CN111678741A - 基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，包括：样品收集模块，用于进行干沉降和湿沉降同步分离收集，得到收集液；样品前处理模块，用于对所述收集液进行预处理，以得到待测样品；进样控制与在线分析模块，用于对待测样品进样控制与各组分氮浓度测定；数据分析模块，用于根据样品参数得到氮沉降通量，所述样品参数包括样品体积、各组分氮浓度与样品收集模块的面积。本发明根据模块化和层次化的设计原则，完成了大气氮沉降在线监测与分析系统的各个模块总体设计方案，集成了纯水制备系统、超声波发生器、气象观测和数据采集与传输等装置，实现了无人值守的大气氮沉降在线监测的成套智能化系统。
Description
技术领域
本发明涉及大气氮沉降分析领域，具体涉及一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统。
背景技术
大气氮沉降是氮素循环的重要组成，近年来在自然和人为的双重影响下已发生了较为深刻的变化。20世纪中叶以来，随着化石燃料高速消耗、化学氮肥使用量大幅增长，以及畜牧业迅猛发展等，人类活动诱导的活性氮排放激增，而大气氮沉降与活性氮排放线性相关。随着人类活动强度的持续增大，活性氮排放必将大幅升高，而大气氮沉降也相应增加。
大气氮沉降的增加，对不同生态系统的物质循环及其结构、功能等方面都有重大影响(Galloway et al.,2008；Canfieldet al.,2010)。因此，定量研究大气氮沉降对揭示其对生态系统氮循环的贡献具有十分重要的意义。大气氮沉降定量化研究是开展生态环境响应评估和制定应对措施的前提，有关大气氮沉降的测定方法和联网监测近年来受到广泛关注。早在19世纪50年代英国洛桑试验站就开始了对大气氮沉降的收集和监测工作，但主要收集通过降水产生的湿沉降(Liu et al.,2011)。而干沉降的监测相对于湿沉降具有很高的难度和挑战性，其研究起步可以追溯到20世纪60年代，而20世纪80年代欧共体NITREX项目和美国大气沉降研究网络计划实施才标志着大气干沉降系统化、网络化研究的开始(Wesely andHicks,2000)。目前，大气氮沉降的研究方法通常有直接和间接两种。直接法采用野外观测，其中干沉降可采用涡漩相关法、浓度梯度法、下垫面替代法和Bowen比法进行测定，湿沉降可以采用雨量器法和通降法等，通过收集雨水并测定其含氮化合物浓度而获得(Xie et al.,2008；He et al.,2011)。间接法采用数值模型实现对干沉降速率、湿沉降速率和气态物、气溶胶、雨水中离子浓度的模拟，定量估算干沉降量(Wesely andHicks,2000；Shenet al.,2011)。同时，随着自动化技术的广泛应用，一些干沉降自动收集仪也开始应用于大气氮素沉降的研究中。基于15N同位素稀释技术的ITNI(Interal TotalNitrogen Input)盆栽系统，也可以直接测定大气氮沉降的总量(Weigel et al.,2000)。然而，采用不同的监测方法获取的结果往往相差较大，大气氮沉降原位监测对于无人值守、系统稳定与智能化分析等需求越发强烈(Huang et al.,2017)。对于目前的主流监测方法，当降水较少(低于2mm)，或风夹细雨时，湿沉降样品可能会受风干作用的影响，造成氮组分挥发带来样品损耗；而当特大暴雨发生时(高于200mm)，样品可能从样品收集模块中溢出，造成采样误差；而采用主动采集器难以实时模拟实际风场状况，同时由于风场与大气含氮物质扩散呈非线性变化，分段采样无法获取全时间序列的连续数据，对大气氮沉降估算带来不确定性；而且目前常用的收集模块只能将氮沉降分为干颗粒态、降水结合态与气态分别收集，由于样品采集方式的差异往往带来较大的系统误差，而且难以实现同步监测；样品采集和存储过程均可能由于微生物活动等带来氮素形态转化；目前尚无统一的样品前处理与分析检测方法，且不同的前处理方式和检测手段，大气氮沉降结果差别往往较大。近年来，无人值守在线监测技术在生态环境研究领域深度拓展应用，大气氮沉降在线监测也势在必行。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，以解决现有技术中的缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，包括：
样品收集模块，用于进行干沉降和湿沉降同步分离收集，得到收集液，所述收集液包括湿沉降收集液和干沉降收集液；
样品前处理模块，用于对所述收集液进行预处理，以得到待测样品；
进样控制与在线分析模块，用于对待测样品进样控制与各组分氮浓度测定；
数据分析模块，用于根据样品参数得到氮沉降通量，所述样品参数包括样品体积、各组分氮浓度与样品收集模块的面积。
可选地，所述氮沉降通量包括：总湿沉降、干沉降通量，总无机氮沉降、可溶性有机氮沉降通量。
可选地，还包括：数据采集模块，用于采集降水量、气温、风向风速、相对空气湿度、湿沉降收集液体积、干沉降收集液体积、总氮浓度、可溶性有机氮浓度、无机氮浓度。
可选地，所述样品收集模块包括：
干沉降桶，底部设置有电子开关模块，用于进行干沉降收集，得到干沉降收集液；
湿沉降桶，底部设置有电子开关模块，用于进行湿沉降收集，得到湿沉降收集液；
模式切换单元，用于根据样品收集模块所处的环境条件启用所述干沉降桶或湿沉降桶；
沉降桶盖，根据模式切换单元的切换指令覆盖所述干沉降桶或所述湿沉降桶。
可选地，所述模式切换单元包括：
雨量传感器，用于检测是否下雨及雨量大小；
传动支架，用于根据雨量传感器的检测结果驱动所述沉降桶盖。
可选地，所述样品前处理模块包括：
超声振荡单元，用于对所述收集液进行破碎、搅拌和混匀；
抽滤单元，用于对搅拌后的收集液进行过滤，得到待测样品。
可选地，所述样品前处理模块还包括：缓冲池，用于存放所述待测样品。
可选地，在存放样品之前，先对所述缓冲池进行至少三次润洗。
可选地，还包括废液收集模块，用于对润洗和分析产生的废液进行收集。
可选地，在进行干沉降或湿沉降收集前，需向所述干沉降桶和湿沉降桶中加入纯水。
如上所述，本发明的一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，具有以下有益效果：
1)本发明采用下垫面替代法区分式收集大气氮沉降，可以通过稀释收集的方式大幅消减因降水较少而受风干作用影响造成的样品损耗，同时在干沉降收集中可以被动式收集下垫面与大气界面的可溶性气态氮。
2)采用区分式干湿沉降连续监测、定期收集的方式确保全时间序列样品收集，避免分段式集中采样给大气氮沉降估算带来的不确定性。
3)不同形态氮沉降(包括颗粒态、水溶态和气态等)同步收集，再根据研究目的采用相应的技术手段进行分离的途径，减少非同步性监测带来的重复性误差。
4)本系统采用原位收集、自动进样和在线分析，减少了因样品存储与运输过程中的氮素形态转化和损失，进而提高监测准确性。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，包括样品收集模块、样品前处理模块、进样控制与在线分析模块、分析模块。
样品收集模块，用于进行干沉降和湿沉降同步分离收集，得到收集液，所述收集液包括湿沉降收集液和干沉降收集液；
样品前处理模块，用于对所述收集液进行预处理，以得到待测样品；
进样控制与在线分析模块，用于对待测样品进样控制与各组分氮浓度测定；
数据分析模块，用于根据样品参数得到氮沉降通量，所述样品参数包括样品体积、各组分氮浓度与样品收集模块的面积。
本发明采用下垫面替代法区分式收集大气氮沉降，可以通过稀释收集的方式大幅消减因降水较少而受风干作用影响造成的样品损耗，同时在干沉降收集中可以被动式收集下垫面与大气界面的可溶性气态氮。同时采用区分式干湿沉降连续监测、定期收集的方式确保全时间序列样品收集，避免分段式集中采样给大气氮沉降估算带来的不确定性。
需要说明的是，在不下雨时，大气中酸性物质可被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降；下雨时，高空雨滴吸收包含酸性物质继而降下时再冲刷酸性物质降到地面叫湿沉降。
在一实施例中，样品收集模块包括干沉降桶82、湿沉降桶81、模式切换单元、沉降桶盖；其中，所述干沉降桶用于进行干沉降收集，得到干沉降收集液；所述湿沉降桶用于进行湿沉降收集，得到湿沉降收集液。在本实施例中，干沉降桶和湿沉降桶呈圆柱体，具体地，其内径为50cm，高为40cm；当然在其他实施例中，干沉降桶和湿沉降桶的参数，例如高、内径、形状态等可以根据监测区域极端降水量确定。由于沉降桶为空心的圆柱体，则样品收集模块的面积为沉降桶桶底的面积。
需要说明的是，在进行干沉降或湿沉降收集前，需向所述样品收集模块中加入纯水。其中，纯水可以是一级水(18.2MΩcm)，注入的一级水约3000mL，即分别向干沉降桶、湿沉降桶中各注入3000mL的一级水。当然在其他实施例中，可以根据具体的需求来确定注入一级水的体积。例如，可以根据不同的时间段来调整和输入待注入的体积，具体地，如6-9月，干沉降桶注入约5000mL，而湿沉降桶注入约1500mL。一级水的注入可以通过纯水制备系统实现，例如干沉降桶通过纯水制备系统62注入，湿沉降桶可以通过纯水制备系统61注入，在本实施例中干沉降桶的注入和湿沉降桶的注入是各通过一个纯水制备系统注入的，在其他实施例中，可以设置一个纯水制备系统，通过配置分别向干沉降桶和湿沉降桶中注入所需的一级水。
在干沉桶的底部设置有电子开关模块72，在湿沉降桶的底部设置有电子开关模块71，其中电子开关模块可以是电磁阀，在外部控制指令的控制下完成关断与开启，电磁阀开启后，干沉降桶/湿沉降桶中的收集液由通过电磁阀流入到后续的装置/模块中进行后续处理。
模式切换单元，用于根据样品收集模块所处的环境条件启用所述干沉降桶或湿沉降桶；
沉降桶盖，根据模式切换单元的切换指令覆盖所述干沉降桶或所述湿沉降桶。
其中，样品收集模块所处的环境条件可以为是否下雨，若下雨且雨量达到设定的值，例如0.02mm，则沉降桶覆盖于干沉降桶上，湿沉降桶启用，进行湿沉降收集。在下雨结束一定时间后，例如15min，沉降桶覆盖于湿沉降桶上，干沉降桶启用，进行干沉降收集。
在一实施例中，是否下雨可以通过雨传感器9来进行检测，雨量传感器不仅可以检测是否下雨，还可以检测下雨量的多少。
在一实施例中，所述样品前处理模块包括：
超声振荡单元，用于对所述收集液进行破碎、搅拌和混匀；抽滤单元4，用于对搅拌后的收集液进行过滤，得到待测样品。
在一实施例中，在干沉降桶底部设置超声振荡器52，在湿沉降桶的底部设置超声振荡器51，超声振荡的目的，是将收集液搅拌均匀，抽滤的目的是为了完成对收集液的固液分离，得到待测样品。
在一实施例中，所述样品前处理模块还包括：缓冲池3，用于存放待测样品。
在一实施例中，该还包括废液收集模块1，用于对润洗及分析产生的废液进行收集，以定期维护时带回实验室进行无害化处理。
在一实施例中，数据分析模块，用于根据样品参数得到氮沉降通量，所述样品参数包括样品体积、各组分氮浓度与样品收集模块的面积。所述氮沉降通量包括：氮湿沉降通量、氮干沉降通量、无机氮沉降通量、可溶性有机氮沉降通量。
在一实施例中，该系统还包括：数据采集模块，用于采集降水量、气温、风向风速、相对空气湿度、湿沉降收集液体积、干沉降收集液体积、总氮浓度、可溶性有机氮浓度、无机氮浓度等参数。具体地，样品按设置的测量间隔进入到分析模块，分析模块可以是氮沉降在线分析仪2，采用实验室标准的湿化学法分析总氮、氨氮、亚硝态氮、硝态氮等浓度，并根据收集液体积和采集桶面积计算氮沉降通量，包括总湿沉降、干沉降通量，总无机氮沉降、可溶性有机氮(例如小蛋白分子、氨基酸等)沉降通量，无机氮沉降包括总氨氮沉降、硝态氮沉降、亚硝态氮沉降等参数，并将原始数据和分析结果存储于数据存储模块10中。
在具体实施时，将大气氮沉降智能收集与在线分析系统安置于周围开阔的平坦地面，采用电磁阀控制的纯水制备系统分别向干、湿沉降桶注入约3000mL一级水。每次降水事件结束后，雨量传感器发出电信号激发湿沉降桶底部电磁阀打开，采用超声振荡器对湿沉降样品超声30min混匀，液体样品经流量计进入抽滤装置，过滤后进入样品缓冲池，经过至少三次润洗后经蠕动泵进入氮组分在线分析仪。多余样品随废液排出系统，分析测试过程产生的废液进入废液收集瓶，待系统维护时一并带回实验室处理，以上步骤为湿沉降收集过程。
两次降雨事件之间(认为当雨量超过0.02mm，发生一次降雨事件，雨停超过15min，发生一次停雨事件)，根据雨量传感器电信号，沉降桶盖通过传动支架(多连杆支架)移至湿沉降桶上方，此时干沉降桶启用。根据气候条件设定3-5天为周期采集干沉降桶样品一次，即冬季(日平均气温低于10℃)如果期间无降水过程，干沉降取样间隔一般设定为5天，其他季节均为3天。干沉降样品前处理和分析过程与湿沉降一致，均包括对收集液进行超声振荡、抽滤、进样等过程。数据采集模块记录日降水量、日均气温、风向风速、相对空气湿度、湿沉降收集液体积、干沉降收集液体积、总氮、氨氮、亚硝态氮、硝态氮。
本发明设计了科学严密的实验确定并验证大气氮沉降样品收集频率、下垫面设置参考标准、样品前处理等一套样品收集方法。
本发明通过蠕动泵自动进样，采用快速显色和分光光度法在线测定氮沉降样品中总氮、硝态氮、铵态氮和亚硝态氮的含量，减少因样品存储和运输过程可能带来的氮形态转化。
本系统基于STM32+μC/OS-II的软硬件开发平台，通过集成纯水制备系统、超声波发生器、数据采集模块等装置，实现大气氮沉降监测的全自动收集与连续在线分析。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，包括：
样品收集模块，用于进行干沉降和湿沉降同步分离收集，得到收集液，所述收集液包括湿沉降收集液和干沉降收集液；
样品前处理模块，用于对所述收集液进行预处理，以得到待测样品；
进样控制与在线分析模块，用于对待测样品进样控制与各组分氮浓度测定；
数据分析模块，用于根据样品参数得到氮沉降通量，所述样品参数包括样品体积、各组分氮浓度与样品收集模块的面积。
2.根据权利要求1所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，所述氮沉降通量包括：总湿沉降、干沉降通量，总无机氮沉降、可溶性有机氮沉降通量。
3.根据权利要求1所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，还包括：数据采集模块，用于采集降水量、气温、风向风速、相对空气湿度、湿沉降收集液体积、干沉降收集液体积、总氮浓度、可溶性有机氮浓度、无机氮浓度。
4.根据权利要求1所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，所述样品收集模块包括：
干沉降桶，底部设置有电子开关模块，用于进行干沉降收集，得到干沉降收集液；
湿沉降桶，底部设置有电子开关模块，用于进行湿沉降收集，得到湿沉降收集液；
模式切换单元，用于根据样品收集模块所处的环境条件启用所述干沉降桶或湿沉降桶；
沉降桶盖，根据模式切换单元的切换指令覆盖所述干沉降桶或所述湿沉降桶。
5.根据权利要求4所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，所述模式切换单元包括：
雨量传感器，用于检测是否下雨及雨量大小；
传动支架，用于根据雨量传感器的检测结果驱动所述沉降桶盖。
6.根据权利要求1所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，所述样品前处理模块包括：
超声振荡单元，用于对所述收集液进行破碎、搅拌和混匀；
抽滤单元，用于对搅拌后的收集液进行过滤，得到待测样品。
7.根据权利要求6所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，所述样品前处理模块还包括：缓冲池，用于存放所述待测样品。
8.根据权利要求7所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，在存放样品之前，先对所述缓冲池进行至少三次润洗。
9.根据权利要求8所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，还包括废液收集模块，用于对润洗和分析产生的废液进行收集。
10.根据权利要求4所述的基于下垫面替代的大气氮沉降智能收集与在线分析系统，其特征在于，在进行干沉降或湿沉降收集前，需向所述干沉降桶和湿沉降桶中加入纯水。
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