میکرومترولوژی در اندازه‌گیری نیتروژن‌دهی

چكیده

در این مقاله، یك روش برای اندازه گیری میزان بازدارندگی استیلنی نیتروژن دهی با استفاده از تكنیك های میکرومترولوژی، معرفی شده است. این روش بر اساس ارزیابی شارهای جریان از نقاط میكرویی حاصل شده است. در این روش،‌ پروفیل های غلظتی در نزدیكی سطح اندازه گیری می شود و از این نسبت های گرادیانی، كه می توان آنها را به طور فرضی برابر با نسبت های فلاكس، در نظر گرفت، نسبت های فلاكس اندازه گیری می شوند. این نشان داده شده است كه استیلن از بوجود آمدن كاهش به جلوگیری می كند. این كار با استفاده از باكتری های نیتروژن زدا انجام می شود. بنابراین، افزایش در شار موجب افزایش در شار می شود. با مقایسه ی نسبت شارهای از نقاط میكرنی دارای استیلن و بدون استیلن، یك تخمین از میزان كاهش با نیتروژن دهی، بدست آمده است. آزمون های میدانی نشان می دهد كه این تكنیك عملی است و به سهولت اجرا می شود. تحت شرایط نیتروژن دهی القا شده، نسبت های شار در گستره ی 0.42 تا 31.4 می باشد.

مقدمه

ما در اینجا تكنیك جدیدی را برای اندازه گیری میدانی نیتروژن دهی با استفاده از بازدارندگی استیلنی و تكنیك های میکرومترولوژی، معرفی كرده ایم. تكنیك های میکرومترولوژی عموما برای اندازه گیری شارهای گازی ناچیز تحت شرایط میدانی ترجیح داده می شوند. علت این موضوع این است كه این روش ها،‌ شار متوسط را از یك ناحیه اندازه گیری می كنند و بوسیله ی شرایط سطحی تحت تأثیر قرار نمی گیرند. علاوه براین، روش های میکرومترولوژی به سهولت برای ارزیابی های دراز مدت مورد استفاده قرار می گیرند. این در حالی است كه با استفاده از این روش ها، هنوز هم قابلیت اندازه گیری شارها در بزرگنمایی های زمانی( 30 دقیقه) وجود دارد.
خیلی اوقات تخمین بدست آمده بر روی تولید شده در طی نیتروژن دهی، از سد استفاده می كنند. استیلن به طور كامل با غلظت هایی در گستره ی 1 % می تواند موجب بازدارندگی فعالیت ریداكتاز اكسید نیتروژن می شود. این مسئله از كاهش به جلوگیری می كند و بنابراین، افزایش شار با یك كاهش در شار مشاهده می گردد. چندین مسئله ی بسیار مهم، استفاده از تكنیك سد
در این زمینه را با مشكل مواجه می كند. سودمندی تكنیك سد با گذر زمان، كاهش می یابد (بعد از چند روز از شروع استفاده و به دلیل بروز پدیده ی هضم میكروبی). همچنین نیتروژن گیری را مسدود می كند به نحوی كه این مسئله ممكن است نیتروژن گیری را با كاهش میزان نیترات مهیا شده، كاهش می دهد. ناحیه ی اشباع شده باC_2 H_2 باید به حد كافی بزرگ باشد تا اجازه دهد یك اندازه گیری از شار بدست آید، در حالی كه آزمایشات لحظه به لحظه با و بدون C_2 H_2 انجام شود. این ناحیه باید همچنین به سهولت با اشباع شود. در نهایت، این مهم است كه آشفتگی های خاك و اب و هوا مینیمم گردد. باانجام این كار، شرایط میدان طبیعی، تكرار می شود.
تكنیك حاضر به گونه ای طراحی شده كه بوسیله ی آن، تخمین های نظارتی از نقاط با شعاع 1 متر بدست می آید( این نقاط میكرو نقاط نامیده می شود). برای انجام این کار، ما نسبت های پروفایل های غلظتی متوسط را در نزدیکی سطح در نظر گرفته ایم. با اندازه گیری به میزان 10 تا 15 سانتیمتر بالاتر از سطح، ما انتظار داریم تا گرادیان های غلظتی موجب ایجاد شارهایی در داخل 1m از ورودی های نمونه می شود. اگر زبری و پایداری در دو نقطه برابر باشد، نسبت های فلاکس ها می تواند به طور مستقیم با نسبت گرادیان ها، متناسب در نظر گرفته شود. استفاده از این روش نیازمند اندازه گیری های غلظتی دقیق و اندازه گیری نسبت جریان هوای ناچیزی است که در نمونه ها ایجاد می شود. با انجام این اندازه گیری ها، از توزیع الگوهای جریان در نزدیکی سطح، جلوگیری می شود. ما این کار را از طریق استفاده از سیستم آنالیز گاز ناچیز با استفاده از لیزر دیودی (TDLTGAS) انجام دادیم.
برای آزمون این روش، 4 پروفایل نقطه ای، به طور همزمان بر روی دو میکرو نقطه ی در آزمایشات مختلف، اندازه گیری شده است. شرایط بدون نیترات کردن از طریق تزریق شدید و تلقیح نیترات ایجاد می شود. با استفاده از این شرایط، امکان پذیری این تکنیک در طی حوادث ضمنی نیتروژن دهی، بررسی می شود. برای کنترل جریان یا اثرات جابجایی اکسیژن، به میکرو نقطه ی دوم، تزریق می شود. اثرات برای نقاط شبیه سازی شده از طریق تزریق گاز در یک نقطه و تزریق نکردن گاز در نقطه ی دیگر، انجام می شود. در نهایت، تفاوت های طبیعی در شارهای با انجام چندین تست بر روی نقاط کنترل متقارن، حاصل می شود.

رویه

تئوری

شار(F) یک کمیت می تواند با گرادیان غلظتی و از طریق ضریب انتقال، مرتبط شود.
که در اینجا، c غلظت کمیت مورد نظر، z ارتفاع بالای سطح زمین و K ضریب انتقال است. ضریب انتقال تابعی از اتمسفر و خواص توربولانس است. برای محاسبه ی این مقدار، معادله ی 1 می تواند به صورت زیر نوشته شود:
که در اینجا، ψ تصحیح پایداری است و بنابراین، یک تابع از طول Obukhov ( Lo) حاصل می شود.
این مسئله را می توان از طریق معادله ی 2 بفهمیم که نسبت شارهای F_1/F_2 از دو نقطه برابر نسبت های گرادیان است اگر، k و ψ در دو نقطه برابر باشند. اگر هر دو نقطه دارای پوشش یکسانی باشند، خواص توربولانس و پایداری باید در هر نقطه و ارتفاعی، یکسان باشد. بنابراین، یک اندازه گیری از نسبت گرادیان ها در ارتفاع های یکسان برابر با اندازه گیری نسبت های شار می باشد. توجه کنید که این مسئله در سایبان ها که تنها منبع موجود سطح جامد باشد، صحیح می باشد.
برای اندازه گیری تولید شده با نیتروژن دهی، ما از بازدارندگی برای بلوکه کردن تبدیل به ، استفاده می کنیم. نیتروژن دهی تحت شرایط غیر هوازی اتفاق می افتد. که این مسئله نشان دهنده ی وجود پتانسیل کاهشی پایین می باشد و از راه زیر انجام می شود:
NO_3^-→NO_2^-→NO→N_2 O→N_2
مرحله ی نهایی این فرایند را بلوکه می کند و بنابراین، شار از یک نقطه دارای ، باید برابر با شار + از یک نقطه ی غیر عمل آوری شده، است.
یا از بحث بالا رابطه ی زیر بدست می آید:

آزماشات میدانی

آزمون های میدانی در یک مرغزار بزرگ انجام شده است. این تفکر وجود دارد که در این آزمایش از 0.16 ha استفاده شده است. دو میکرو نقطه با شعاع 1m آماده سازی شد و در یک زمان مورد ارزیابی و بررسی قرار گرفت. این آماده سازی برای تمام نقاط، شامل مهاجرت سنگین در طول شبانه روز می باشد. این فرایند آماده سازی همچنین شامل کود دهی با استفاده از 200 N ha-1 آمونیوم نیترات در صبح بعدی می باشد. میزان اندازه ها با استفاده از کودها، کاهش یافته است. یک سیستم آب پاش شامل دو آب پاش حلقه ای مانند و یک شیر سوزنی برای کنترل جریان، برای آبیاری، مورد استفاده قرار گرفته است. این سیستم قادر است تا به ما اجازه دهد، بر روی آبیاری یک ناحیه تمرکز کنیم که این ناحیه اندکی بزرگتر از میکرونقطه می باشد. این کار به خاطر این انجام شده تا اطمینان حاصل کنیم، هر نقطه به طور کامل اشباع شده است. کود به وسیله ی دست بر روی هر میکرونقطه پاشیده شد و آبیاری بعد از این کار برای مدتی طولانی انجام شد تا اطمینان حاصل گردد کود به طور کامل حل شده باشد.
هدف از ابیاری، ایجاد شرایط غیر هوازی برای تشویق نیترات گیری از خاک بوده است. بنابراین، شرایط برای نیتروژن دهی در هر میکرو ناحیه ایجاد شده است.
نسبت های گرادیان از عملیات های مختلف، مورد ارزیابی قرار گرفته است. این ارزیابی ها شامل کنترل یا کنترل، کنترل یا تزریق و تزریق یا تزریق می باشد. تمام آبیاری ها و کود دهی های انجام شده شامل عملیات های فرآوری و تزریق و می باشد. در این فرایندها گازها به بخش تزریق گردید و همچنین یک آزمایش کنترلی با بررسی حالتی که در آن، از تزریق گاز استفاده نشده است، آورده شده است. هدف از استفاده از تزریق همزمان CO_2 و C_2 H_2، کنترل اثرات ایجاد شده بوسیله ی جریان های جرمی یا جابجایی های اکسیژنی است. آزمایشات کنترلی و یا CO_2 برای بررسی اثرات جرمی یا جابجایی اکسیژن، مورد استفاده قرار گرفته است. آزمایشات کنترلی/ کنترلی برای ارزیابی میزان تغییر انتشار در طی نیتروژن دهی، انجام شده است. برای آزمایشاتی که در آن از تزریق گاز استفاده شده است، یک سیستم ساده مورد استفاده قرار گرفته است. یک تیوب فولادی با قطر 3/8 اینچ وارد مرکز میکرونقطه شده است و به عمق تقریبی 40 سانتیمتری وارد می شود. تیوب از سمت بالا به سیستمی اتصال یافته و گازی با سرعت 0.21 〖min〗^(-1) به داخل تزریق می شود. از طریق یک سیستم پیچیده تر، می توان کاربردهای دیگری برای این تکنیک، پیدا کرد. این سیستم به نظر به حد کافی برای روش شناسی مناسب می باشد. تزریق گاز در زمان یکسانی شروع می شود زیرا آبیاری به گونه ای انجام می شود که گاز شروع به پر کردن فضای هوای در خاک می شود و ترشوندگی را از آبیاری، بدست می آورد. تزریق برای دوره ی زمانی اندازه گیری، ادامه می یابد. این مسئله موجب می شود تا فرصت برای حل شدن استیلن در داخل آب بهبود یابد.
اندازه گیری های میزان
برای نظارت بر روی گرادیان در هر میکرو نقطه، ما از یک سیستم آنالیز گازی لیزر- دیودی استفاده کرده ایم. و بوسیله ی آن پروفایل های غلظتی بدست می آید. برای این مطالعه، میزان عبور گاز در نمونه هر 7.5 ثانیه اندازه گیری گردید و متوسط آن در 5 ثانیه ی آخر بدست آمد. زمان آسایش 2.5 ثانیه نیز مورد استفاده قرار گرفت تا بوسیله ی آن، سلول نمونه تازه شود. مقادیر غلظت متوسط برای هر بار اندازه گیری، در آخر هر ساعت انجام شد وبر روی دیسک کامپیوتری ذخیره گردید و همچنین از آن پرینت تهیه گردید.
این سیستم برای ارزیابی 8 ورودی مورد استفاده قرار گرفت که هر کدام به دو چهارچوب با 4 ورودی اتصال داده شده است. هر ورودی به طور متوالی مورد ارزیابی و ثبت قرار گرفت و اجازه داده شد تا از دو میکرونقطه به طور همزمان ارزیابی انجام پذیرد. یک میخ بر روی انتهای هر چارچوب قرار داده شد که در خاک وارد می شد و فاصله ی بین بخش های نگهدارنده تقریبا برابر با 1.5، 2.2 و 3.3 بود. چارچوب ها در داخل خاک وارد شد به نحوی که آخرین نگهدارنده ی نمونه ها تقریبا هم ارتفاع با علف ها قرار داشت و ارتفاع های نگهدارنده ی واقعی در بالای سطح خاک، اندازه گیری شد. در طی آزمایشات، پایین ترین نگهدارنده در گستره ی 6.0 تا 10.6 سانتیمتر بود و ارتفاع های متوسط برابر با 7.7، 9.1، 11.4 و 14.7 سانتیمتر بود. دهانه ی آب ریز شامل فیلترهای سرنگی مانند 0.2 میکرونی بودند. سرعت جریان در هر آب ریز با استفاده از شیرهای سوزنی کنترل می شد و در محدوده ی جریان هایی تقریبا برابر با 0.71 〖min〗^(-1) قرار داشت. فیلترها تعویض می شدند و سرعت های جریان هر 10 روز مورد بررسی قرار می گرفت تا بدین وسیله اطمینان حاصل گردد که مسدود نشده اند. این سرعت جریان به حدی کوچک بودند که از ایجاد خرابی در نزدیکی خروجی آب، جلوگیری می شد. لوله های پلی اتیلنی از شیرهای سوزنی به سمت شیرهای سه راهی حرکت می کرد. وقتی این شیرها در حالت غیر فعال بود، این شیرها جریان را به سمت پمپی هدایت می کرد که آنالیزور را دور می زد. وقتی این شیر در حالت فعال بود، جریان به سمت آنالیزور هدایت می یافت. وجود این آرایه، از ایجاد نوسان در فشار ایجاد شده جلوگیری می کرد. این شیرها که به صورت سلونوییدی هستند، با کامپیوتر کنترل می شوند. دو درایر کاملا اصلاح شده، برای خارج کردن آب از هوای نمونه مورد استفاده قرار گرفت. خطای شروع در اندازه گیری غلظت N_2 O برای دوره ی زمانی متوسط 1 ساعته برابر با ±0.1 ppbv می باشد.

آنالیز داده

هر آزمایش انجام شده، 24 پروفایل را در هر میکرو نقطه ایجاد می کرد. تمام پروفایل ها نسبت به لگاریتم ارتفاع، ترسیم گردید. تمام جفت های پروفایلی که در انها تفاوت قابل توجهی میان شار وجود داشت، نشان می داد که کم ارتفاع ترین آب ریز میکرو نقطه واقع شده است. چندین آزمایش نیز دارای پروفایل های مناسبی نبودندکه علت این موضوع، به دلیل فقدان وجود شار بوده است. این آزمایشات مورد آنالیز قرار نگرفت تا بدین وسیله پیچیدگی بوجود آمده از انالیز داده های کوچک، از بین رود. یکی از آزمایشات نیز به طور کامل به دلیل مسدود شدن خروجی آب، از آنالیز خارج گردید. به دلیل اینکه آب ریز قرار داده شده در دو میکرو نقطه همواره دارای ارتفاع یکسانی نبودند، پروفایل ها همچنین مورد بررسی قرار گرفت تا بدین صورت اطمینان حاصل گردد که کدام نقطه برای مجاسبه ی متوسط گرادیان مورد استفاده قرار گرفته است. بدین صورت اطمینان حاصل گردید که نسبت های گرادیانی در ارتفاع یکسانی بوده اند. در واقع، این ترجیح داده شد تا اطمینان حاصل گردد که دو گروه از آب ریزها، در زمانی که هر آزمایش شروع می شود، در ارتفاع یکسانی باشند. برای هر آزمایش که در محاسبه مورد استفاده قرار گرفت، تمام پروفایل های اندازه گیری شده، مورد استفاده قرار گرفتند.
وقتی فیلترینگ داده های اولیه انجام شد، گرادیان ها برای هر میکرنقطه در طول 24 ساعت، جمع شد و سپس، نسبت گرادیان تجمعی برای هر آزمایش محاسبه گردید. در بخش بحث و گفتگو، هر آزمایش با توجه به عملیات های جفت شده با آن، مورد اشاره قرار گرفته است. نسبت ها به صورت لیستی محاسبه شد و آزمایشات کنترل/ کنترل با تقسیم نمودار 1 بر دو، محاشبه گردید. در اینجا، عدد نمودار به طور ساده، به مرتبه ی داده ی جمع آوری شده بوسیله ی کامپیوتر، مرتبط بود.

نتایج و بحث

نسبت های شار متوسط ظاهری برای دوره های بعد از کود دهی، در جدول 1 آورده شده است.
این داده ها با استفاده از معادله ی 3 و با جمع کردن گردایان ها در طول 24 ساعت، محاسبه شده است. برای آزمایشات مختلف، این داده ها به صورت کنترل ، کنترل و نمودار 1 / نمودار 2، نشان داده شد. این گستره از نسبت ها برای آزمایشات کنترل/ کنترل، برابربا 0.70 تا 1.05 بود. این مقدار برای آزمایشات کنترل/ برابر با 1.01 تا 1.52 و برابر آزمایشات / برابر 0.42 تا 31.4 می باشد.
آزمایشات کنترل/ کنترل نشان داد که به طور متوسط، خطای اندکی که در شار ایجاد شده است، بوسیله ی تغییر طبیعی در انتشار ، بوجود آمده است. این تغییر در نقاط اضافی و افزایش زمان متوسط، کاهش می یابد. در عوض، اکثر آزمایشات نشاندهنده ی یک افزایش قابل توجه در نمودار به نمودار است. سه تا از این آزمایشات دارای نسبت های 20- 30 می باشد، در حالی که دو تا از آنها دارای مقادیر قابل مقایسه ای با آزمایشات کنترلی هستند. این گستره به دلیل تغییر طبیعی در شار N_2 ای ایجاد شده که از نیتروژن دهی ایجاد شده است. مقادیر و گستره هایی که در اینجا نشان داده شده است، مشابه با مقادیری است که قبلا برای تولید گزارش شده است( این مقادیر در هنگامی گزارش شده است که از روش های ایزوتوپی و بازدارندگی استیلن استفاده شده است). نتایج بدست آمده از آزمایشات کنترلی/ CO_2، نشاندهنده ی اثر قابل توجهی در هنگام تزریق گاز نیست، به هر حال، در هر مورد، یک تغییر مثبت وجود دارد که پیشنهاد می شود برخی از افزایش های اندک در شار به دلیل شار جرمی و جابجایی اکسیژن، ایحاد شده است. این نتایج یک عدم قطعیت ایجاد می کند. این تصور وجود دارد که برای تأیید این مسئله نیاز به انجام کارهای دیگر است.

نتیجه گیری

این مقاله روشی برای اعمال تکنیک میکرومترولوژی برای بازدارندگی استیلن در نیتروژن دهی، توصیف کرده است. یک TDLTGAS برای اندازه گیری پروفایل های چهار نقطه ای در میکرو نقاط، مورد استفاده قرار داده است. یکی با افزودن و دیگری بدون افزودن آن. با این کار امکان تخمین نسبت تولید شده در طی نیتروژن دهی، وجود دارد. این سیستم قابلیت بدست آوردن رزولیشن های بالا از غلظت به همراه میزان اندکی از جریان های مورد نیاز، را دارا می باشد. میکرونقاط به سهولت با اشباع می شوند و ما قادر به ارزیابی همزمان دو نقطه هستیم. به دلیل اینکه چارچوب ها پرتابل و قابل حمل هستند، میکرونقاط به سهولت در میدان کاری جابجا می شوند. با حرکت دادن سریع میکرونقاط، ما از ایجاد مشکل در زمینه ی بازده کاهش یافته فرایند بلوکه کردن C_2 H_2 و بلوکه کردن نیتروژن دار کردن C_2 H_2، جلوگیری می کنیم.
تکنیک سرعت های گرادیانی در نزدیکی سطح، می تواند به سهولت در سایر نیازها نیز مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، این روش می تواند در مطالعات کشاورزی انجام شده در زمینه ی مدیریت کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد. این روش یک تکنیک مناسب برای کمی کردن میزان انتشار گازها در داخل یک بخش می باشد.