CN103733062A - 用于评估土壤的微生物活性水平的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对基质(9)——优选为农业土壤、生物质和具有酶活性的其他环境——的微生物活性水平进行评估的方法和装置。该方法包括以下步骤：准备一条或更多条可生物降解的线(8)；以预先限定的张力将所述一条或更多条可生物降解的线拉紧；将所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线部分地引入基质中；使所述一条或更多条可生物降解的线保留在基质中；测量从将所述一条或更多条可生物降解的线引入基质中开始到所述一条或更多条线断裂为止所经过的时间。该装置(1)包括一条或更多条可生物降解的线(8)，并且对于每条线，该装置(1)包括适于将可生物降解的线的一端固定的第一固定元件(12)和适于将可生物降解的线的另一端固定的第二固定元件(20)，在第一固定元件(12)与第二固定元件(20)之间，每条可生物降解的线能够以预先限定的张力而独立地绷紧。还描述了一种相应的套件。

Description

用于评估土壤的微生物活性水平的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种基于材料的降解用于对基质－－例如耕种土壤、生物质或具有酶活性的其它环境－－的微生物活性水平进行评估的方法、装置和相关套件，这种评估是基于材料－－该材料允许对其进行检测－－的生物降解。描述了所述方法和装置的各种应用。一个重要的应用领域是农业。
背景技术
若干应用领域需要关于基质的生物活性状态的问题的答案。例如，作为业生产的主要界面的土壤构成了其功能性由多种微生物物种的活性进行调节的环境。这些微生物物种确定了决定植物生长的有机物质和营养物的更新。土壤的酶活性是重要的“传感器”，因为酶活性提供了关于微生物种群的代谢状态和土壤的化学-物理状态的信息。
对于农民而言，需要知道其土地的肥力程度并且评估是否有必要供应例如氮肥和／或磷肥。在所述过程期间节省资金的可能性、避免添加土壤中已有物质，这不仅为农民带来了经济益处，而且还对于环境和土地带来了总体效益，这通过与水床和活水中的农业水源的硝酸盐过量相关的问题的严重性以及通过法律所提供的后续措施而展示出。
除了当前的耕种之外，对于休养的土地需要直到生产潜力状态，以确定对于重新开始耕种而言最佳的轮作和持续时间，或是评估恢复边缘土地以用于耕种的机会。
以相同的方式，即使在粪肥或禽肥成熟、有机残余物堆肥成熟、专用于生物再生的土壤的生物堆肥成熟的情况下，以及将罐体或生物反应器中的微生物茵群的活性作为支柱的一系列工业情况下，仍然需要知道基质的成熟状态和基质的活性。在这些情况之中，能够提及的是用于生产生物气和生物燃料的活化泥、废水处理、硝化-反硝化系统以及生物质与农工业残余物的转化。
当前的方法－－通过当前的方法能够满足所涉及的使用者(农民、织物负责人、环境保护机构、立法者)的有关土壤、环境、生物反应器等的微生物状态的知识的需要－－由一系列的化学-物理分析构成，当前的方法具有一个或更多个以下缺点：需要将任务委托给专业实验室；需要分析多个不同的方面(元素用量、化学-物理分析、微生物分析)；难以出于明确诊断的目的而对结果进行解释；分析成本为中等至较高；取决于分析服务的可用性而具有较长的等待时间；需要将材料从所涉及的场所运出而运送至分析场所。
现有技术提供了这样一种方法：该方法通过将织物纤维(棉)的样本放置在土壤中并且在预先限定的时间段之后将其取出，以测量该样本在与微生物相互作用之后的残余机械阻力，从而分析织物纤维(棉)的样本的降解度。断裂所必需的力指示出土壤的纤维素分解活性。根据该方法，将样品运输至分析中心。较大条带的使用需要在地面操作较长的时间段并且需要较大的拉力计量机器来使条带断裂。该方法不提供任何与其它酶活性－－例如蛋白质分解活性－－相关的信息或者与地下的氮、磷、钾等的含量相关的信息。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺点，并且特别是提供这样一种方法和装置：该方法和装置能够促进对基质－－特别是土壤－－的微生物活性的评估，同时不需要将样品运输至分析中心、不需要使用复杂的测量仪器、不需要承担较高的成本和等待较长的时间。本发明的另一个目的是提供这样一种方法和装置：该方法和装置能够在不需要实施多次不同分析的情况下以简单方式提供关于基质微生物活性－－包括多种酶活性－－的总体信息，并且可选地还能够获得关于基质中的肥料／营养元素－－例如氮、磷、钾等－－的可用性的信息。本发明的另一目的是除了农业领域的应用之外还为本发明方法和装置寻找其它的应用领域。
通过用于对基质－－优选为土壤－－的微生物活性水平进行评估的方法实现了上述目的和将在下文更详细地描述的其它目的，该方法包括以下步骤：
a)准备一条或更多条可生物降解的线；
b)将所述一条或更多条可生物降解的线以预定的张力拉紧；
c)将所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线至少部分地引入基质
中；
d)使所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线保留在基质中；以及
e)测量从将所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线引入基质中开始直到所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线断裂为止所经历的时间。
所进行的测试已经表明，在线－－线在其引入基质中之后恢复－－中，相比于未引入基质中的原始的线，能够记录对测力断裂应力的抵抗力的精确变化，并且所进行的测试已经表明，该参数与所分析的环境的微生物活性水平高度相关。通过被检查的基质中有机物质的存在和营养物的可用性来确定微生物／酶活性。微生物活性水平指示出土壤或其它基质的成熟和／或肥力状态。
术语“线”的意思是纵向尺寸(长度)超过其横向尺寸(宽度和厚度)的细长本体。相应地，术语“线”还包括纤维，并且线可由多条纤维或仅一条纤维构成。术语“纤维”包括单条细丝、多条细丝、纤维簇、纤维条或带，或者以下纤维：切割成其它形状、断裂成小件或不连续或是有类似构型，具有规则或不规则的横截面并且适合于承受给定的拉伸应力。术语“纤维”在本文中还包括上述结构的组合。
术语“可生物降解”的意思是一条或多条线是至少部分可生物降解的。换言之，可生物降解性的程度－－指的是线被微生物菌丛分解的能力，所述微生物茵丛的存在必须通过采用根据本发明的方法进行测定－－足以使得所涉及基质中的给定的微生物活性可以导致拉紧的一条或多条线在某一时间段内断裂。优选的是，该时间段应当不超过1至2周。
在基质是土壤的情况下，合适的线可以例如是可分解的线。能够进行充分的生物降解并且能够承受一定拉力的所有材料能够被视为是合适的。既可以考虑天然来源的材料，也可以考虑人工材料，例如聚合物纤维。天然材料被分为通常由蛋白质构成的动物来源的材料和通常由纤维素基或淀粉基构成的植物来源的材料。
根据本发明的优选变型实施方式，可生物降解的线是蛋白质或植物来源的，优选是棉或丝。线的分解程度提供了关于基质的纤维素分解或蛋白质分解活性的信息。此外，材料的选择还由微生物或酶能够使线分解以导致所述线断裂的速度来确定。理想的是，将线、线的张力以及线的尺寸选择成使得线的断裂发生在几天之内，最长为1至2周之内。
与现有技术相比，本发明方法不测量在给定时间段之后使线断裂所必需的牵引力，而是测量直至承受了给定的拉伸／牵引应力的线断裂所经过的时间，这极大简化了测量技术。线在土壤中的停留允许微生物／酶将可生物降解的材料分解，其结果是在给定量的材料分解之后，线不再能承受张力并且断裂。市场上可用的棉或丝缝纫线已经展示出特别适用于目的用途。
这种方法－－根据这种方法线保留在地下(或者在诸如泥土之类的更呈液态的基质的情况下浸入地下)－－已经被研发成用于测量存在于土壤和基质中的微生物的复合体的降解能力。优选地，所述一条或更多条可生物降解的线中的至少两条由不同材料构成，以收集关于不同微生物活性的信息。
有利的是，线是植物来源的(例如是纤维的，比如棉)或动物来源的(例如是蛋白质的，比如丝)。植物来源的线对易受到纤维素分解作用，而动物来源的线指示出蛋白质分解活性。通过与所述线接触的游离的微生物或酶的逐渐作用，所述线逐渐变弱。在本方法的应用中，将不同材料的线进行组合意味着：通过使这些线断裂所必要的时间，获得了关于土壤的蛋白质分解活性和纤维素分解活性的信息。可以考虑其它类型的线，例如为比如亚麻、纤维胶、羊毛(表现为缓慢降解)等。
在本发明的方法的一个有利实施方式中，对于所述一条或更多条可生物降解的线中的至少一条可生物降解的线，存在有至少一条另外的相同材料的可生物降解的线，通过将这两种线的断裂时间进行比较，确定了在基质中至少一种肥料物质的添加以及该肥料物质的缺少或过量。本方法的这种变型实施方式在农业领域中是特别有意义的，并且使得能够确定是否能够进一步增加所涉及的土壤的肥力。
除上述简单纤维之外，其它类型的线因而添加并布置在基质中，诸如为比如矿物氮或磷酸钾之类的肥料元素的来源在之前添加至所述其它类型的线。在该上下文中，能够考虑采用线的不同组合，其中每条线包含有肥料物质，或是采用具有若干种肥料物质的线的不同组合。特别有意义的是由以下矿物质源构成的组中选择肥料物质：氮、磷、钾、钙、镁、硫以及其它中量和微量元素。这些元素可以在矿物盐－－例如Ca(H2PO4)2、CaSO4、CaNaPO4·CaSiO4、(NH4)2HPO4、NH4NO3、(NH4)2SO4、KNO3以及本领域专家已知的其他矿物盐－－中找到。
在农业和园艺领域中，基于植物对通过施肥而产生的特定添加物的反应，将中量元素视为次级元素。中量元素包括例如钙、镁、硫、氯，并且在一些情况下还将钠考虑为中量元素。相反地，大量元素－－特别是氮、磷和钾－－是肥力的主要元素。而微量元素以非常有限的量起作用，但是实施了基本的作用，这是因为微量元素是酶的组分的一部分。微量元素包括例如硼、锰、铜、锌、钼、钴、铁，并且有时氯、硅和镍也被视为属于该组。
在最简单的情况下，通过将线浸入NH4NO3溶液中使氮发生富集。优选地，溶液的浓度约为3g／l。优选地，浸入时间约为15分钟。
有利的是，磷的富集反而需要浸入Na2HPO4和KH2PO4溶液中。合适的浓度对于Na2HPO4约为6g／l以及对于KH2PO4约为3g／l。有利的是，然后使线在露天环境下干燥。
在经特定元素预处理的线对断裂的抵抗力的减弱甚至超过了未经预处理的线的情况下，所述差异指示出：以任何方式用相应的元素进行施肥能够对所涉及土壤产生益处。因此，容易获得关于所测试的这种特定元素相关的需求的信息。
该差异实际上指示出：在所涉及土壤中，有机物质的矿化作用中具有活性的微生物是否受该元素－－例如氮或磷－－的限制，以及多大程度地受限制。
在土壤中存在过量营养物的情况下，用给定的元素进行的预处理已显示为适于指示出结果－－即使结果是否定的，与未添加该元素的纤维相比，用给定的元素进行的预处理带来了较小的降解。
这在氮的情况下是特别明显的。
换言之，通过利用若干条线而使用所建议的方法，农民可以自动地理解它的土壤是否需要添加诸如磷或氮之类的某些元素。
通过在已知肥力和生产力的土壤和环境中进行的数千次次测量，验证了所述方法并且与所需参数的相关性是高度显著的。
为了对结果进行解释，将放置在土壤中的线的抵抗力值与未放置在土壤中的对应的原生线的平均抵抗力值进行比较，并用以下公式表示为抗性百分比：(使放置在地下的纤维断裂所必需施加的重量克数／使天然纤维断裂所必须施加的重量克数)×100。之后通过用100减去所得的值，使所获得的数据由残余抵抗力百分比转化为发生的降解的百分比。
以该方式测定的值与基质中细菌、微真菌、藻类、原生动物、酶或肥料元素的某些浓度通过基质的“背景”而建立相关性，所述基质的化学-物理和微生物参数－－例如关于土壤类型的信息、营养物／肥料元素的浓度、微生物群体的量、关于酶活性的值等－－是已知的。
明显的是，也可将所述方法的该部分(将不同材料的线和／或相同材料的线－－无论是经预处理还是未经预处理－－放置在地下)也转换成已知技术的方法，然后转换成用于在存在于土壤中给定的时间段之后测量使线断裂所必需的力的方法。
因此本发明实现了提供以下方法的目的：该方法将作为可生物降解的样本线(例如棉、丝)上的有机物质的微生物矿化活性的函数的土壤微生物活性水平和／或土壤肥力状态或者包含生物活性群落的泥和废水的降解能力进行比较评估，其中所述样本线放置在土壤中或浸入于土壤中、均为简单行驶并且添加有废料元素或营养元素(例如氮、磷和钾)，该方法是通过在存在于被分析的土壤或基质中合适的时间段之后将对断裂的抵抗力的变化进行测量而进行的。
根据本发明的方法还能够例如监测一般在植物提取或污染之后被污染的土壤的开垦。所述方法允许同时测定不同的活性。
本发明的另一个方面涉及一种用于测量基质的微生物活性水平的装置，该装置包括一条或更多条可生物降解的线，并且对于每条可生物降解的，该装置包括线适于将可生物降解的线的一端固定的第一固定元件和适于将可生物降解的线的另一端固定的第二固定元件，在第一固定元件与第二固定元件之间，可生物降解的线各自能够以预先限定的张力而独立地绷紧。明显的是，至少第一固定元件可以由两条或更多条线共用，并且以相同的方式每条线可以一直具有单个第一固定元件。该装置适于实施所述方法。对于术语“线”和“可生物降解”，应用上文提供的定义。
根据本发明的装置优选为用于土壤的测量装置。
根据本发明的优选变型实施方式，对于所述至少一条可生物降解的线，存在至少另一条由相同材料制成的提供有至少一种肥料物质的可生物降解线和／或存在至少两条由不同材料制成的可生物降解的线。上文已经参照了根据本发明的方法而描述了相应的变型和组合。通过将单个装置放置在地下，能够将与单个探针结合的多条纤维的各种组合引入土壤中。
在最简单的形式中，对于存在的每条可生物降解的线，具有第一固定元件和第二固定元件。
能够考虑通过实现在两个固定元件之间设定给定的距离从而在线上产生预先限定的张力，但是有利的是，该装置还包括拉紧元件，拉紧元件适于将给定的牵引力施加在可生物降解的线上以在线上获得预先限定的拉力。这种拉紧元件可以例如是弹簧。理想的是，线通过这些拉紧装置而受到以下比例的牵引力：该牵引力等于在相同的细丝是新的时使所述相同的细丝断裂所必要的牵引力的50％。在此方面，市场上提供了设定有预先限定的弹力、适于在线上施加特定的牵引力的弹簧。优选的是，拉紧装置对第一固定元件与第二固定元件之间的距离进行控制。
优选的是，对于每条可生物降解的线，根据本发明的装置还包括适于发出相同的线断裂的信号的指示器。指示器的存在避免了在限定的间隔内将装置从基质中取出以对线的状态进行控制的需要，并且能够使仪器在地下保留在原位，并且一旦特定的线的抵抗力已经降低－－例如降低至原生纤维的抵抗力的一半，则能够记录指示器在该特定的线断裂之后被激活所必要的时间。
根据本发明的有利的变型实施方式，第二固定元件能够相对于第一固定元件运动，并且拉紧元件是弹簧，所述弹簧将其牵引力施加在第二固定元件上使得在两个固定元件之间绷紧的可生物降解的线向弹簧加载，在线断裂的情况下，弹簧使第二固定元件运动远离第一固定元件以返回其未被加载位置。可以考虑两种主要情况。在第一种情况下，当线拉紧时弹簧从其未被加载的歇止构型延伸，而在第二种情况下，当线拉紧时弹簧被压缩。一旦线断裂，弹簧相应地收缩或张开，以返回其未被加载的构型。
优选地，指示器与第二固定元件成一体并且因此与第二固定元件一起运动，并且因此指示器的位置适于发出线断裂－－如果发生线断裂的话－－的信号。由于将牵引力施加在第二固定元件上的是弹簧并且该固定元件是可动的，所以第二固定元件的位置由弹簧的张开或压缩状态来确定，弹簧的张开或压缩状态进而由线是否拉紧来确定。直接与第二固定元件连接的指示器能够作为位置指示器而指示出第二固定元件的位置，并因此间接指示出线的状态，其中线仍然可以是拉紧的或可能已经断裂。在最简单的情况下的构建理念包括对指示器进行直接的视觉监测的可能性，为此目的，有利的是指示器应当定位在装置的未放置在土壤中的部分中。
优选地，指示器从一个位置运动至另一个位置，并且因此与检测器相接触，所述检测器在显示器上或远程地显示出线的状态；该原理还可以通过简单的调整而变化，以获得以下变型：通过将数据无线传输至合适的软件来提供检测到的状态。以这种方式，所述仪器能够自动地反馈对于使用者的后续管理选择而言有用的信息，例如：是否需要进行土地施肥和耕种土壤中相同实体；未耕作的土壤和森林土壤的质量、潜力和职能；土壤在休耕之后或作为休耕田而复垦的适当性；成堆的粪肥、堆肥块、用于土地开垦的生物堆肥、由天然和人工环境二者产生的沉淀物、用于处理生物质和废水的泥和系统、以及能量生产链中的生物反应器等的成熟／活性程度。如上所述，该信息能够由不同的线的对应组合而提供。
有利的是，在线的两个固定点之间存在导线器，该导线器适于使线相对于仪器的主轴线略微倾斜、优选为如果线在地下约15厘米则将倾斜限定为约3°。在可能的变型实施方式中，导线器是盘形成形的并且设置有径向布置的凹部，其中这些凹部可以是简单的切口或星形成形的盘中的凹部。根据本装置的有利的实施方式，本装置的基础结构是支杆，对于每条可生物降解的线，支杆在其下部设置有第一固定元件，并且支杆设置有与所述第一固定元件轴向间隔开的分隔元件，分隔元件容置有用于每条线的轴向运动形式的杆，杆的位于分隔元件一侧的面向第一固定元件的第一端部设置有第二固定元件，并且沿着杆的长度在分隔元件的另一侧存在与杆成一体的垫片，并且其中弹簧同轴地插入杆中、环绕在垫片与分隔元件之间，使得线在第一固定元件与第二固定元件之间的固定意味着将线拉紧并且将弹簧在垫片与分隔元件之间进行压缩，并且在线断裂的情况下，弹簧张开，从而使杆运动，杆的第二端是指示器，指示器通过与杆一起运动而利用指示器的新位置发出线(8)断裂的信号。
根据本发明的装置的尺寸是可变的并且还取决于被分析的基质。用于瓶饰应用－－例如用于观赏植物－－的装置在尺寸上小于在田地、葡萄园、果园、观赏植物花园或自然环境中使用的装置。根据基质的微生物活性的深度范围来选择线的与土壤接触的部分的长度。仪器的密度－－即，用于被分析的特定表面的仪器的数量－－取决于基质的同质性，同质性在平原的情况下总体上高于山地的情况。指示性地，在平原上，每公顷土地平均有六个监测点可以是足够的。基于存在于地下的期望时间来优化线的直径。
有利的是，装置还可以配备有分析器，分析器在气分析器体、温度分析器和湿度分析器之中进行选择，以使所收集的信息完整。
本发明的另一方面涉及一种套件，该套件包括一条或更多条可生物降解的线，以及
a)用包含至少一种矿物质源的矿物盐溶液进行预处理的可生物降解的线，其中矿物质源在氮、磷、钾、钙、镁、硫、其它中量元素和微量元素的来源之中进行选择；和／或
b)包含至少一种矿物质源的矿物盐溶液，所述矿物质源在氮、磷、钾、钙、镁、硫、其他中量元素和微量元素的来源之中进行选择，其中线的端部设置有固定装置，固定装置特别是球粒、孔眼、钩，并且线的端部可选地设置有区别标记。这些固定装置有利地选择成使得这些固定装置适于用存在于根据本发明的测量装置中的固定元件进行固定。这种套件用于：使用可以用于要实施的测量的线来容易地替换断裂的线。
对于术语“线”和“可生物降解”，应用上文提供的定义。区别标记可以是着色球粒。
与现有技术相比，所建议的方法和仪器提供的优点是明显的，因为所建议的方法和仪器向用户提供了：在使用者土地上、在使用者的工厂、植物或花园或瓶饰中使用仪器的机会；通过将关于断裂所确定的时间与关于具有已知质量(例如列于恰当的解释表格中的质量)的基质所已知的时间进行比较而由自己进行诊断的可能性；实时地或在任何情况下立即获得答案的机会；以及使用具有较低价格并且可通过仅更换可替换纤维而无限次地重复使用的仪器的机会。基质的性能的确定可以允许使用者做出与以下方面相关的直接且及时的决定：仅在添加肥料是真实必要的情况下添加肥料的可能性、以及使用最合适类型的肥料的可能性，从而实施“精确施肥”，以及与以下方面相关的直接且及时的决定：使用已经达到成熟的材料(堆肥、粪)而不是等待对于产物的功能性而言不必要或甚至是过量的时间段的机会。除了降低产品的介入和销售／分配的等待时间之外，这些选择还允许使用者节省大量金钱，并且减少肥料在环境中的过量的浪费和扩散。
通过使用根据本发明的方法和装置，将线回收以及在测力工作台上测量线的残余极限拉伸应力不再是必要的，这是因为装置能够自动操作并且仅需要测量使线断裂所必需的暴露于微生物的时间。以这种方式，对土壤的微生物(矿化)活性和／或肥力－－肥力与微生物(矿化)活性密切相关－－的监测能够通过以下方式而容易地实施：周期性检查设置在仪器上的指示器的状态(或在远程检测模式中接收来自无线传感器的数据)并且将测定的值与例如在解释表格中所提供的标准值进行比较。
本发明实现了以下目的：允许比较分析(在不同的可生物降解的材料和／或线之间的比较分析，其中线添加有或未添加营养元素－－营养元素特别是氮或磷-钾)，这构成了极大的方法改进，不仅提供了关于纤维素分解活性的信息并且提供了关于蛋白质分解活性的信息，和／或关于已存在于或残余在土壤中的营养物(肥料元素)的浓度的信息，或甚至土壤中所不存在的营养物(肥料元素)的信息。此外，极厚的条带的的使用以代替现有技术中的较薄的线需要用于纺织工业的大型拉力计量机器并且需要在地下长期保留以使这些条带断裂。本发明的方法和装置不需要复杂的拉力计量仪器；地下保留的时间较短。本发明不仅限于应用于土壤，事实上所述方法和装置也可用于上述其它环境中，例如还用于关于现有技术水平的段落中所述的环境中。本发明提供了用于评估基质的微生物活性和肥力水平的仪器(可选为自动仪器)，其中基质的微生物活性和肥力水平能够由使用者监测。如果将装置和／或方法应用于具有已知微生物／酶活性的基质，则该装置和／或方法可以用于测定材料－－例如聚合物材料－－的可生物降解性／可堆肥性。为此目的，使用由待测试的材料制成的线。
本发明的变型实施方式是从属权利要求的主题。通过参照附图的非限制性实施例提供了根据本发明的装置的实施方式的优选实施例的描述。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于评估基质的微生物活性水平的装置的轴侧视图；
图2示出了根据图1的装置在没有保护壳体的情况下的轴侧视图；
图3示出了根据图1的装置的下部的轴侧视图；
图4示出了图2的细节的轴侧视图；
图5示出了根据图1的装置的头部在指示器未激活的情况下的轴侧视图；
图6示出了根据图2的装置的头部在一些指示器被激活的情况下的轴侧视图；
图7示出了根据图2的装置的上部的侧视图；
图8示出了将根据图1的装置的下部引入土壤中的侧视图。
具体实施方式
图1示出用于田地的形式的整体由1表示的装置。基础结构包括在一端设置有稳定器尖端4的支杆2。在也用作把手的另一端5上存在测量头部6，测量头部6能够测量指示器(未示出)－－指示器发出一条可生物降解线8断裂的信号－－的激活。因为装置1旨在主要用于户外，所以将通过圆筒形壳体10－－圆筒形壳体10的上部是透明的－－来保护拉紧机构(在以下附图中详细示出)而抵抗环境介质，从而允许观察到可以被激活的着色指示器(参见图6)。所述壳体10具有简单的设计并且可以通过轴向滑动运动而容易地移除以允许在不需要特殊工具的情况下将作为备用部件而可用的新的线快速定位。适于一直将对应的可生物降解线8的一端固定的固定元件由12表示。
在图3所示实施例中，线通过着色球粒34而锚定在底部处，所述着色球粒34通过标准的工业过程而固定、用作止挡件并且在稳定尖端4的上方插入存在于仪器的下部的适当的圆筒形元件12中。支杆2由适于在田地中使用的材料制成，例如为比如不锈钢、聚合物材料等。稳定器尖端4应被理想地引入使用具有合适直径的钻孔机而在地面中制成的预制孔中，所述合适直径优选为略小于支杆2的直径以确保线8与土壤的良好接触。在土壤不太硬的情况下，也能够将装置直接插入，而不需要制作并且没有使线断裂的风险。
图2示出了将保护壳体10移除之后的装置1的内部。可生物降解线8从相应的固定元件12处沿支杆2延伸并且被引导通过盘形导线器14，所述导线器14除了使线8彼此间隔开之外还用来限定线8的特定倾角，每个线8在末端具有孔眼16。这例如通过将线8的孔眼形状的上端与通过在放置和服装工业中使用的标准工业工艺围绕线而热成型的较小的着色塑性圆筒部18进行制备而获得。这些较小的着色圆筒部18还用于根据所使用的材料以及所添加的不同物质而将线彼此区分。所得到的线8的分离确保了与土壤接触并且因此确保了与微生物的最好的相互作用。
约3°的倾角已显示出适用于构成活性基质的土壤与线之间约15cm的接触长度。孔眼16与钩20联接，钩20与支杆2的第一端部相对应，所述第一端部沿着支杆2延伸并且终止于第二着色指示器端部24。这些指示器24聚集于头部25的孔23中。杆在盘28的孔26中被可动地引导，并且设置有固定环30。环30和盘28限制了在环30与盘28之间插入于杆22中的螺旋弹簧(为了清楚起见仅示出了一个弹簧)的可动性。弹簧形成给定的弹性反作用以将特定的张力施加至线8。因此通过由这些螺旋弹簧32而加载的杆22使线8在竖直线方向上保持拉紧。
在本文所述的实施例中，存在六条线(三条棉线和三条丝线)，并且每组线包括：(a)一条未预处理的检验线，(b)一条用氮预处理的线以及(c)一条用磷预处理的线。明显地，最终用户还可以自由地选择线材料和线处理的其他组合以得到所期望的信息。明显地，线的数量也可以变化。理想的是将线工业化生产为具有标准特征，并且有利地设置有特定颜色的球粒和较小的圆筒部以允许正确插入装置中。这是必要的，这是因为用于棉的牵引力与用于丝的牵引力是不同的，并且对于相同的材料，必要的是能够在棉质或丝质、中性或预处理的不同的线之中进行区分，以正确评估结果。
为此目的，甚至上部指示器端部24－－当线一旦已经达到50％的降解度而将屈服于弹簧的牵引力并且断裂时，上部指示器端部24将被激活－－也标记有不同颜色以允许在组装期间将线正确插入并且在使用检查结果期间识别出断裂的线。所采用的锁定系统(球粒、孔眼)使得能够将线8快速定位在装置1中并且不需要特殊工具。
在将止挡部球粒34插入其底座中(图3)之后，线8各自通过设置在导线盘14中的凹槽15－－必要的是在线8与支杆2的竖向轴线之间保持微小的角度(约为3°)－－并且最终固定在对应的杆22的设置有钩20的下端。线8因此从底部至顶部而略微分散开，以实现与基质的更好的接触。事实上，该仪器插入于由简单工具制造出的预制孔中，所述简单工具由金属或塑性缸体或冲头构成，只要缸体或冲头的直径等于或略小于装置的定位在土壤中的部分并且缸体或冲头的长度等于装置的定位在土壤中的部分的长度即可，其中装置的定位在土壤中的部分除去稳定器尖端之外与活性曾的深度(约15厘米)相对应。装置1理想的是设置有定位在装置的上部的第二垫片盘36，以将杆22保持为与支杆2基本平行。
图8示出了：稳定器尖端4和线8定位至在土壤9中制造出的孔7中的适当的深度。为了清楚起见，在附图中，在土壤9与线8之间存在空的间隔；土壤实际上占据全部空间并且与支杆2接触。当将装置插入孔7中时，所有的线保持为与土壤并且与支杆2的外部圆筒形表面均匀地接触，即使在装置相对于竖向线略微倾斜的情况下也是如此。
图4示出了装置1的具有指示器24和钩20的杆22的放大视图。弹簧32可简单地通过将弹簧32从杆22处取出而进行更换，其中杆22可以容易地插入垫片盘28的孔26中。图5示出了仪器1的上部，其中没有指示器24被激活，而是将全部的指示器24在头部25的孔23中缩回。
相反地，图6示出了激活并且即便被保护客体覆盖仍然可见的两个指示器24b，这是由于因为相应的线屈服，所以相应的线的不再由相应的断裂的线所保持的杆22被杆22的弹簧向上推出。一些指示器24a未被激活，这说明对应的线仍未断裂。
在指示器24周围可以存在未在附图中示出的、由适用于使用领域的塑性材料制成的透明保护条带，所述透明保护条带甚至可以是保护壳体的整体部分。指示器的上部保护部－－若存在的话－－已经在全部附图中省略掉。
上头部6设置有孔27，因此孔27用作被激活的指示器24的底座并且能够容置有电子电路，电子电路具有适于检测指示器24状态的微处理器、小型GPS接收器、WSN模块、在指示器被激活时进行测量的计时器、以及电源电池。
图7在装置的上部的侧视图中概括出测量系统的不同状态。线8a仍然是拉紧的，而线8b断裂。因此，与连接至断裂的线8b的杆22b相比，连接至未断裂的线8a的杆22a处于较低的位置。线8a导致对应的弹簧32a压缩，而线8b的断裂使得弹簧32b能够返回其未加载的构型，以将相应的杆22b向上推动。对应的指示器24b相对于未被激活的指示器24a轴向移位，并且发出线8b断裂的信号。
所述装置可用于远程检测选择的环境中。仪器的结构允许应用无线技术的可选的模块在上部插入，其中可选的模块配备了具有合适电容的电池，可选的模块用于将各个指示器的状态进行远程传送。WSN(无线传感器网络)网络的真实技术使得WSN能够创建在工业领域已经应用的互相连接的传感器网络，互相连接的传感器网络用于检测所述传感器的状态以及用于传送工艺参数，同时不需要提供特定的线路。
通过将该技术用于所涉及的装置，尤其是在较大及非常大的区域的情况下，能够获得被分析的土壤中的较大数量的点处的状态的远程检测，所述点的数量和相互距离取决于所使用的无线技术，并取决于所采用的用于涉及土壤肥力的合理的测量活动的标准。
本申请文件所述的可用的WSN技术之一为ZigBee技术，ZigBee技术包括最多超过65000个的术语单个网络的模块，并且在标准模型中，在野外，模块与装置之间具有大约70米的最大距离，并且在增强的模型中，该距离大约为200米。
此外，节点传感器与其它节点传感器之间的中继功能使得能够将测量距离增加至至从最远节点至接收站具有最多六个中继器。
目前，所述技术最适合于对所涉及的仪器的状态进行远程检测并且将该状态传输到中央节点，所述中央节点具有收集收据并管理网络的功能并且与普通的便携式PC相连接。
所述模块的特征在于具有较低数据传输率，但是具有较高的自给性(使用普通的斯蒂洛(stilo)电池大约用一年)，并且这使得所述模块是用于所涉及的环境－－在所涉及的环境中高数据流是不必要的并且所期望的现场性能限于几星期－－中的理想的解决方案。
WSN部件的减小的尺寸还确保了仪器－－例如本说明书的主题的仪器－－的降低的成本以及容易的组装。
实践中，与所采用的无线技术相独立地，存在于装置中的WSN模块除了在极短的时间被重新激活以确认在连接至便携式PC的中央主管节点处是否存在导入该中央主管节点的待处理数据之外，WSN模块在大多数时间需要具有微小的电流消耗的“待命”状态的性能，
在这种情况下，该模块执行硬件程序，以确认哪些指示器由于该指示器的位于地下的线的断裂而是自由的。
指示器的状态与装置的识别码(ID)一起通过无线电传输至主管节点，主管节点将上述的指示器的状态和装置的识别码(ID)传递至与主管节点连接的PC，以储存在简易文件中，如Excel文件或类似软件。
软件将导入的数据输入至Excel文件内的由ID标识的记录中，所述Excel文件已经包含有装置的在其通过GPS接收器而在现场定位时所检测到的地理位置，所述GPS接收器可以是独立的或结合在便携式PC中。
另外，每个装置的操作的开始日期和时间被自动输入于相同记录中，以在连续的状态之间进行比较。
以这种方式形成的简易数据库可用于通过特定研发的软件而进行持续分析，该简易数据库除了数值结果之外还能够提供微生物活性水平的图示，并且若必要的话，通过各种过程而提供土壤的成熟度和／或肥力的结果，以用于作出农事和管理决定。
提供的数据之一是能够将土壤的状态显示在合适的图上，其中通过在将装置放置在田地中之后的时间中将从装置接收到的导入数据进行整合和比较从而获得土壤的状态。
事实上，在已经计划将所发生的事件－－即每个装置启用的日期和时间以及每个装置的指示器激活的日期和时间－－作记录的情况下，能够获得关于被检查的土壤中的生物活性的总体状态的有用信息。
更具体地，能够简单地通过使用软件访问数据库而查明土壤的一部分是否比土壤的其他部分活性更大或是活性更小。
事实上，在数据库中足以实施以下算法：将在不同时刻发生的事件之间做出比较，以获得土壤中的最终活性率，该算法既合适地比较了装置的指示器激活的时间次序，并且又将不同装置中被激活的类似的指示器相关联。
可使用标准材料和加工循环－－即，通常在市场上可用并且普遍地用于工业－－而生产本发明的主题的装置。因此本装置的大量生产是可能的。
下文中列出了关于适当的材料和部件的应视为非限制性实施例的建议。
主体－－也就是支杆－－由塑性材料(PVC、聚乙烯或其它材料的管状元件(约700毫米长)构成，其确保了抵抗环境介质和UV辐射，并且在任何情况下适用于在田地中使用。主体可以制成为单件，包括尖端、圆筒形本体、用于线和杆的导向盘、上部部段以及把手。
各个导向盘用于将杆和线保持在适当的位置。导向盘可以是由PVC薄片获得的、穿孔并安装在主体上的不同的元件。如果独立地生产，则导向盘可以由塑性材料的圆形支杆获得，或者通过成型工艺而制造有全部必要的孔。应当考虑到以单个处理循环而生产已经成一体的的盘和主体的可能性。
将杆和弹簧的系统包围并进行保护的保护壳体的生产基本上需要对塑性材料的管进行切割。包括壳体由两部分构成：下部无光泽部分和上部透明部分，以允许检查指示器的状态。下部管滑动从而确保接触杆的下端并且将要放置在土壤中的线容易地联接。也可以将两个管制造成彼此连接或彼此完全独立。
考虑到杆的特定操作，为了制造杆，能够使用18／8不锈钢的普通自行车辐条，所述自行车辐条适用于对标准生产剖面进行简单修改的目的。这是在端部处已经具有特定的初始构型的机械零件，该机械零件是用于联接线的上部(孔眼)的理想的解决方案。为了正确使用仪器，仅必要的是在原始辐条的弯曲端进行略微对折。所述类型的处理可以通过重新设定自动生产设备的折叠参数来简单地实施。二次折叠用来确保施加在细丝上的牵引力仅沿着杆的纵向轴线而作用，从而使会导致细丝与导向盘之间的不期望的摩擦的任何径向力减小至最小。所述机械零件由许多国内和国外公司进行数百万件的大量生产，所述机械零件具有可以忽略的单价并因此采用该解决方案会避免了用于生产特定杆的成本。
最后，这些机械零件的相反端已经穿线，这确保了将着色的指示器容易地固定。
指示器位于杆的顶部并且由着色的塑性材料制成。通过向指示器提供插入指示器上底部中的小磁体，能够对容纳在仪器的上部中的如下所述的属于可选的检测电子电路的微触点或霍尔效应传感器进行操作。
待放置在土壤中的线设置有能够以快速方式并且不需要工具而插入仪器中的末端，这如在附图中可见。为此目的，由合适的塑性材料制成的球粒通过压铸而固定在一端，而相同材料的小圆筒部固定在另一端，其中小圆筒部产生了适合于与钢杆的下端联接的孔眼。球粒和圆筒部均是着色的，以允许对线的类型进行识别。球粒和圆筒部的生产可以由专门从事将用于服装工业的塑料物质－－如经常存在于新衣服中的标签、商标贴签、密封件等－－模制的公司来进行。
对于丝线或棉线，以下类型的标准纤维已经显示出是合适的：
·丝，TRE STELLE，art.2624，“seta bozzolo reale”，标号n.24；
·棉，TRE STELLE，高强度，标号n.16。
在将线定位之后，通过用螺旋垫圈锁定的不锈钢弹簧将杆保持拉紧。弹簧通常由通过标准模型或根据消费者的设计而系列化生产弹簧的专业公司来生产。螺旋垫圈通常可以使用标准尺寸，但是替代地，能够使用更具经济性的标准止挡环，标准止挡环具有较小的直径，以沿着不锈钢杆防止在适当的位置从而确保弹簧的正确压缩。
装置在顶部终止于圆筒形元件，所述圆筒形元件作为用于将装置推进至土壤中的把手。在具有电子装置的构型中，本装置可以容纳有电池、WSN模块的天线、GPS接收器－－如果有的话、计时器以及激活开关。
在仪器的位于把手正下方的上部设置有导向孔，与杆成整体的指示器柱体在指示器被激活之后插入于该导向孔中。然而，为了允许对线的状态进行视觉检查，这些孔的一部分保持为至少对于一定程度的距离而言是可见的。
然而，如果装置设置有检测器电子电路，则可以在生产阶段基于所述电路的实际整体尺寸而改变该装置的形状和尺寸。所述可选的电路应专用于通过读取微触点(例如，簧片触点或霍尔传感器)的开-关状态以对指示器的状态进行电子检测，所述可选的电路通过指示器所设置的磁体来操作，并且所述可选的电路布置在结构自身内部的合适位置中。
用于该仪器的电子组件除了对指示器的状态进行检测之外还提供了对识别编码(ID，通过软件工具而设定)和RTC(实时时钟)电路－－RTC(实时时钟)电路提供时间数据(天-小时-分钟)－－的数据的存储。
通过使用微处理器，所述电子系统能够在所述装置中实施其它有用的功能，例如通过低成本GPS模块而自主确定位置，或与LOC(芯片实验室)和传感器相连接以测量土壤／生物质的温度、湿度、产生的气体等。
特别地，作为微电子装置的升级产品并且可以以可接受的价格获得的LOC模块使得能够在原位直接对由存在于活性基质中的微生物产生的气态代谢物(H2、H2S、CO2、CH4、C2H4、NO、N2O、NH3、CH4等)进行化学分析，然后通过将所提供的数据与RTC模块的时间数据以及温度／湿度参数相结合，将该化学分析转换成遵照基质随着时间而演进的可能性。用于实施各种类型的分析的LOC模块已经能够在市场上得到。
设置在装置上的电子组件配备有WSN(无线传感器网络)模块，所述WSN模块旨在维持与接收站(WSN监督者／协调者)－－接收站与PC相连接－－的无线远程通讯。
对于从仪器／传感器接收到的数据所进行的远程收集需要使用应用软件而进行处理，所述应用软件应将存在于田地中的装置的整个网络初始化，并周期性检查装置的状态，以用于进行对最终提交来说必要的适当数据处理，其中最终提交的意思是将如让或被分析的其它物质中的微生物动态图示在显示器上。必须将这种图示实施成向使用者提供由传感器检测到的状态的精确且合理的视图，而无论使用者使专家还是农民。通过使用该装置的更先进的版本，能够向土地提供这样的一类神经系统：这类神经系统能够持续地监测微生物动态、提供新的知识，新的知识能够在作出最合适的农事和管理决定时提供支持。
涉及10个葡萄园的测试清楚地示出：即便是对于葡萄生产，本发明所建议的方法仍然能够应用于对土壤的微生物活性水平进行评估并且因此对土壤的肥力进行评估。下表总结了线的生物降解参数与有机物质、C／N比以及收获的葡萄的百公斤产量之间的关联数据。
0至30厘米处的有机物质的含量与检验丝质线的降解相关，而30至60厘米处的含量与经氮处理的棉和检验丝二者的降解存在显著的相关性。并且在0至30厘米处的C／N比与检验丝质线的降解相关，而在30至60厘米处的C／N比与经氮处理的棉和检验丝二者的降解存在显著的相关性。已经显示出，产量与检验测试中的棉和丝的降解相关，并且与经氮处理的棉相关。已经发现在30至60厘米处的C／N比与检验测试中的丝的降解之间存在较高的相关系数。
图表.微生物活性(细丝的降解％)、有机物质、C／N比与产量之间的相关性。(*：p＜0.05；**：p＜0.01；ns：不显著)
Figure BDA0000465830680000201
该分析清楚地示出丝和棉的降解能够成为土壤的微生物活性和肥力的有用指示的程度。
在应用时，作为本发明的主题的用于对基质的微生物活性水平进行评估的方法、装置和套件能够进行进一步的修改，并且能够获得未在本文描述的变型实施方式。所述变化或变型必须全部视为受到本专利保护，只要这些变化或变型落入下述权利要求的范围内即可。
在任何权利要求中提到的技术特征附随有附图标记的情况下，包含有那些附图标记的唯一目的是增加权利要求可理解性，因此这些附图标记对由这些附图标记通过示例的方式而确认的每个元件的保护不具有限制作用。

Claims (14)

1.一种用于对基质(9)的微生物活性水平进行评估的方法，所述基质(9)优选为土壤，所述方法包括以下步骤：
a)准备一条或更多条可生物降解的线(8)；
b)将所述一条或更多条可生物降解的线(8)以预先限定的张力拉紧；
c)将所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线(8)至少部分地引入所述基质(9)中；
d)使所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线(8)保留在所述基质(9)中；以及
e)测量从将所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线(8)引入所述基质(9)中开始到所述一条或更多条拉紧的可生物降解的线(8)断裂为止所经过的时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一条或更多条可生物降解的线中的至少两条线由不同的材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述一条或更多条可生物降解的线(8)的来源为蛋白质或植物，优选为棉或丝。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述一条或更多条可生物降解的线(8)中的至少一条，存在至少另一条由相同材料制成的提供有至少一种肥料物质的可生物降解的线(8)，并且所述方法的特征在于包括以下步骤：通过对这两种线(8)的断裂时间进行比较来确定该肥料物质在所述基质(9)中的缺少或过量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述肥料物质选自由以下矿物质源构成的组：氮、磷、钾、钙、镁、硫以及其它中量和微量元素。
6.一种用于对基质(9)的微生物活性水平进行评估的装置(1)，所述装置(1)包括一条或更多条可生物降解的线(8)，并且对于每条可生物降解的线，所述装置(1)包括适于将所述可生物降解的线(8)的一端固定的第一固定元件(12)和适于将所述可生物降解的线(8)的另一端固定的第二固定元件(20)，在所述第一固定元件(12)与所述第二固定元件(20)之间，每条可生物降解的线(8)能够以预先限定的张力而独立地绷紧。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其特征在于，所述装置是用于土壤的测量装置。
8.根据权利要求6或7所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)还包括一个或更多个拉紧元件(32)，所述一个或更多个拉紧元件(32)适于向所述一条或更多条可生物降解的线(8)施加给定的牵引力，以获得所述线(8)的所述预先限定的张力。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置(1)，其特征在于，对于每条可生物降解的线(8)，所述装置(1)还包括适于发出所述线(8)断裂的信号的指示器(24)。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置(1)，其特征在于，对于至少一条可生物降解的线(8)，存在至少另一条由相同材料制成的提供有至少一种肥料物质的可生物降解的线(8)，并且／或者其特征在于，存在至少两条由不同材料制成的可生物降解的线。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述第二固定元件(20)能够相对于所述第一固定元件(12)运动，并且其特征在于，所述拉紧元件为弹簧(32)，所述弹簧(32)向所述第二固定元件(20)施加所述牵引力，使得在两个固定元件(12、20)之间绷紧的可生物降解的线(8)向所述弹簧(32)加载，在所述线(8)断裂的情况下，所述弹簧(32)使所述第二固定元件(20)运动远离所述第一固定元件(12)，以返回至所述第二固定元件(20)的未加载的位置。
12.根据权利要求9和11所述的装置(1)，其特征在于，所述指示器(24)与所述第二固定元件(20)成一体，并且因此所述指示器(24)能够与所述第二固定元件(20)一起运动，并且因此所述指示器(24)适于通过所述指示器(24)的位置而发出所述线(8)的任何断裂的信号。
13.根据权利要求12所述的装置(1)，其特征在于，所述装置的基础结构是支杆(2)，对于每条可生物降解的线(8)，所述支杆(2)在其下部设置有所述第一固定元件(12)，并且所述支杆(2)设置有与所述第一固定元件(12)轴向间隔开的分隔元件(28)，所述分隔元件(28)容置有用于每条线的轴向运动形式的杆(22)，所述杆(22)的位于所述分隔元件(14)一侧的面向所述第一固定元件(12)的第一端部设置有所述第二固定元件(20)，并且沿着所述杆(22)的长度在所述分隔元件(28)的另一侧存在与所述杆(22)成一体的垫片(30)，并且其中所述弹簧(32)同轴地插入所述杆(22)中且环绕在所述垫片(30)与所述分隔元件(28)之间，使得所述线(8)在所述第一固定元件(12)与所述第二固定元件(20)之间的固定意味着将所述线(8)拉紧并且将所述弹簧(32)在所述垫片(30)与所述分隔元件(28)之间进行压缩，并且在所述线(8)断裂的情况下，所述弹簧(32)张开，从而使所述杆(22)运动，所述杆(22)的第二端是所述指示器(24)，所述指示器(24)通过与所述杆一起运动而利用所述指示器(24)的新位置发出所述线(8)断裂的信号。
14.一种套件，所述套件包括一条或更多条可生物降解的线(8)，以及：
a)用包含至少一种矿物质源的矿物盐溶液进行预处理的可生物降解的线，所述矿物质源在氮、磷、钾、钙、镁、硫、其它中量和微量元素的来源之中进行选择；和／或
b)包含至少一种矿物质源的矿物盐溶液，所述矿物质源在氮、磷、钾、钙、镁、硫、其它中量和微量元素的来源之中进行选择，其中所述线的端部设置有固定装置，所述固定装置特别是球粒、孔眼、钩，并且所述线的所述端部可选地设置有区别标记。
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CN116754021A (zh) * 2023-08-22 2023-09-15 四川省生态环境科学研究院 一种用于环境保护的土壤质量检测方法及系统
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