從生物燃料農作物監測溫室氣體

全球問題例如氣候變化和能源安全,已推動可再生能源產生:風力、太陽能、潮汐能、地熱能、水力、生物燃料等等。不過,邏輯上每種方法應該可以因溫室氣體 (GHG) 減少而得益,所以美國研究人員已採用便攜式 FTIR 分析儀來研究生物質生產過程之溫室氣體排放。德克薩斯州農工大學土壤及農作物科學部 Joe Storlien 說:『製造生物燃料是企圖緩和氣候變化,但如果生產過程所創造的溫室氣體,比使用生物燃料來取代化石燃料所省卻的更多,這會是一場空。』

當生產生物能源農作物,溫室氣體例如二氧化碳、一氧化二氮和甲烷,經自然和已管理的生物地質化學過程,會從土壤流失。研究人員在實地考察地基安裝柱環,便能測量這些氣體。已知容量的箱固定於柱環,管道把箱連接到 Gasmet DX4030 多項參數 FTIR 分析儀,測量箱內的頂空間隨著時間增加的氣體濃度 (溫室氣體從土壤中滲出來)。

研究隊伍包括:Joseph Storlien、Frank Hons、Jason Wight 和 James Heilman。

背景

研究初步主要行動是分辨合適農作物作生物燃料之生產;尤其是纖維素農作物,產量很多,可收割及轉變成優質生物燃料,例如纖維素生物燃料。高粱屬生物能源是一種給料,很可能成為未來生物能源農作物;這不是用作食物來源,每年農作物 (土地投放於生產的單一個年期)  產量很多 (每英畝多過 10-15 乾噸),所佔土地很少,但足以取得適量農作物,而又具有生物質化學成份特性,便可用作燃料轉化。再者,與很多其他生物能源農作物比較,相對需要較少投入資源。

在美國,根據聯邦法令 (2017 能源獨立和安全法案),生物燃料必須符合特定的減少溫室氣體排放目標。法令限制纖維素生物燃料,在生命周期中需要比起石油標準減少 60% 溫室氣體排放。

生物燃料溫室氣體研究項目 – 德克薩斯州農工大學農作物生命研究農場

農藝管理常規 (施肥、輪作、有機殘渣管理等等) 可以影響溫室氣體排放的數量和類型,這些氣體是從土壤中流失的。研究人員因此研究生產管理方案,讓到生產生物能源農作物可取得長遠可持續的收成之餘,同時將溫室氣體排放減到至低。研究工作是分析直接溫室氣體排放 (由現場試驗形成) 和間接溫室氣體排放 (由生產和運輸試驗輸入時形成,例如耕墾、種植、施肥、灌溉等等),三英尺深的土壤中碳固存,以及八個不同高粱屬生產方案的理論生物燃料產量。

在生長期時,通常在氮肥和/或降雨/灌溉之後,觀察最高二氧化碳和一氧化二氮通量。不過,鑑於現場保留一半高粱屬生物能源的生物質,用作有機補充,一貫地增加二氧化碳排放,所以輪作不會對二氧化碳或一氧化二氮的累積排放有重大影響。

雖然殘渣回饋和氮肥提供減少溫室氣體排放是最少的,研究人員已提出可能需要有管理常規维持長期經濟產量和土質。因而需要額外研究來評估優化氮和生物質殘渣應用速度,來減低溫室氣體排放而又能維持長期產量。

到目前為止,Storlien 博士總結道:『無施肥,單一培植高粱屬,用一半產量歸回現場來提供營養物和有機物質。基於省卻淨溫室氣體排放,這方案整體上得到最大生物燃料生產效能。不過,輪作和施肥可免除害蟲所出現的壓力和維持長期農作物產量。』

FTIR 氣體分析

這項目的初階,採用的氣體檢測技術對於測量數目有更多限制。不過,隨後取得 FTIR (傅立葉轉換紅外) 分析儀,幾乎可以同時測量任何一種參數。例如,氨氣加到測量化合物的清單上,便可對氮循環有更深刻的認識。DX4030 FTIR 分析儀在這工作上被選中,它是便携式電池充電儀器,由 Gasmet 科技公司製造及供應。

Storlien 博士描述氣體監測方法道:「我們使用從 Dx4030 所得數據,來測量隨著時間從土壤而出的溫室氣體的通量 (把隨著時間而改變速度製成圖表)。在生長期時,我們在現場以接近一星期來測量溫室氣體的通量;然後在休耕期測量已減的溫室氣體流通速度 (每 2-3 個星期)。每年年尾,我們在每個地基測出個別和累積流失的溫室氣體。

『所有個別溫室氣體測量被轉為二氧化碳等量 (例如一氧化二氮以 2.98 倍大;這是與二氧化碳的全球暖化潛勢作比較),這樣我們便可在每個現場地基進行總全球暖化潛勢的等量評估。我們然後可以將農作物產量數據除以總全球暖化潛勢 (直接 + 間接),目的是比較和評估不同生產方案。』

『除了溫室氣體/可持續性測量,FTIR 分析儀的排放數據亦幫我們更加明白在耕作系統中碳和氮循環。』

Gasmet DX4030 採用 FTIR 光譜儀,先在干涉儀收集樣本訊息的‘干涉圖’,干涉儀同時測量所有紅外頻率來產生光譜,於是得出每個氣體樣本的紅外光譜,從光譜可取得定質和定量數據。已過數年,Gasmet 已建立龐大的 FTIR 參考光譜庫。換句話說,使用 Gasmet FTIR 分析儀便能分辨他們想監測的化合物,儀器可被設置來同時提供近乎實時讀數。光譜亦可利用安於電腦上的軟件 (Calcmet) 來重新分析,從而辨識未知氣體。

其他關於 FTIR 在溫室氣體研究應用

DX4030 的靈活性對於 Storlien 博士及他的同事來說已是優點。因此,儀器已在兩個其他生物能源有關的項目上被採用。這兩個項目在溫室實驗中,利用 FTIR 來測量從土壤裡出來的溫室氣體。

有關藻類生物燃料生產 (從水產養殖的藻類提取脂類來產生液體生物燃料) 的項目 ,德克薩斯州農工大學的研究人員正尋找方法,可善用剩餘的副產物作有機肥料。因為乾藻類副產物仍含有有價值的營養物。項目的其中一部份涉及溫室實驗,藻類副產物和麥桿混合成選定比例並放於聚氯乙烯泥土柱。這應用中,研究人員利用 DX4030 來評估加添的副產物如何隨著時間而影響溫室氣體排放。

Dx4030 已用於這項目中,來測定商用硝化抑制劑 (估計可減少一氧化二氮) 是否可在高粱屬農作物生物能源中減少溫室氣體排放。溫室研究 (與藻類研究相似) 被用作測試硝化抑制劑於改良了的泥土中,這泥土含有氮肥和高粱屬殘渣。

作為現場使用儀器的好處

Storlien 博士具有豐富的現場經驗,他認為從便携式電池充電儀器例如 DX4030 得著好多好處。

能夠同一時間監測一系列的化合物是主要優點,可用於研究界不同層面的研究工作。取得即時讀數提供機會去檢查監測是否正確進行,個人數位助理 (PDA) 透過藍芽與 DX4030 儀器無線連接後,數據便可在 PDA 檢視和記錄,或者儀器連接到電腦亦可取得數據。

現場使用的儀器理想地應夠細和夠輕。不過,DX4030 重量接近 12千克,在德克薩斯州的`研究人員裝配手推車來改善在現場運輸。溫室研究亦展示儀器放在台上,如何連接主要電源來作實驗室研究。德克薩斯州只需一個人作氣體監測,以往是需要兩個人。

現場/即時結果可免去收集樣本到實驗室作進一步分析。德克薩斯州的`研究人員,例如每20 秒取得新測量,將部署時間減半,大量地省`卻成本。

靈敏度和準確度在氣體研究中明顯是重要的,亦要考慮儀器成本。德克薩斯州工作人員發現轉移到 FTIR 的好處是性能卓越和具成本效益。

便攜式 FTIR 儀器的部署已顯著有益於德克薩斯州的項目隊伍。Storlien 博士說:『由於 Gasmet FTIR 可塑性非常高,我們相信未來無數項目將會因這技術而從中得益。我真想流動 FTIR 可於研究人員中普及化,因為測量溫室氣體是一項偉大工作,並幫助我們了解人類如何影響全球氣候轉變的驅動器, 全球氣候轉變是極之重要,而且是急速發展的研究範疇。』

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