结果,实现对TDLAS-BLS法测定大面积农田氨挥发的可靠性验证。利用监测获取的高时间分辨率数据研究冬小麦追肥期氨挥发日内变化规律及影响因素。结果表明:TDLAS-BLS法和IHF法测定农田氨挥发速率基本一致(斜率为0.97,R2=0.97,n=14),TDLAS-BLS法测定氨挥发速率仅比IHF法低3%,总氨挥发损失仅低6%,证明TDLAS-BLS法可用于冬小麦追肥期大面积农田氨挥发监测中。冬小麦追肥期白天氨浓度明显高于夜间,且受风速波动影响,氨浓度瞬时波动较大。氨挥发速率在追肥后缓慢升高,施肥后第6天出现氨挥发速率峰值8.9 kg N·ha^-1·d^-1,随后逐渐降低,至第15天与背景接近。氨挥发损失主要集中在施肥后的第5~8 d(79~175 h),该时段氨挥发损失占总氨挥发损失的69%。整个监测期间TDLAS-BLS法测定总氨挥发损失为8.8 kg N·ha-1(占施氮量6.3%),较低的损失量与沟施覆土的施肥方式及低温、低光照强度有关。TDLAS-BLS法实现了在线监测大面积农田氨挥发日内变化规律,高时间分辨率数据可更准确地评估气象因素对氨挥发的影响。冬小麦追肥期氨挥发日内波动较大,存在明显的昼高夜低变化规律,与温度、风速、光照有很高的相符性。相关分析表明风速、光照、土壤温度、降水都与氨挥发有显著相关性,异常天气下主导气象因素(如降水)是氨挥发主要控制因素。     

FTIR光谱法测量不同化肥的氨挥发

氨挥发是化肥损失的重要途径,同时加剧了温室气体排放和水体富营养化。限于技术和资金条件,国内外氨挥发研究主要使用静态闭路箱法、半开放法、间歇通气法、质量平衡法及风洞法。文章利用FTIR光谱法,基于HITRAN数据库采用非线性最小二乘拟合气体浓度反演算法,测量对比了不同化肥的氨挥发,并简单分析了原因。试验表明,FTIR分析技术用于化肥的氨挥发测量,是一种操作简单,分析效率高,能满足实时、连续、准确要求的测量技术,可以满足野外田间作业的需要。     

奶牛场氨排放特征的光谱检测

为实现奶牛场氨气减排,改善生态环境,需要在线监测氨挥发浓度并准确揭示氨排放特征。采用开放式可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术设计了开放式氨气在线监测系统,结合反演式气体扩散技术开展相关研究,于2013年秋季和冬季在保定市某奶牛厂进行了氨排放浓度在线监测和排放特征分析工作。监测结果表明,秋季氨气浓度峰值为6.11×10-6%,冬季氨气浓度峰值为6.56×10-6%,氨浓度具有日变化趋势,基本呈白天浓度低,夜晚浓度高的特点。由反演气体扩散模型得到秋冬季氨排放特征,氨排放峰值均出现在中午,秋季氨排放速率为1.48～130.6 kg/head/hr,冬季氨排放速率为0.004 5～43.32 kg/head/hr,秋季的排放速率高于冬季,说明奶牛场尺度下的氨排放存在一定的季节性差异。该方法可以有效获得大范围、高灵敏、免采样、快速气体排放特征结果,为奶牛厂的氨排放监测和科学养殖提供技术支持。     

黄土高原半干旱区露水形成的大气物理特征研究

运用2009年在黄土高原典型半干旱区定西的观测资料,分析了半干旱区露水变化特征及其大气影响因子.研究结果表明:在黄土高原半干旱区秋季,日最大凝结量可以达到0.33 mm,最小日凝结量0.09 mm,日平均凝结量为0.23 mm,这对半干旱区而言是可观的水分输入;露水凝结持续时间可以长达14 h.露水的出现频率与风速、大气相对湿度、气温、地-气温差等大气影响因子有显著关系.露水的形成机理十分复杂,是湿度因子、热力因子和动力因子综合作用的结果.在露水形成过程中,大气湿度是内因,为露水形成提供所需水汽;温度则是露水形成的关键,为露水形成提供"源动力",而风速则是重要的外部影响因素,既可以促进露水形成,也可以阻碍露水形成,是露水形成过程中不确定因子.从露水发生频率的分布特征来看,在风速0.5—2 m/s、相对湿度>80%及温度-露点差-3—6℃时、地-气温差<±2℃条件下更易形成露水. 关键词： 黄土高原半干旱区 露水形成 大气影响因子 发生频率     

基于LST_LAI特征空间的农田干旱监测研究

农田干旱具有范围广且对农业生产影响巨大的特点,对农田干旱的遥感实时动态监测是目前公认的难题。利用MODIS的地表温度(LST)产品和叶面积指数(LAI)产品,构建LST-LAI光谱特征空间,提出温度—叶面积干旱指数(temperature LAI drought index,TLDI)监测农田水分含量,并利用宁夏实测的0～10 cm平均土壤含水量验证该指数的精度,结果表明：它们之间具有良好的相关性,R2的变化范围为0.43～0.86。与TVDI相比,TLDI弥补了作物封垄后TVDI因归一化植被指数(NDVI)饱和对农田水分监测精度降低的缺陷。此外,利用MODIS数据产品LST和LAI进行农田干旱监测,避免了使用MODIS原始数据的繁杂处理过程,初步为MODIS数据产品在农田干旱监测业务化运行探索出一条技术流程。     

作物残茬覆盖度遥感监测研究进展

作物残茬作为农田生态系统的重要组成部分,影响着农田生态系统中的营养物质、碳、水和能量的流动与循环。作物残茬覆盖度作为描述作物残茬数量和分布的重要指标,对于农田生态系统C循环和全球气候变化均有实际意义,具备重要的定量监测价值。遥感技术具有准确、经济、快速大面积监测的能力,因此利用遥感监测区域尺度的作物残茬覆盖度,受到国内外学者的关注。工作回顾总结了目前利用遥感监测作物残茬覆盖度的主要方法和最新研究进展,并根据基本方法的差异以及数据源的不同,从五个类别分别介绍了遥感监测原理与技术革新,对每一类方法的优点和缺陷进行分析,并提出了相应的改进措施。最后对作物残茬覆盖度遥感监测方法的发展趋势进行了展望。     

基于SWIR-Red光谱特征空间的农田干旱监测新方法

干旱是一种频繁发生的自然灾害,遥感监测干旱已成为重要的研究方向。可从农田遥感干旱监测最主要的两种地物类型(植被和土壤)的光谱特性分析入手,选择了对水分变化敏感的红光、短波红外波段来监测干旱状况,以短波红外与红光的差值和短波红外与红光的和构建新的光谱空间特征,提出了干旱监测的新方法——归一化的干旱监测指数NPDI。用野外实测的土壤含水量对NPDI模型进行验证,结果表明:NPDI,MPDI与10cm处的土壤含水量模型都具有较高的相关性,其R2分别为0.583和0.438,NPDI模型的监测效果要优于MPDI。此模型是对PDI,MPDI和SPSI等模型的进一步改进,可实现对不同植被覆盖度的、整个生长季的农田干旱监测,在实际的农田干旱监测中具有较高的应用潜力和推广价值。     

颅脑创伤近红外实时监测技术研究

采用一套专门设计的由微创光纤探头组成的光纤光谱仪生物组织光学参数测试系统,对颅脑创伤的大鼠创伤侧和对照侧进行近红外光谱检测及脑水含量(brain water content:BWC)测定.通过采用Feeney's自由落体撞击法建立大鼠急性局灶性脑挫裂伤模型,以近红外光谱技术和干湿比重法监测伤后脑水肿的变化.实验发现:伤后1 h,伤侧脑组织已发生水肿,伤后24～72 h,伤侧脑水肿达高峰,随后逐渐下降;用脱水剂后,脑水肿情况逐渐好转,随着药物失效,水肿又一次发生.生物组织优化散射系数(Reduced Scat-tering Coefficient:μ's)与Bwc的变化规律一致,有很好的线性相关性,能够较好的反映脑组织水肿程度以及药物脱水效果.证实近红外光谱技术用于颅脑创伤实时监测的可行性,为颅脑创伤的研究提出了一种新技术.     

基于差分光学吸收光谱法的大气甲醛和乙二醛研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱技术对上海城市大气中HCHO和CHOCHO进行高时间分辨率的测定方法。针对HCHO和CHOCHO的不同吸收结构,选择适当的光谱分析波段,扣除干扰气体的吸收,有效降低残差,得到了用于反演目标气体的光学厚度,并进一步获得2013年10月HCHO与CHOCHO的浓度变化特征。HCHO,CHOCHO平均浓度分别为(4.0±1.6)和(3.4±1.2) μg·m-3。受人为源的影响,HCHO工作日平均浓度高于假期平均浓度,而CHOCHO的浓度相差不大。两者浓度的日变化趋势相似,早晨06:00—07:00出现最大值后迅速下降,到09:00左右出现最小值后又缓慢上升,并在夜间至日出前保持相对稳定的浓度水平。为探索大气HCHO可能的来源和生成过程,选取夜间稳态阶段,早高峰阶段,光化学反应阶段和晚高峰阶段等四个典型时段对HCHO的来源进行解析。NO₂作为HCHO的一次源指示物;同时作为光化学反应的中间产物,HCHO和CHOCHO生成机理具有相似性,因此以CHOCHO作为解析HCHO的二次源指示物,利用线性回归模型来源解析结果所得HCHO浓度与实际观测值具有较好的相关性,相关系数r为0.60～0.81,分析得出上海城区二次来源对环境HCHO浓度的贡献约为三分之一。     

漫反射近红外光谱测定聚乙烯醇(PVA)的醇解度与挥发分含量

采用漫反射近红外光谱方法测定聚乙烯醇(简称PVA)的醇解度与挥发分含量。从PVA生产线选取120个样品,分别用容量法与恒重法测量样品的醇解度与挥发分含量。用光栅扫描近红外光谱仪采集样品光谱,光谱范围1 000～1 800 nm。样品光谱用卷积平滑、卷积求导、均值中心化与正交信号校正方法进行预处理后,与样品的醇解度与挥发分含量,采用PLS1定量校正方法建立近红外分析模型。醇解度与挥发分含量模型的校正相关系数R_C分别为0.976和0.981,校正标准偏差SEC分别为0.176和0.197,验证相关系数R_P分别为0.967和0.969,验证标准偏差SEP分别为0.202和0.193。方法具有速度快,操作方便的特点,分析结果满足PVA生产过程醇解度与挥发分含量的检测要求。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

数字滤波方法在TDLAS逃逸氨检测中的选用

介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)原理和实验系统,并对系统噪声进行了分析;以体积比浓度为90×10-6和30×10-6的NH₃为例,利用TDLAS系统采集了该浓度气体的二次谐波原始光谱。为改善光谱信号,分别用五种数字滤波方法对原始光谱进行了滤波处理比较,做了NH₃的浓度梯度实验并对浓度为20×10-6 NH₃进行了长时间监测实验。实验结果表明,算术平均-小波变换滤波相比其他方法更有效地对原始光谱信号进行了改善,提高了系统信噪比和信号平滑度,使系统浓度检测限由原来的10×10-6降低到1.25×10-6,信噪比提高了约14倍,为逃逸氨极低浓度检测提供了一种较为有效的数据预处理方法。     

氮肥施用量和形态对玉米苗期叶绿素含量的影响

氮肥的施用量和形态对植物的影响很大。实验借助于一种新型光谱仪SPAD-502叶绿素仪,研究了不同氮肥水平和氮肥形态对苗期玉米叶片叶绿素含量的影响。结果表明,每公顷施用0,100和200 kgN时,SPAD值在43.3～43.7之间,差异不显著;每公顷施用400 kgN时最后一片展开叶的叶绿素含量显著高于对照和每公顷施用100和200 kgN的处理,估计可能与肥料中其他成分有关,但原因尚需进一步研究。通过不同形态氮肥试验,表明氨态氮处理的叶片叶绿素含量显著高于硝态氮处理,可能的原因是: (1)氨态氮易于吸收,施用初期效果快;(2)氨态氮中微量元素比较高。     

喷雾热解法制备红色发光粉LiEu(SiO2)1/6W2O8的研究

采用喷雾热解法制备红色荧光粉LiEu(SiO₂)_1/6W₂O₈。研究了反应温度、前驱体溶液浓度、载气流速对实验结果的影响。通过扫描电镜、X射线衍射、激发和发射光谱对所制样品进行了研究,发现样品颗粒呈实心类球形、结晶度好、表面光滑、发光强度较高、粒径平均1.5μm左右且分布较窄。该类荧光粉激发主峰位于396nm,发射主峰位于615nm。LiEu(SiO₂)_1/6W₂O₈发光的色坐标为:x=0.667 9,y=0.3310,与NTSC的红色标准基本一致,该荧光粉色纯度非常高,适用于制造紫光芯片激发的白光LED。用喷雾热解法制备红色荧光粉LiEu(SiO₂)_1/6W₂O₈的研究尚未见报道。     

开放光程TDLAS系统对北京城区NH_3浓度的连续检测

氨气是大气酸性成分的主要中和剂,是影响区域空气质量、大气能见度以及酸性沉降的重要因素。研制了基于开放光程近红外可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术的大气NH3浓度连续监测系统,并对北京城区大气NH3浓度进行了两个星期的连续检测。检测结果表明,北京城区大气具有较高的NH3浓度,且具有明显的日变化周期特征,基本特点是白天浓度低,夜晚浓度高且变化相对平缓。相关性研究表明,非农业排放源,特别是城市交通的机动车尾气排放是北京城区大气NH3的主要来源。     

白光LED用Ba3SiO4Cl2∶Eu2+材料的光谱特性

采用高温固相法合成了Ba₃SiO₄Cl₂∶Eu2+蓝绿色荧光粉,并测量了材料的光谱特性等。研究结果显示,在365 nm近紫外光激发下,Ba₃SiO₄Cl₂∶Eu2+材料呈双峰宽带发射,主发射峰分别为445和510 nm;分别监测这两个发射峰,所得激发光谱覆盖范围为250～450 nm,主激发峰分别为350和400 nm,但光谱分布不同,说明两发射峰来源于不同的Eu2+发光中心。研究了Eu2+掺杂浓度对材料光谱性能的影响,发现随Eu2+掺杂量的增大,445 nm发射峰的强度增加,而510 nm发射峰的强度减弱。采用去离子水清洗Ba₃SiO₄Cl₂∶Eu2+材料后,445 nm发射峰消失,只保留了510 nm发射峰,且发射峰的强度明显减弱。     

2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸-铕配合物的合成、结构表征及荧光性能的研究

以硝酸铕、2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸(HL)、1,10-菲咯啉(Phen)和三苯基氧膦(TPPO)合成了EuL₃(H₂O)₆,EuL₃Phen(H₂O)₄和EuL₃(TPPO)(H₂O)₅三种固态配合物。用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱对配合物进行了组分确定和结构表征。IR表明,2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸与Eu3+形成配合物后,位于1 692 cm-1处羧基的ν_CO峰消失,2 500～3 200 cm-1处羧基的ν_O—H峰也消失,出现了羧酸盐特有的反对称伸缩振动吸收峰(ν_as(CO-₂))和对称伸缩振动吸收峰(ν_s(CO-₂)),且Δν(ν_as(CO-₂)-ν_s(CO-₂))与钠盐的Δν相近,说明羧酸根与Eu3+以对称双齿桥式配位。在1H NMR中,形成配合物后第一配体苯环上的质子峰变为宽峰且移向高场,Phen和TPPO中质子化学位移移向低场。室温下测定了配合物的荧光激发光谱和发射光谱,激发光谱表明配合物EuL₃(H₂O)₆,EuL₃Phen(H₂O)₄和EuL₃(TPPO)(H₂O)₅的最佳激发波长分别为353.0,355.0和357.0 nm;发射光谱均显示Eu3+离子的特征发射光谱,且表明Phen对Eu3+离子的荧光发射有明显增强作用。     

基于长光程的土壤氧化亚氮排放规律的FTIR光谱法研究

氧化亚氮（N₂O）的过量排放会对臭氧层造成破坏,合理施肥和采取减排措施对减缓温室效应具有重要的现实意义。本文利用FTIR光谱法研究了施肥和水分对白菜地土壤排放N₂O的影响。为了提高系统的灵敏度,我们利用多个反射镜加长了光程。通过比对施肥前后N₂O红外光谱和NIST谱库N₂O红外光谱,最终选取2 160～2 225 cm-1作为定量计算N₂O的特征波段。研究发现,施肥和水分能促进白菜地土壤N₂O气体排放,这为农田N₂O的减排和减缓温室效应提供了理论依据。最后,还研究了施肥后土壤N₂O的昼夜排放规律,结果表明,N₂O白天的排放量高于晚上,通过和前人研究结果对比,验证了此方法的可行性。本文研究证实,基于长光程的FTIR光谱法是一种测量土壤排放N₂O气体规律的快速有效方法,它可以对施肥后的白菜地土壤N₂O气体排放进行测量,相对其他传统测量方法具有高速、简便等优势。