影響靜態(tài)箱檢測開放式氣體排放源N2O排放通量的關鍵因子

劉 羽，周 婧，李柯萍，李欣瑜，王朝元,3，施正香,3，李保明,3

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

影響靜態(tài)箱檢測開放式氣體排放源N2O排放通量的關鍵因子

劉 羽1,2，周 婧1，李柯萍1，李欣瑜1，王朝元1,2,3※，施正香1,2,3，李保明1,2,3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083）

為研究影響靜態(tài)箱檢測開放式氣體排放源氧化亞氮（N2O）排放通量的關鍵因子，以提高靜態(tài)箱檢測氣體排放通量的準確性，該文在實驗室條件下，探究了箱體配置（有無通氣孔、有無風扇）和檢測條件（不同密閉時間：30、40、50和60 min；不同排放源表面風速：0、0.5、1.0、1.5和2.0 m/s）對300 mm（直徑）×300 mm（高度）（300 mm×300 mm）的靜態(tài)箱檢測N2O排放通量準確性的影響規(guī)律。結果表明，不同配置的靜態(tài)箱測量結果偏差率隨時間的變化趨勢均相同，其中有通氣孔和風扇的箱體在不同風速下的檢測穩(wěn)定性較好，檢測準確性最高。當排放源表面風速為0～2 m/s時，風扇對靜態(tài)箱檢測準確性無顯著性影響，排放源表面的風主要通過通氣孔影響靜態(tài)箱的檢測準確性。靜態(tài)箱檢測的氣體排放通量與實際排放通量的偏差率隨排放源表面風速和箱體密閉時間的增加而顯著降低。該試驗推薦在排放源表面風速小于2 m/s的無糞便堆積的奶牛運動場以及排放源介質相似的開放式氣體排放系統(tǒng)中使用有通氣孔和風扇的靜態(tài)箱對N2O排放通量進行檢測，密閉50 min。

排放控制；環(huán)境工程；奶牛運動場；氧化亞氮；排放通量；靜態(tài)箱法

0 引 言

溫室氣體（Greenhouse Gases, GHGs）排放超標是造成全球變暖的重要因素，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)指出，畜牧業(yè)GHGs排放占全球人為GHGs排放的18%[1]。2015年，反芻動物（牛、羊）養(yǎng)殖中GHGs排放占中國畜牧業(yè)GHGs排放總量的72.44%，其中養(yǎng)牛業(yè)是主要來源[2]。畜牧業(yè)GHGs主要來源于畜禽腸道CH4和糞便管理過程中產(chǎn)生的CH4和N2O。以2015年的數(shù)據(jù)為基礎分析中國畜牧業(yè)GHGs排放組成，糞便發(fā)酵產(chǎn)生的N2O排放不容忽視，其排放量占GHGs排放總量的18%～23%[3]，且溫室效應是CO2的298倍[4]。

中國奶牛養(yǎng)殖場通常配有舍外露天運動場，是奶牛飲水、休息和自由活動的場地，運動場上殘留的糞便量大約為總排糞量的50%[5]。發(fā)達國家雖已對奶牛場GHGs排放進行了長期系統(tǒng)的檢測[6-7]，但由于奶牛養(yǎng)殖模式、設施類型、糞便管理等方面均存在顯著差異，其數(shù)據(jù)無法直接作為中國奶牛場氣體排放的參考[8]。目前，廣泛應用在開放式系統(tǒng)氣體排放檢測的方法有靜態(tài)箱法、示蹤氣體法和微氣象法等[9-14]。示蹤氣體法和微氣象法不會影響被測排放源周圍的微環(huán)境，是檢測氣體排放量較為理想的方法[15]，但其對環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高且操作復雜，實際使用難度大。靜態(tài)箱法簡單、經(jīng)濟、便捷[16-17]，因此是現(xiàn)場檢測GHGs排放量的首選，運用廣泛。

靜態(tài)箱法雖然應用廣泛，但其形成的密閉環(huán)境容易受檢測表面的小氣候環(huán)境干擾，且箱體的材料、大小、高度及土壤情況等因素都會帶來一定的不確定度[18]。王迎紅[19]發(fā)現(xiàn)由于靜態(tài)箱是根據(jù)箱內氣體濃度隨時間的變化率來計算通量值，土壤-大氣濃度梯度隨時間降低的變化往往被忽略，從而造成靜態(tài)箱對實際排放通量的低估；Ding等[15]以SF6為示蹤氣體研究了不同箱體直徑和高度的圓筒型靜態(tài)箱對氣體排放通量檢測準確性的影響，推薦300 mm（直徑）×300 mm（高度）（D300 mm× H300 mm）的靜態(tài)箱檢測準確性最好，并指出有無擾流風扇對靜態(tài)箱檢測準確性沒有影響。然而有研究發(fā)現(xiàn)使用靜態(tài)箱檢測CH4時，不安裝擾流風扇，箱內氣體不充分混合會造成排放通量低估；而擾流風扇會改變箱內氣體排放源表面的風速場，可能造成氣體排放通量的高估[20]。由上可知有無擾流風扇對靜態(tài)箱檢測準確性的影響因氣體不同而不同，擾流風扇對靜態(tài)箱檢測N2O的影響還不明確。此外，密閉時間、通氣口和排放源風速等也會對靜態(tài)箱檢測性能產(chǎn)生影響。Davidson等[21]研究發(fā)現(xiàn)靜態(tài)箱的檢測精度容易受到箱體密閉時間的影響，檢測時需要合理地選擇密閉時間，并強調所有靜態(tài)箱應裝配適當尺寸的通氣孔以平衡封閉環(huán)境的空氣壓力。但是，目前的研究還不能很好的解釋各影響因素對靜態(tài)箱檢測精度的具體影響，因此有必要在實驗室條件下對相應因素的影響進行系統(tǒng)研究。

本研究在實驗室條件下采用靜態(tài)箱法對開放式奶牛運動場模擬系統(tǒng)的氣體排放通量進行檢測，研究擾流風扇、通氣孔、密閉時間和風速場等4種關鍵因素對靜態(tài)箱檢測氣體排放量準確性的影響及相關規(guī)律。以期提高靜態(tài)箱檢測氣體排放通量的準確性及其在現(xiàn)場應用的可操作性。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗選用規(guī)格為D300 mm×H300 mm的圓桶靜態(tài)箱。為探究通氣孔和擾流風扇對N2O排放通量檢測精度的影響，試驗設置了4種不同配置的靜態(tài)箱，見表1。

表1 靜態(tài)箱配置

靜態(tài)箱的主要材料為有機玻璃，包含箱體及箱蓋2部分，箱體底部不封口。箱體和蓋子間放置橡膠墊圈并用螺栓連接，以保證氣密性。4種不同配置的靜態(tài)箱僅在箱蓋上有差異，其中有通氣孔和風扇箱體設計如圖1，箱蓋上設置進氣口和出氣口，位于箱蓋中心的兩側，以連接內徑為3 mm的硅膠采樣管和特氟龍采樣管；箱蓋中心上方的位置安裝有機玻璃制成的T型通氣孔，向下深入箱體20 mm，向上伸出20 mm，頂端向兩邊分別伸出75 mm，通氣孔外徑為2 mm；箱蓋正中心安裝擾流風扇，外徑110 mm，由12 V、3 500 r/min的電機帶動旋轉，轉動時箱體底部距底端50 mm處風速為1 m/s，風扇底部距箱蓋約150 mm。無通氣孔箱體不設置T型通氣孔，無風扇箱體不預留箱蓋正中心安裝孔，其余部分均與有通氣孔和風扇箱體一致。

1.2 靜態(tài)箱檢測系統(tǒng)

靜態(tài)箱檢測系統(tǒng)見圖2。校準箱由有機玻璃制成，包括箱體和箱蓋，箱體直徑1 000 mm，高600 mm；為充分混勻箱內的氣體，箱體底部中心位置安裝一直徑120 mm，轉速2 700 r/min的混合風扇。箱體側面在距離箱體底部100 mm設置一直徑為3 mm的開口用來連接氣罐，在距離箱體底面200 mm處設置一直徑為3 mm的開口用來連接氣體檢測儀。校準箱蓋直徑1 000 mm，高150 mm；蓋面上設置孔徑為5 mm的小孔，小孔間距為30 mm，保證氣體擴散的均勻性，蓋上鋪設150 mm厚的石英砂層（孔隙度為35%，密度為2.2 g/cm3），用來模擬真實情況中的氣體排放介質[15]。在中國，素土地面是奶牛運動場一種典型的地面類型，土壤密度為2.1 g/cm3，孔隙度約為28%～32%[22]，與石英砂相似。

1.靜態(tài)箱體 2.橡膠墊圈 3.靜態(tài)箱蓋 4.出氣孔 5.螺栓孔 6.擾流風扇 7.進氣孔 8.T型通氣孔

1.T型通氣孔 2.靜態(tài)箱出氣孔 3.靜態(tài)箱進氣孔 4.電機 5.靜態(tài)箱 6.石英砂 7.校準箱蓋 8.校準箱進氣孔 9.校準箱出氣孔 10.混合風扇 11.校準箱 12.試驗臺 13.多路器 14.氣體分析儀 15.氣瓶 16.風向

該試驗于中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院試驗大廳進行，利用實驗室的農(nóng)業(yè)通風設備性能檢測裝置（即“風洞”）進行風速的調節(jié)，以模擬真實環(huán)境。風洞出風口寬1 650 mm，高1 600 mm，本試驗系統(tǒng)設置在出風口外，測試結果表明距出風口1～2 m處風速較穩(wěn)定，因此將校準箱放置在出風口外1 m處。

1.3 操作方法

為避免人為操作造成對排放源表面的干擾，在第一次試驗前，須提前24 h將靜態(tài)箱插入石英砂50 mm。試驗期間箱體不得拔出或移動，每次試驗結束后將箱蓋緩慢打開排出箱內積累的氣體。

試驗前，將熱線風速儀（KA41L，Kanomax，日本）平架在排放源表面，進行風速測量并記錄，調節(jié)風洞的風速使其為所需值，使其穩(wěn)定運行15 min后開始進行試驗。試驗期間，每隔10 min用熱線風速儀對排放源表面風速進行檢測，試驗過程中保證持續(xù)監(jiān)測。由于現(xiàn)場的地表風速一般在0～2 m/s左右[22]，故本試驗風速梯度設置為0.0、0.5、1、1.5和2.0 m/s。

試驗時釋放一定量的氣體進入擴散箱使箱內初始N2O氣體濃度達到90 mg/m3。緩慢蓋上靜態(tài)箱蓋子，擰緊螺絲。用紅外光聲譜氣體檢測儀（INNOVA 1412i，LumaSense technologies，美國）對靜態(tài)箱和校準箱內的氣體濃度進行采樣測量，采樣間隔為10 min，連續(xù)監(jiān)測60 min。試驗結束后將箱蓋輕輕揭開，釋放箱內氣體。每組進行5次重復試驗。

1.4 氣體排放通量的計算方法

本試驗采用二次多項式模型（簡稱“QR模型”）對N2O排放通量進行計算。式（1）是靜態(tài)箱內排放通量與時間的關系式：

式中為靜態(tài)箱內測量所得的N2O氣體濃度，mg/m2；為密閉時間，min；，，均為系數(shù)，將實際測得的氣體濃度和密閉時間反復帶入，可求得該系數(shù)。

在用二次多項式模型進行擬合分析的情況下，靜態(tài)箱內氣體的排放通量計算公式為

式中為一定時間內氣體排放通量，mg/(m2·min)；為箱體有效高度，cm。

在不同試驗條件下，靜態(tài)箱體的形狀大小、密閉時間以及土壤的基本情況等條件都不盡相同，且均會對試驗結果造成影響。根據(jù)Venterea[23]的研究，引入理論排放通量低估率（Theoretical Flux Underestimation, TFU），在此條件下，靜態(tài)箱實際排放通量0與靜態(tài)箱計算排放通量的關系為

式中0為修正后的一定時間內氣體排放通量，mg/(m2·min)；TFU的值與靜態(tài)箱的有效高度、試驗時的密閉時間及能夠代表土壤狀態(tài)的具體參數(shù)（如總孔隙度、體積含水量、土壤孔徑分布參數(shù)等）有關，為無量綱。

式中，，，為描述理論排放通量低估值與誤差參數(shù)之間關系的回歸系數(shù)，=26.857 5，=?3.566 6，=0.281 4，=0.047 1；為關于靜態(tài)箱體有效高度及試驗時密閉時間的系數(shù)：

式中為土壤總孔隙度，%；為體積含水率，%；為pH值修正因子，本試驗中采用N2O氣體，取值為1；為微量氣體亨利定律氣液分配系數(shù)；為空氣中微量氣體差異系數(shù)，cm2/h；為土壤的孔徑分布參數(shù)，一般采用=13.6CF+3.5來估算，CF為土壤中黏土的比例，（0

校準箱內氣體排放通量計算方法[24]為

式中c為校準箱氣體排放通量，mg/(m2·min)；c為校準箱體積，m3；s為石英砂空隙的體積，m3；c為校準箱排放源面積，m2；c為一定時間內校準箱氣體濃度變化量，mg/m3；Δc為采樣時間間隔，min。校準箱中測得的N2O排放通量視為N2O排放通量真實值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析時去掉5次重復中的最大值和最小值，剩余3個有效數(shù)取平均值。試驗數(shù)據(jù)通過EXCEL 2016進行整理，并采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件分析。

2 結果與分析

2.1 不同配置對箱體性能的影響

圖3反映了不同配置的靜態(tài)箱在不同排放源表面風速和密閉時間下對N2O排放通量檢測的準確性，由圖3可知4種不同配置的靜態(tài)箱在不同風速下檢測N2O的準確性變化趨勢均相同。在試驗初期，箱體密閉時間較短，檢測氣體的排放通量高于真實值。這主要是因為剛蓋上箱蓋時會在很大程度上影響排放源表面氣體混合的過程[25]，導致箱體有效高度的增加，造成在短時間內密閉箱體內氣體排放通量的高估[26]。當氣體持續(xù)排放，箱體內的氣體濃度達到一定值時，會顯著降低N2O的擴散和流動，從而導致氣體的低估[27]。因此使用靜態(tài)箱法檢測氣體排放通量結果一般會先高于真實值，再低于真實值。

圖3 靜態(tài)箱檢測N2O排放通量偏差率隨排放源表面風速和密閉時間的變化

由圖3可知不同配置的靜態(tài)箱在密閉50 min時檢測N2O排放通量的準確性較高。且有通氣孔和風扇的箱體在密閉時間為50 min時對N2O的檢測準確度最高，比萬云帆等[28]推薦的密閉15～30 min要長，這是由于本試驗所選用的靜態(tài)箱有通氣孔來平衡箱體內外的氣壓，延長了靜態(tài)箱的檢測時長[22]。

2.2 風速對箱體性能的影響

表2反映了不同配置的靜態(tài)箱密閉50 min檢測N2O排放通量的準確性受排放源表面風速的影響。在0～2 m/s風速下，無通氣孔和風扇靜態(tài)箱、有通氣孔無風扇靜態(tài)箱、無通氣孔有風扇靜態(tài)箱及有通氣孔和風扇靜態(tài)箱的檢測偏差率分別為1.02%～?29.06%、12.29%～?47.92%、?9.71%～?40.92%和4.42%～?25.64%。無通氣孔和風扇靜態(tài)箱在排放源表面風速為0的情況下測得的N2O排放通量的準確性顯著高于其他風速條件下的結果（<0.05），其他風速下測得的結果之間無顯著差異（>0.05）。Bain等[27]在用靜態(tài)箱法測定氣體排放量時，土壤氣體的排放通量會隨著外界環(huán)境風壓的增高而增大。無通氣孔和風扇靜態(tài)箱在沒有任何調控內環(huán)境措施的條件下，箱內氣體排放通量受排放源風速的影響小，箱外氣體排放通量隨風速的增大而增大，從而使該靜態(tài)箱隨著風速的增加越來越低估N2O的排放通量。有通氣孔無風扇靜態(tài)箱在排放源表面風速為1.5和2.0 m/s條件下測得的N2O排放通量的準確性顯著低于其他3個風速條件下的結果（<0.05）。通氣孔通過平衡箱體內外的壓差來改善箱體的檢測性能，當外界風速通過通氣孔產(chǎn)生文丘里效應，使箱內的氣體不斷逸出[27]，靜態(tài)箱下部氣體向上補充，并加快校準箱氣體排入靜態(tài)箱，從而使靜態(tài)箱檢測結果出現(xiàn)高估。但隨著風速的增大，氣體從靜態(tài)箱更快地逸出，重復上述過程，并隨著檢測時間的增長，靜態(tài)箱和校準箱之間的氣體濃度差越來越小，校準箱進入靜態(tài)箱的氣體減少，但靜態(tài)箱的逸出過程仍在繼續(xù)，靜態(tài)箱內氣體濃度降低，從而使靜態(tài)箱的檢測結果出現(xiàn)低估，并隨著風速的提高而增大。Hutchinson等[25]表明，當環(huán)境中的溫度、氣壓以及箱體體積不變的時候，由于氣體擴散使從通氣孔泄漏的氣體通量小于總通量的0.04%，但在外界有風的情況下則會由于氣壓的變化而導致泄漏氣體通量大幅度增加。除表面風速為2.0 m/s的情況，有通氣孔和風扇靜態(tài)箱在其他各個風速條件下的檢測N2O排放通量偏差率均無顯著差異（>0.05），說明該箱體的檢測穩(wěn)定性較好。且有通氣孔和風扇靜態(tài)箱的檢測準確性顯著高于無通氣孔有風扇靜態(tài)箱（<0.05）。擾流風扇的使用會加快靜態(tài)箱內氣體的均勻混合，提高靜態(tài)箱的檢測準確性，并縮短檢測時間[22]。Christiansen等[20]發(fā)現(xiàn)擾流風扇的風速不改變氣體從排放源擴散的流速，但無擾流風扇的箱體會造成36%的低估。

表2 不同配置靜態(tài)箱密閉50 min時不同排放源表面風速下的偏差率

注：同一靜態(tài)箱中不同小寫字母表示不同排放源表面風速下偏差率在0.05 水平差異顯著。

Note: Different letters in same closed chamber indicate there are significant differences at 0.05 level among deviation rates under different emission surface wind speeds.

2.3 密閉時間與表面風速對靜態(tài)箱檢測氣體排放通量準確度的影響

表3為密閉時間及排放源表面風速對偏差率的主效應分析以及2個影響因素之間的交互性分析，其中密閉時長為0～60 min，排放源表面風速為0～2 m/s。排放源表面風速和密閉時間是影響偏差率的主效應，且效應顯著（<0.05），排放源表面風速和密閉時間的交互作用對靜態(tài)箱檢測N2O排放通量準確性的影響不顯著（>0.05）。

表3 密閉時間及排放源表面風速對靜態(tài)箱檢測準確性的主效應分析

密閉時間會影響箱體內部的微環(huán)境，從而對檢測性能造成影響。研究表明，密閉時間受靜態(tài)箱配置的影響[29-30]，如箱體的有效高度、有無風扇和通氣孔的配置等[27]。排放源表面風會影響插入排放源的箱體底部表面氣體的流動和進出。有風的情況下，排放源中的N2O會被逸出，導致排放源的氣體濃度變低，特別是當排放源的濕度較低時[22]。而本試驗采用的是濕度較低的石英砂，因此更易受到風速的影響。

根據(jù)密閉時間和排放源表面風速對靜態(tài)箱檢測偏差率影響的相關性分析可知密閉時間與靜態(tài)箱檢測偏差率顯著負相關（<0.05），隨著靜態(tài)箱密閉時間的增加，靜態(tài)箱檢測氣體排放通量的偏差率減小，與前人研究結論一致[22]。排放源表面風速與檢測偏差率也呈顯著負相關（<0.05），但有研究表明該因素與無通氣孔靜態(tài)箱的檢測性能無相關性[22]，與本文結論相反，這說明排放源表面風速主要通過通氣孔來影響靜態(tài)箱的檢測性能。

通過以上不同箱體在不同試驗條件下的檢測結果分析，本試驗推薦使用有通氣孔和風扇的靜態(tài)箱對N2O排放通量進行檢測，密閉時間為50 min，排放源表面風速小于2 m/s。牛糞是一種復雜的多孔介質，新鮮牛糞的濕度可達84%[31]。奶牛運動場部分區(qū)域由于牛糞的堆積，孔隙度和濕度均比試驗用石英砂高。高孔隙度會增大表面風速對排放源的影響，使靜態(tài)箱檢測氣體排放通量的低估率增加[32]；而高濕度可以減少箱體內正壓的影響，從而減小靜態(tài)箱的低估率[33]。牛糞特性對靜態(tài)箱檢測奶牛運動場氣體排放通量準確性的影響還需要進一步研究。

3 結 論

通過在實驗室模擬奶牛場開放式氣體排放源，研究了靜態(tài)箱配置、箱體密閉時間以及排放源表面風速對靜態(tài)箱檢測N2O排放通量準確性的影響。主要得出以下結論：

1）不同配置的箱體測量結果偏差率隨時間的變化趨勢均相同，其中有通氣孔和風扇的箱體在不同風速下的檢測穩(wěn)定性較好，檢測準確性最高。

2）當排放源表面風速為0～2 m/s時，風扇對靜態(tài)箱檢測準確性無顯著性影響，風速主要通過通氣孔來影響靜態(tài)箱的檢測準確性。

3）靜態(tài)箱檢測的氣體排放通量與實際排放通量的偏差率隨排放源表面風速和箱體密閉時間的增加而降低。

4）推薦在無糞便堆積的奶牛運動場以及排放源介質相似的開放式氣體排放系統(tǒng)中使用300 mm×300 mm有通氣孔和風扇的靜態(tài)箱對N2O排放通量進行檢測，排放源表面風速小于2 m/s時，密閉時間為50 min。

[1] Steinfeld H, Gerber P, Wassenaar T, et al. Livestock’s long shadow[M]. Rome, Italy: FAO, 2006: 97-110.

[2] 郭嬌，齊德生，張妮婭，等. 中國畜牧業(yè)溫室氣體排放現(xiàn)狀及峰值預測[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2017，36(10)：2106-2113.

,i,hang,. Chinese greenhouse gas emissions from livestock: Trend and predicted peak value[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(10): 2106-2113. (in Chinese with English abstract)

[3] IPCC. In climate change 2013: The Physical Science Basis[M]. New York: Contribution of Working Group I. Cambridge University Press, 2013.

[4] Portmann R W, Daniel J S, Ravishankara A R. Stratospheric ozone depletion due to nitrous oxide: Influences of other gases[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society, 2012, 367: 1256-1264.

[5] 袁慧軍，高志嶺，馬文奇，等. 應用反演式氣體擴散技術測定奶牛場甲烷的排放特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30(4)：746-752.

Yuan Huijun, Gao Zhiling, Ma Wenqi, et al. Determination of methane emissions from a dairy feedlot using an inverse dispersion technique[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(4): 746-752. (in Chinese with English abstract)

[6] Leytem A B, Dungan R S, Bjorneberg D L, et al. Emissions of ammonia, methane, carbon dioxide, and nitrous oxide from dairy cattle housing and manure management systems[J]. Journal of Environment Quality, 2011, 40(5): 1383-1394.

[7] Borhan M S, Capareda C S, Mukhtar S, et al. Greenhouse gas emissions from ground level area sources in dairy and cattle feed yard operations[J]. Atmosphere, 2011, 2: 303-329.

[8] 劉羽，劉婕，王朝元，等. 規(guī)模奶牛養(yǎng)殖室外運動場春季溫室氣體與氨氣排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(22)：178-184. Liu Yu, Liu Jie, Wang Chaoyuan, et al. Emission characteristic of greenhouse gases and ammonia from open lot of scale dairy farm in spring[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 178-184. (in Chinese with English abstract)

[9] Laubach J, Bai M, Pinares-Patino C S, et al. Accuracy of micrometeorological techniques for detecting a change in methane emissions from a herd of cattle[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2013, 17(6): 50-63.

[10] Lovanh N, Warren J, and Sistani K. Determination of ammonia and greenhouse gas emissions from land application of swine slurry: A comparison of three application methods[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(6): 1662-1667.

[11] McGinn S M, Turner D, Tomkins N, et al. Methane emissions from grazing cattle using point-source dispersion[J]. Journal of Environmental Quality, 2011, 40(1): 22-27.

[12] Misselbrook T H, Webb J, Chadwick D R, et al. Gaseous emissions from outdoor concrete yards used by livestock[J]. Atmospheric Environment, 2001, 35(31): 5331-5338.

[13] Spiehs M J, Whitney M H, et al. Oder and gas missions and nutrient excretion from pigs fed diets containing dried distiller grains with soluble[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2012, 28(3): 431-437.

[14] Uggetti E, García J, Lind S E, et al. Quantification of greenhouse gas emissions from sludge treatment we[J]. Water Resource, 2012, 46(6): 1755-1762.

[15] Ding L Y, Wang C Y, Lu Q K, et al. Effects of configuration and headspace mixing on the accuracy of flux chambers for dairy farm gas emission measurement[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2015, 31(1): 153-162.

[16] Blackmer A M, and Bremner J M. Gas chromatographic analysis of soil atmospheres[J]. Soil Science Society of America Journal, 1977, 41(5): 908-912.

[17] Jukka P, Pasi K, Hannu I, et al. Comparison of different chamber techniques for measuring soil CO2efflux[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2004, 123(3): 159-176.

[18] Denmead O T. Approaches to measuring fluxes of methane and nitrous oxide between landscapes and the atmosphere[J]. Plant and Soil, 2008, 309(1/2): 5-24.

[19] 王迎紅. 陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放觀測方法研究、應用及結果比對分析[D]. 北京：中國科學院，2005.

Wang Yinghong. Chamber Method Measurement of Greenhouse Gas Emissions from Typical Terrestrial Ecosystems of China: Method Research, Application and Results Discussion[D]. Beijing: Chinese Academy of Science, 2005. (in Chinese with English abstract)

[20] Christiansen J R, Korhonen J F, Juszczak R, et al. Assessing the effects of chamber placement, manual sampling and headspace mixing on CH4fluxes in a laboratory experiment[J]. Plant Soil, 2011, 343(1/2): 171-185.

[21] Davidson E A, Savagea K, Verchot L V, et al. Minimizing artifacts and biases in chamber-based measurements of soil respiration[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2002, 113: 21-37.

[22] Liu Y, Wang C Y, Ding L Y, et al. Influence of deployment time and surface wind speed on the accuracy of measurements of greenhouse gas fluxes using a closed chamber method under low surface wind speed[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2018, 69(2): 1-11.

[23] Venterea R T. Simplified method for quantifying theoretical underestimation of chamber-based trace gas fluxes[J].Journal of Environmental Quality, 2010, 39(1), 126-135.

[24] Butterbach-Bahl K, Kiese R, and Liu C Y. Measurements of biosphere-atmosphere exchange of CH4in terrestrial ecosystems[J]. Methods in Enzymology, 2011, 495: 271-287.

[25] Hutchinson G L, Livingston G P, Healy R W, et al. Chamber measurements of surface-atmosphere trace gas exchange: Numerical evaluation of dependence of soil, interfacial layer, and source/sink properties[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2000, 105: 8865-8875.

[26] Rachhpal S J, Black T A, Nesic Z, et al. Using automated non-steady-state chamber systems for making continuous long-term measurements of soil CO2efflux in forest ecosystems[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2012, 161: 57-65.

[27] Bain W G, Hutyra L, Patterson D C, et al. Wind-induced error in the measurement of soil respiration using closed dynamic chambers[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 131: 225-232.

[28] 萬運帆，李玉娥，林而達，等. 靜態(tài)箱法測定旱地農(nóng)田溫室氣體時密閉時間的研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2006，27(2)：122-124.

Wan Yunfan, Li Yu’e, Lin Erda, et al. Studies on closing time in measuring greenhouse gas emission from dry cropland by static chamber method[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2006, 27(2): 122-124. (in Chinese with English abstract)

[29] Reichman R, and Rolston D E. Design and performance of a dynamic gas flux chamber[J]. Journal of Environmental Quality, 2002, 31: 1774-1781.

[30] Gao F, Yates S R. Simulation of enclosure-based methods for measuring gas emissions from soil to the atmosphere[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103: 26127-26136.

[31] Ding L, Lu Q K, Wang C Y, et al. Effects of configuration and headspace mixing on the accuracy of flux chambers for dairy farm gas emission measurement[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2015, 31(1): 153-162.

[32] Lai D Y F, Roulet N T, Humphreys E R, et al. The effect of atmospheric turbulence and chamber deployment period on autochamber CO2and CH4flux measurements in an ombrotrophic peatland[J]. Biogeosciences Discussions, 2012, 9(2): 1439-1482.

[33] Lund C P, Riley W J, Pierce L L, et al. The effects of chamber pressurization on soil-surface CO2flux, and the implications for NEE measurements under elevated CO2[J]. Global Change Biology, 1999, 5: 269-281.

Key factors affecting the measurement of N2O emission from dairy farm using static-chamber method

Liu Yu1,2, Zhou Jing1, Li Keping1, Li Xinyu1, Wang Chaoyuan1,2,3※, Shi Zhengxiang1,2,3, Li Baoming1,2,3

(1.100083,; 2.100083,; 3.100083,)

Open gas emission sources, such as open dairy lot and manure stockpile, are still challenge to directly measure the gas emissions, due to their fully open nature and the relatively low flux of gas emission, particularly interfering by other emissions sources, such as barns and animals. The detection accuracy of the commonly used closed-chamber method depends on the chamber configuration and the different external environment. Four key parameters were evaluated, including the disturbing fan, vent holes, surface wind speed of emission (0.0, 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 m/s) and deployment time (0 to 60 min) in the 300 mm (diameter) × 300 mm (height) (300×300) closed chamber using nitrous oxide (N2O) as reference gas. The experiment was carried out in a wind tunnel to adjust the wind speed in order to simulate the real environment of open dairy lots. A calibration system was designed to generate a reference flux, and the accuracy of chamber performance was defined based on the difference between the reference fluxes and the calculated fluxes in the closed chamber. The results showed that the deviation rates have the similar trends during the deployment time in the closed chambers with different configurations. The flux of gas emission that measured by the closed chamber was higher at the beginning of process, and then lower compared with that of the reference flux. The measurement accuracy of the closed chamber reached the maximum when the deployment time was 50 min, where the deviation rate of the closed chamber without the disturbing fan and vent was 1.02%-?29.06%, 12.29%-?47.92% without the disturbing fan and with the vent, ?9.71%-?40.92% with the disturbing fan and without the vent, and 4.42%-?25.64% with the disturbing fan and vent. There was no significant difference in the deviation rates of the detected N2O emission fluxes under different wind speeds (>0.05) using the closed chamber with the disturbing fan and with/without vent, indicating these two types of chambers have better detection stability. However, the measurement accuracy of the D300 mm×H300 mm closed chamber with the disturbing fan and vent was significantly higher than that with the fan and without vent (<0.05). When the emission speed of surface wind was 0-2 m/s, the disturbing fan had no significant influence on the measurement accuracy of the closed chamber (>0.05), indicating the emission surface wind was affected by the Venturi effect through the vent. Both the deployment time and emission surface wind speed had significant negative correlation on the deviation rate of the closed chambers (<0.05). However, the correlation between the deployment time and emission surface wind speed was not obvious (>0.05). This study recommends to use a D300 mm×H300 mm closed chamber with the disturbing fan and vent to detect the N2O emission flux in an open gas emission system, such as dairy open lots without manure and emission sources with similar media, with the speed of emission surface wind less than 2 m/s, and the deployment time of 50 min.

emission control; environmental engineering; dairy open lot; nitrogen oxide; emission flux; closed chamber method

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.022

S815.4

A

1002-6819(2020)-08-0182-06

劉羽，周婧，李柯萍，等. 影響靜態(tài)箱檢測開放式氣體排放源N2O排放通量的關鍵因子[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(8)：182-187.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.022 http://www.tcsae.org

Liu Yu, Zhou Jing, Li Keping, et al. Key factors affecting the measurement of N2O emission from dairy farm using static-chamber method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 182-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.022 http://www.tcsae.org

2019-12-29

2020-03-07

國家自然科學基金（31472132）；北京市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（2018bj102）；國家奶牛產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-36）

劉羽，博士生，研究方向為設施畜禽養(yǎng)殖環(huán)境與控制。Email：xiaohaizhibei@cau.edu.cn

王朝元，教授，博士生導師，研究方向為設施畜禽養(yǎng)殖過程控制與環(huán)境。Email：gotowchy@cau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學會高級會員：王朝元（E041200616S）