CN104407109A

CN104407109A - 土壤氨挥发原位监测装置及测定方法

Info

Publication number: CN104407109A
Application number: CN201410761050.1A
Authority: CN
Inventors: 谢迎新; 张淑利; 袁超; 靳海洋; 白雪莹; 刘园; 王晨阳
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: CN104407109B

Abstract

本发明具体涉及一种土壤氨挥发原位监测装置及测定方法。所述装置包括筒体、顶盖和底盘，所述顶盖设置在筒体顶部，所述底盘设置在筒体下部的外壁上；所述筒体两端敞开，其上部设有邻接的两层海绵，所述海绵外缘与所述筒体内壁匹配；所述底盘上部的筒体上均布有3～5个下通气孔，所述筒体的顶部边缘还均布有2～4个上通气孔。所述测定方法利用所述装置进行，包括海绵浸液、取样、矫正试验、氨的测定、计算等步骤，既适用于小区试验和多因素对比研究，又反映田间实际。

Description

土壤氨挥发原位监测装置及测定方法

技术领域

本发明属于土壤氨挥发监测技术领域,具体涉及一种土壤氨挥发原位监测装置及测定方法。

背景技术

目前，增加氮（N）肥投入是发展农业生产的主要途径之一，但是氮肥施入土壤后，大部分会通过各种途径损失于环境之中，其中氨（NH₃）挥发是氮肥气态损失的重要途径。据估算，全球每年施用的化学氮肥和有机氮肥分别为N 7800万吨和N 3300万吨左右，氨挥发损失分别占其施用量的14%和23%左右。同时，随着人们对粮食需求的增加，氮肥施用量也越来越高。另外，过量施氮再加上不合理的施用方法、干旱的气候和土壤pH较高等导致旱地的氨挥发更为严重。而大气中氨气浓度升高又将导致沉降至地表的活性氮增多，从而引发诸如森林或水生生态系统的酸化、富营养化及物种多样性降低等一系列环境问题。

由于农业生产过程中排放的氨气量十分巨大，因此关于农田氨挥发的研究一直是农田生态系统氮循环的一项重要内容。为了正确评价氨挥发的影响，定量分析农田土壤氨挥发通量成为必然，由此也发展出了多种测定方法。但是由于影响氨挥发的因素众多，采用不同的测定方法对测定结果会有很大的影响。

截至目前，国内外测定土壤氨挥发的方法总体可分为间接法和直接法两大类。间接法主要指土壤平衡法，该方法兴起于20世纪70年代，通过施肥量与植物吸收量、土壤残留量和淋失量的差值来估算氨的挥发量，但由于该方法测定项目繁多，不考虑反硝化损失，且任何一项检测项目均有存在试验误差的可能，势必影响最终氨挥发估算结果，因此，该方法具有试验繁琐，花费人力、物力、财力较多，以及误差较大等缺陷。直接法主要有密闭室法、微气象法，还有在欧洲一些国家流行的风洞法，以及近年来在一些发达地区应用的比较先进的可调谐二极管激光吸收光谱法。微气象法、风洞法以及可调谐二极管激光吸收光谱法均可直接从试区上方的空气中采样测定，准确性高，然而要求较大的试区面积。微气象法的试区面积不能小于1公顷（hm²），且周围田块不能施用化肥；风洞法和可调谐二极管激光吸收光谱法虽然要求的面积可在1公顷以下，但亦不能很小。因此，这三种方法多适用于大型生态区域的气体动态研究。对于多因素对比的野外田间小区试验，由于从不同小区挥发的氨气在试区上部来回流动，微气象法难以区分其来源。另外，微气象法、风洞法以及可调谐二极管激光吸收光谱法还要求高精密度和灵敏度的仪器测定风速、温度及大气中的氨浓度变化，这些试验仪器昂贵致使研究费用较大。因此，以上三种方法不适宜于多因素田间小区对比试验和研究经费欠缺且没有电源的野外农田观测研究。

20世纪70年代末，DenLmead(1979)提出了至今依然在小区试验中广泛应用的密闭室法。密闭室法的原理是将供试的土壤肥料和作物等放在一密闭容器中，用酸或碱性物质吸收该系统的氨，然后进行定量测定。密闭室法装置比较简单，条件易于控制，可以估测某一点土壤—氨的物质交换，适合于小区试验和多因素对比研究，但密闭状态下的氨挥发过程完全不同于自然状态，氨浓度梯度气压梯度湍流脉动和气体流动与自然条件下不同，因此，其研究结果基本上是定性的。

综上所述，由于测定技术水平限制，当前土壤氨挥发的研究长期以盆栽试验、室内模拟及密闭容器为主，所得结果难以反映田间实际。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种既适用于小区试验和多因素对比研究，又能反映田间实际的土壤氨挥发原位监测装置及其测定方法。

为完成以上发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

设计一种土壤氨挥发原位监测装置，包括筒体、顶盖和底盘，所述顶盖设置在筒体顶部，所述底盘设置在筒体下部的外壁上；所述筒体两端敞开，其上部设有邻接的两层海绵，所述海绵外缘与所述筒体内壁匹配；所述底盘上部的筒体上均布有3～5个下通气孔，所述筒体的顶部边缘还均布有2～4个上通气孔。

本发明将两层海绵邻接设置，只需要在下部设一层支撑篦，且在换下层海绵时操作方便，田间更换时间短，误差小；上层海绵主要作用是阻挡外界的氨气和沉降的其它灰尘对下层海绵的影响。

优选的，所述筒体、顶盖和底盘均为聚氯乙烯材质。

优选的，所述筒体为上下等径的圆柱筒体，所述底盘为圆环状，环围在筒体下部四分之一高度处的外壁上，而形成一定宽度的外沿。

优选的，所述海绵下层设置在下通气孔之上，所述海绵上层设置在上通气孔之下。

优选的，所述下层海绵通过支撑篦活动设置在筒体内，所述上层海绵叠放在下层海绵之上，所述支撑篦由无挥发性和腐蚀性的硬质材料制成，如不锈钢、硬质塑料等。

优选的，所述下通气孔与上通气孔的总面积比为1：5～6。

本发明还设计一种土壤氨挥发的测定方法，包括以下步骤：

（1）海绵浸液：将所述土壤氨挥发原位监测装置中的两层海绵浸满磷酸甘油溶液，以海绵吸收饱和且不滴液为准；所述磷酸甘油溶液由以下体积百分比的原料组成：磷酸10%、丙三醇4%、蒸馏水86%；

（2）取样：将所述土壤氨挥发原位监测装置放置在选定小区，底盘以下的筒体入土，每隔一定时间进行下层海绵更换，将下层海绵取出，迅速装入袋子中密封，同时换上另一块浸满所述磷酸甘油溶液的海绵继续进行取样；

（3）矫正试验：取样开始的同时，在选定小区露天放置两组盛有25mL碳酸氢铵溶液的蒸发皿，其中一组罩以浸好液的所述土壤氨挥发原位监测装置；取样结束的同时，在每个蒸发皿中加入5mL的硫酸溶液（用于终止碳酸氢铵溶液中氨的挥发），再将蒸发皿中溶液分别全部洗入容器，加蒸馏水定容至100mL，混合均匀，然后分别检测溶液中铵的浓度，计算溶液中铵的含量，进而分别得出两组蒸发皿中铵态氮的损失率；蒸发皿中铵态氮损失率=（试验开始前铵态氮含量-试验结束时铵态氮含量）/试验开始前铵态氮含量；

（4）氨的测定：把步骤（2）中换下的下层海绵置入盛有足量氯化钾溶液的容器中振荡提取1 h后，采用靛酚蓝比色法测定提取液中的铵态氮含量；

（5）土壤氨挥发量的计算：

① 氨挥发速率AVR=C×[M /(A×D)]×10^-2，C=LR_无/ LR_有

其中，AVR为氨挥发速率(NH₃-N, kg/(hm²·d))；C为校正系数；M为步骤（4）所测得的铵态氮量(NH₃-N, mg)；A为土壤氨挥发原位监测装置入土处的截面积（若筒体等径，即为筒体截面积），m²；D为每次连续取样的时间，d（天）；LR_无为露天蒸发皿中铵态氮的损失率；LR_有为罩以所述土壤氨挥发原位监测装置的蒸发皿中铵态氮的损失率；进而得到

土壤氨挥发累积量=∑AVR= AVR×D，单位kg/hm²。

优选的，步骤(2)所述下层海绵更换间隔为:取样开始前7天间隔24h，7天后间隔48～72h。

优选的，步骤(2)还包括上层海绵更换，更换间隔为 3～7天，将上层海绵取出，同时换上另一块浸满所述磷酸甘油溶液的海绵继续进行取样。

优选的，所述碳酸氢铵溶液浓度为0.01mol/L，所述硫酸溶液体积浓度为10%，所述氯化钾溶液浓度为1mol/L。

本发明的积极有益效果：

1.本发明土壤氨挥发原位监测装置在农田实际操作中更具有实际应用价值，其顶部设计有防雨水、防风吹、防日晒的顶盖，不仅能够减免降水对装置中浸液海绵的影响，还能防止日光暴晒，较少液体损耗，更能阻挡大风天气引起的灰尘扬沙对装置中浸过磷酸甘油海绵的影响。

2.本发明土壤氨挥发原位监测装置所用材料均为市场常见，价格便宜，并且本发明在野外无需电源，具有更广的适用范围。

3.本发明还在筒体外周设计了能形成一定宽度外沿的底盘，保证了装置的稳定和入土深度一致，因此，本发明更适应于各种天气环境，具有更广的实际应用价值。

4.本发明土壤氨挥发原位测定方法在农田实际操作中测定误差较小，更接近实际值，并能够适用于农田小区试验和多因素对比试验研究，具有较好的试验推广应用价值。

附图说明

图1 本发明土壤氨挥发原位监测装置的结构示意图；

图2 本发明土壤氨挥发原位监测装置的剖视图；

图中 1为筒体，2为顶盖，3为底盘，4为下层海绵，5为上层海绵，6为下通气孔，7为上通气孔，8为支撑篦。

图3 不同施氮水平的土壤氨挥发速率动态变化。

图4 不同施氮水平土壤氨挥发累积变化。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

一种土壤氨挥发原位监测装置，见图1、2，包括筒体1、顶盖2和底盘3，所述顶盖2（直径18cm）设置在筒体1顶部，所述底盘3设置在筒体1下部的外壁上（距筒体1底部5cm）；所述筒体1为两端敞开的等径圆柱筒体（内径15.5cm、外径16cm、高20cm），其上部设有两层海绵（厚1.5cm、直径15.5cm），所述海绵外缘与所述筒体1内壁匹配；所述底盘3上部的筒体1上均布有4个下通气孔6（圆孔，直径1cm，距筒体1底部6cm），所述筒体1的顶部边缘还均布有3个上通气孔7（每个高0.5cm、长12cm，呈带状）。所述底盘3为圆环状，环围在筒体1下部四分之一高度处的外壁上，使形成一定宽度外沿（宽3cm）。

所述筒体1、顶盖2和底盘3均为建材市场上常见的聚氯乙烯材质，材料成本较低。下层海绵4设置在下通气孔6之上；上层海绵5设置在上通气孔7之下。所述下层海绵4通过支撑篦8（距筒体1底部12cm）活动设置在筒体1内，上层海绵5叠放在下层海绵4之上，所述支撑篦由不锈钢丝制成。所述下通气孔6与上通气孔7的总截面积比为1：5.5。

实施例二

一种土壤氨挥发原位监测装置，包括筒体、顶盖和底盘，所述顶盖设置在筒体顶部，所述底盘设置在筒体下部的外壁上；所述筒体两端敞开的长方筒体，其上部设有两层海绵，所述海绵外缘与所述筒体内壁匹配；所述底盘上部的筒体上均布有4个下通气孔，所述筒体的顶部边缘还均布有3个上通气孔。所述底盘为方环状，环围在筒体下部四分之一高度处的外壁上，使形成一定宽度外沿。

所述筒体、顶盖和底盘均为建材市场上常见的聚氯乙烯材质，材料成本较低。所述海绵下层设置在下通气孔之上，所述海绵上层设置在上通气孔之下。所述下层海绵通过支撑篦活动设置在筒体内，所述上层海绵叠放在下层海绵之上，所述支撑篦由硬质塑料制成。所述下通气孔与上通气孔的总截面积比为1：5。

实施例三

一种土壤氨挥发的测定方法，包括以下步骤：

（1）海绵浸液：将实施例一所述土壤氨挥发原位监测装置中的两层海绵浸满磷酸甘油溶液，分别浸入20mL，海绵吸收饱和且不滴液；所述磷酸甘油溶液由以下体积百分比的原料组成：磷酸10%、丙三醇4%、蒸馏水86%；

（2）取样：将所述土壤氨挥发原位监测装置放置在选定小区，底盘以下的筒体入土，每隔一定时间进行下层海绵更换，将下层海绵取出，迅速装入袋子中密封，同时换上另一块浸入20mL所述磷酸甘油溶液的海绵继续进行取样；所述下层海绵更换间隔为:取样开始前7天间隔24h，7天后间隔72h；本步骤还包括上层海绵更换，更换间隔为5天，将上层海绵取出，同时换上另一块浸入20mL所述磷酸甘油溶液的海绵继续进行取样；

（3）矫正试验：取样开始的同时，在选定小区露天放置两组（每组重复3次）盛有25mL浓度为0.01mol/L的NH₄HCO₃溶液的蒸发皿，其中一组罩以浸好液的所述土壤氨挥发原位监测装置；取样结束的同时，在每个蒸发皿中加入5mL体积浓度为10%的硫酸溶液（用于终止NH₄HCO₃溶液中氨的挥发），再将蒸发皿中溶液分别全部洗入容器，加蒸馏水定容至100mL，混合均匀，然后分别检测溶液中铵的浓度，计算溶液中铵的含量，进而分别得出两组蒸发皿中铵态氮的损失率（3次重复取平均数）；蒸发皿中铵态氮损失率=（试验开始前铵态氮含量-试验结束时铵态氮含量）/试验开始前铵态氮含量；

（4）氨的测定：把步骤（2）中换下的下层海绵置入盛有500mL的1mol/L氯化钾溶液的容器中振荡提取1h后，采用靛酚蓝比色法测定提取液中的铵态氮含量；

（5）土壤氨挥发量的计算：

① 氨挥发速率AVR=C×[M /(A×D)]×10^-2，C=LR_无/ LR_有

其中，AVR为氨挥发速率(NH₃-N, kg/(hm²·d))；C为校正系数；M为步骤（4）所测得的铵态氮量(NH₃-N, mg)；A为土壤氨挥发原位监测装置入土处的截面积（即为筒体截面积），m²；D为每次连续取样的时间，d（天）；LR_无为露天蒸发皿中铵态氮的损失率；LR_有为罩以所述土壤氨挥发原位监测装置的蒸发皿中铵态氮的损失率；进而得到

土壤氨挥发累积量=∑AVR= AVR×D，单位kg/hm²。

效果试验一：

为了客观评定两种包膜尿素(有机膜和无机膜)在华北平原地区小麦-玉米轮作中的环境效应及区分两种农田土壤氨挥发密闭室通气法（本发明实施例三方法、传统流动通气硼酸液原位吸收法）之间的差异和优越性，在小麦生长季设置3种氮肥（树脂膜尿素、硫膜+树脂膜尿素、普通尿素），5个施N水平（0、120、160、200、240kgN/hm²）。试验随机区组设计，3次重复，小区面积为4×4=16 m²，为了预防试验小区之间串肥串水，本试验小区每边用深0.7m的水泥预制板与另一小区分隔，四角水泥密封。施肥后农田土壤氨挥发采用本发明实施例三方法和传统采用的流动通气硼酸液原位吸收法同时观测，以作比较，施肥后持续监测氨挥发状况，直到各施肥小区与不施肥小区氨挥发量相当为止。试验结果见表1。

表1 两种密闭室通气法测定土壤氨挥发累积量对比（kgN/hm ² ）

。

试验结果表明，在一定施氮范围内，无论采取何种氨挥发测定方法，农田土壤氨挥发损失量均随施氮量增加而增加，在相同施氮量情况下，普通尿素处理氨挥发损失量高于两种包膜控释尿素处理。需要说明的是，本试验小麦季农田氨挥发测定结果较前人研究结果偏低，主要原因在于本试验氮肥施用采用开沟深施方式进行，而前人研究中多采用氮肥表面撒施方式进行。

通过对两种氨挥发测定方法比较发现，采用本发明实施例三方法测定的氨挥发损失量较传统流动通气硼酸滴定法结果偏高，并且在相同施氮水平下重复之间的标准误差也较流动通气硼酸滴定法小，表明采用本发明测定方法测定的农田土壤氨挥发损失量测定误差较小，也更接近田间实际值。

效果试验二：

为了比较两种原位通气磷酸甘油海绵吸附法在测定土壤氨挥发方面与实际氨挥发的差别，采用本发明实施例一装置和现有无通气孔装置进行试验。试验首先将0.01mol/L NH₄HCO₃ 25mL分别注入9个蒸发皿中，3个露天放置，3个用现有无通气孔装置罩盖，3个用本发明实施例一装置罩盖，待24h后用5mL体积浓度为10%的H₂SO₄终止9个蒸发皿中碳酸氢铵氨的挥发，并将蒸发皿中溶液全部洗入小瓶，加蒸馏水定容至100mL，然后采用靛酚蓝比色法检测溶液中铵的浓度，计算铵态氮损失量。将以上试验在三个小区同时进行，试验结果见表2。

表2 两种原位通气磷酸甘油海绵吸附法测定铵态氮损失率对比

试验结果表明，采用两种原位通气磷酸甘油海绵吸附法（实施例一和无通气孔装置）均可用来测定氨挥发损失，但采用本发明实施例一的有通气孔的装置监测的铵态氮挥发损失率较现有无通气孔装置更接近实际情况，因此，本发明实施例一装置及测定方法在农田实际操作中更具有实际应用价值。

效果试验三：

为了验证本发明装置及测定方法（实施例3）对土壤氨挥发监测结果的应用情况，在壤质潮土上设置了不同施氮量（0、80、160、240、320kgN/hm²）对氨挥发速率及累积量动态变化的影响，结果见图3、图4。

由图2、图3可以看出，采用本发明提供的装置及测定方法（实施例3）监测的土壤氨挥发结果能够很好地反映出不同氮肥施用量氨挥发速率及累积量动态变化，甚至还较采用其他氨挥发监测方法的以往文献报道结果规律性更加明显。在氮肥施用后氨挥发速率呈现先升高后降低最后数值保持一致的趋势；氨挥发累积量则呈现随着时间的推移逐渐增加的趋势，且氮肥用量越高累积量越大。由此可见，采用本发明提供的原位通气磷酸甘油海绵吸附装置及测定方法能够适用于农田小区试验和多因素对比试验研究，具有较好的试验推广应用价值。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims

1.一种土壤氨挥发原位监测装置，其特征在于：包括筒体、顶盖和底盘，所述顶盖设置在筒体顶部，所述底盘设置在筒体下部的外壁上；所述筒体两端敞开，其上部设有邻接的两层海绵，所述海绵外缘与所述筒体内壁匹配；所述底盘上部的筒体上均布有3～5个下通气孔，所述筒体的顶部边缘还均布有2～4个上通气孔。

2.根据权利要求1所述的土壤氨挥发原位监测装置，其特征在于：所述筒体、顶盖和底盘均为聚氯乙烯材质。

3.根据权利要求1所述的土壤氨挥发原位监测装置，其特征在于：所述筒体为上下等径的圆柱筒体，所述底盘为圆环状，环围在筒体下部四分之一高度处的外壁上，而形成一定宽度的外沿。

4.根据权利要求1所述的土壤氨挥发原位监测装置，其特征在于：所述海绵下层设置在下通气孔之上，所述海绵上层设置在上通气孔之下。

5.根据权利要求1所述的土壤氨挥发原位监测装置，其特征在于：所述下层海绵通过支撑篦活动设置在筒体内，所述上层海绵叠放在下层海绵之上，所述支撑篦由无挥发性和腐蚀性的硬质材料制成。

6.根据权利要求1所述的土壤氨挥发原位监测装置，其特征在于：所述下通气孔与上通气孔的总截面积比为1：5～6。

7.一种土壤氨挥发的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）海绵浸液：将权利要求1所述土壤氨挥发原位监测装置中的两层海绵浸满磷酸甘油溶液，以海绵吸收饱和且不滴液为准；所述磷酸甘油溶液由以下体积百分比的原料组成：磷酸10%、丙三醇4%、蒸馏水86%；

（3）矫正试验：取样开始的同时，在选定小区露天放置两组盛有25mL碳酸氢铵溶液的蒸发皿，其中一组罩以浸好液的所述土壤氨挥发原位监测装置；取样结束的同时，在每个蒸发皿中加入5mL的硫酸溶液，再将蒸发皿中溶液分别全部洗入容器，加蒸馏水定容至100mL，混合均匀，然后分别检测溶液中铵的浓度，计算溶液中铵的含量，进而分别得出两组蒸发皿中铵态氮的损失率；蒸发皿中铵态氮损失率=（试验开始前铵态氮含量-试验结束时铵态氮含量）/试验开始前铵态氮含量；

（5）土壤氨挥发量的计算：

① 氨挥发速率AVR=C×[M /(A×D)]×10^-2，C=LR_无/ LR_有

其中，AVR为氨挥发速率，kg/(hm²·d)；C为校正系数；M为步骤（4）所测得的铵态氮量，mg；A为土壤氨挥发原位监测装置入土处的截面积，m²；D为每次连续取样的时间，d；LR_无为露天蒸发皿中铵态氮的损失率；LR_有为罩以所述土壤氨挥发原位监测装置的蒸发皿中铵态氮的损失率；进而得到

土壤氨挥发累积量=∑AVR= AVR×D，单位kg/hm²。

8.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于：步骤(2)所述下层海绵更换间隔为:取样开始前7天间隔24h，7天后间隔48～72h。

9.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于：步骤(2)还包括上层海绵更换，更换间隔为 3～7天，将上层海绵取出，同时换上另一块浸满所述磷酸甘油溶液的海绵继续进行取样。

10.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于：所述碳酸氢铵溶液浓度为0.01mol/L，所述硫酸溶液体积浓度为10%，所述氯化钾溶液浓度为1mol/L。