CN112557251A - 一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置及其方法，涉及检测设备技术领域，包括底座以及底部具有开口的箱体，箱体可拆卸地设置在底座的顶部，并与底座共同形成密闭环境，底座具有供氨气流入箱体中的通道，通道与开口连通；箱体内部还设置有固定部以及空气扰动部；由此本发明通过将氨气吸收部固定在固定部上，并用箱体进行密封即可对待测土壤或者堆肥产生的氨气进行吸收，结构便携，操作简单，适用于携带至田间进行氨气的收集，并且本发明在箱体中设置空气扰动部，通过空气扰动部加强箱体内部的气体流动，增大氨气与氨气吸收部的接触几率，提高氨气吸收膜的吸收效率，降低了其他因素对吸收结果的影响，保证了测定的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及检测设备技术领域，特别是涉及一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置及其方法。
背景技术
大气中氨气污染的来源主要是畜禽粪便和农田施用氮肥挥发排放。畜禽养殖产生的粪便等固体废物通常采取堆肥化处理后再施用到农田，由于堆肥过程中温度、pH等条件变化，会造成大量氨挥发。农田施用氮肥导致的氨挥发也是的大气中氨的主要来源。进入大气中的氨气不仅污染大气，还通过降雨和干湿沉降进入农田、森林、湖泊等生态系统中，也会导致土壤酸化、水体富营养化、和生物多样性降低等生态环境问题。量化畜禽粪便堆肥处理和农田土壤施氮过程中的氨挥发是进一步采取措施降低农畜牧业氨排放的基础，在实践应用中有重要的意义。
目前存在一些能够测量畜禽类粪便或者农田土壤的氨气排放量的装置，如申请号为“201910647916.9”，名称为“一种测定畜禽粪尿中氨气挥发量的方法及其装置”的发明专利，申请号为“201920915026.7”，名称为“用于测量畜禽粪便排放氨气量的装置”的发明专利，但是大多装置比较复杂，适用于实验室中进行，而不适用于直接在室外、农田中进行。
农田氨挥发测定方法有很多，主要分为直接法和间接法两大类。间接法是用土壤平衡法估算氨挥发速率，该方法耗时长，结果误差大，难以广泛应用。直接法是将氨气采集和测定技术相结合来直接测定氨挥发速率，包括密闭法和微气象法。由于微气象法对试验区的面积地形以及气象条件要求较高，加上仪器设备较昂贵，该方法的推广使用也较难。密闭室法是一种直接测定一段时间密闭室内的氨气排放速率的常用手段，该方法具有价格低廉、移动性好等优点。然而传统的密闭室法野外操作仍然较复杂，对氨气的回收效率也较低。因此，需要对传统的密闭室法进一步改进以增加其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置及其方法，以解决现有技术存在的问题，使测定装置更加简单、便携，测定精度更高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，包括底座以及底部具有开口的箱体，所述箱体可拆卸地设置在所述底座的顶部，并与所述底座共同形成密闭环境，所述底座具有供氨气流入所述箱体中的通道，所述通道与所述开口连通，且所述开口的面积、所述通道的截面积均不小于待测土壤或堆肥的面积；所述箱体内部还设置有固定部以及空气扰动部，所述固定部上固定有氨气吸收部，所述空气扰动部用于扰动所述箱体内部的气体。
优选的，所述空气扰动部固定在所述箱体的内壁上。
优选的，所述底座上设置有与所述箱体的底端形状相同的凹槽，所述凹槽中能够盛放液体，所述箱体放入具有液体的所述凹槽中实现密封。
优选的，所述固定部底部具有能够插入土壤或者堆肥中的底部尖端，顶部具有固定所述氨气吸收部的顶部尖端，所述氨气吸收部为氨气吸收膜。
优选的，所述固定部为竹签。
优选的，所述空气扰动部为一电风扇。
本发明还公开一种应用上述简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置实施的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的方法，包括以下步骤：
1)计算所述箱体中氨气吸收膜的氨气吸收效率k；
2)将所述装置固定在土壤或者堆肥上，开启所述空气扰动部使所述箱体内部的气体成分扰动，利用氨气吸收膜吸收土壤或者堆肥释放出的氨气；
3)经过时间t后，取出所述氨气吸收膜，测定其吸收氨气的含量m1；
4)根据公式v＝m1/(k·t·s)得到土壤或者堆肥的氨挥发速率，s为位于所述底座内部的土壤或者堆肥的面积。
优选的，步骤1)中计算氨气吸收膜的氨气吸收效率方法如下：
a.在所述固定部上固定所述氨气吸收膜，同时准备一烧杯，所述烧杯中加入已知体积与浓度的铵盐溶液，向所述凹槽中注入水，所述箱体置于所述凹槽中，将所述固定部、所述烧杯罩住；
b.所述箱体预先开一通孔，自所述通孔中插入导管，通过所述导管向所述烧杯中加入已知体积、浓度的过量的强碱性溶液，加入强碱性溶液后，所述导管入口密封；
c.打开电风扇，放置4～8小时后，取出氨气吸收膜，测定氨气吸收膜上氨气的含量，得到氨气的吸收量m2；
d.根据烧杯内铵盐溶液和体积计算铵盐溶液释放的氨气总量m3，进而计算得到氨气吸收膜的吸收率k，k＝m2/m3。
优选的，步骤2)中的详细步骤如下：
a.将所述底座的底部埋入或插入土壤或者堆肥中；
b.向所述凹槽中注入水，将竹签插入土壤或者堆肥中，然后在竹签上固定氨气吸收膜，所述箱体放入所述凹槽中，将所述竹签罩住；
c.打开电风扇静置。
优选的，测得所述氨气吸收膜上铵含量时，先用蒸馏水浸提所述氨气吸收膜上的铵，然后采用靛酚蓝比色法来测定浸提液中的铵氮含量，得到所述氨气吸收膜上吸收氨气的量。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过将氨气吸收部固定在固定部上，并用箱体进行密封即可对待测土壤或者堆肥产生的氨气进行吸收，结构便携，操作简单，适用于携带至田间进行氨气的收集；
2、本发明在箱体中设置空气扰动部，通过空气扰动部加强箱体内部的气体流动，增大氨气与氨气吸收部的接触几率，提高氨气吸收膜的吸收效率，降低了其他因素对吸收结果的影响，保证了测定的精确度；
3、由于氨气吸收膜无法保证完全吸收箱体中的氨气，所以本发明公开的测定方法中先计算氨气吸收膜的氨气吸收效率k，然后根据实际测定过程中得到的氨气吸收膜吸收的氨气的量计算得到待测土壤或者堆肥实际排出的氨气的量，能够保证氨气挥发速率的精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为测定氨气吸收膜的吸收效率的结构示意图；
图3为底座的俯视图；
图4为图3的剖视图；
图5为不同环境因素对氨气吸收膜的吸收效率的影响对比柱状图；
其中，1、箱体；2、竹签；3、氨气吸收膜；4、电风扇；5、底座；6、烧杯；7、导管；8、凹槽；9、连接部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置及其方法，以解决现有技术存在的问题，使测定装置更加简单、便携，测定精度更高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1、图3、图4所示，本实施例提供一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，包括底座5以及底部具有开口的箱体1，箱体1可拆卸地设置在底座5的顶部，并与底座5共同形成密闭环境，底座5具有供氨气流入箱体1中的通道，通道与开口连通，且开口的面积、通道的截面积均不小于待测土壤或堆肥的面积；箱体1内部还设置有固定部以及空气扰动部，固定部上固定有氨气吸收部，空气扰动部用于扰动箱体1内部的气体。
本实施例中底座5需要具有供氨气流入箱体1中的通道，具体的底座5可以为筒形或者其他形状，而箱体1底部可以不设置底板以形成开口；开口的面积、通道的截面积均不小于待测土壤或者堆肥的面积是为了保证土壤或者堆肥挥发产生的氨气能够自通道进入箱体1中，而开口的面积应当略大于通道的截面积，通道的截面积等于待测土壤或者堆肥的面积，如图1所示。
使用时，将底座5的底部掩埋入或插入土壤或者堆肥中，底座5内部的土壤或者堆肥为待测量目标，底座5与土壤或者堆肥之间要进行密封处理，防止底座5外部土壤或者堆肥产生的氨气进入底座5内部，然后将固定部及其氨气固定部固定在箱体1中，再将箱体1固定在底座5的顶部，同时将箱体1与底座5之间的接缝密封，最后打开箱体1中的空气扰动部，使得箱体1内部的气体进行循环扰动；放置一定时间后，取出氨气吸收部测定并计算土壤或者堆肥在此时间段内排放氨气总量，进而得到土壤或者堆肥的氨气排放速率。
由此，本实施例通过将氨气吸收部固定在固定部上，并用箱体1进行密封即可对待测土壤或者堆肥产生的氨气进行吸收，结构便携，操作简单，适用于携带至田间进行氨气的收集；但是，即使是在氨气吸收部的吸收能力过剩的情况下，依然不能保证将土壤或者堆肥排放的氨气完全吸收，比如在箱体1边缘或者角落中散布的氨气，因此本实施例在箱体1中设置空气扰动部，通过空气扰动部加强箱体1内部的气体流动，增大氨气与氨气吸收部的接触几率，提高氨气吸收膜3的吸收效率，降低了其他因素对吸收结果的影响和不确定性，保证了测定的精确度。
具体的，空气扰动部为一电风扇4，且电风扇4固定在箱体1的内壁上，并悬于箱体1的空中，电风扇4的导线可以引出至箱体1外部，在箱体1的外部设置能够驱动电风扇4转动的电源及操作开关，且在箱体1开设孔之后都要保证开孔位置的密封性。
在实际测定过程中，电风扇4的有无、环境温度、环境湿度等因素均可能影响氨气的吸收效率，为了研究各种因素对氨气吸收率的影响程度，特意进行了多组测试，测试结果如图5，最终得到的结论如下：1)电风扇4的影响较大，有电风扇4的氨气回收效率显著高于无电风扇4的情况；2)箱体1内氨气浓度对玻璃纤维膜吸收氨气的回收率影响不明显，均在73％左右；3)改用其他箱体1材料或向箱体1内壁喷洒碳酸钠溶液(碱性)并未提高回收率；4)相对小的箱体1体积回收率更高；5)反应温、湿度在常温条件下对本发明回收率影响不大；6)在4h后可以达到反应完全；所以最终本实施例选择的各种因素参数为，箱体1中设置电风扇4，吸收时间为4小时，环境温度20℃，相对湿度40％，箱体1材料为聚丙烯，箱体1体积为28L，使得在测定过程中氨气吸收膜3具有较大的吸收效率，降低其他因素对吸收效率的影响程度，保证测定结果的准确性，在此条件下的计算氨挥发速率的参数k等于0.73。
需要说明的是，由于本实施例公开的是一种便携、简易的装置，箱体1的体积不宜太大，其笼罩的土壤或者堆肥面积也不宜太大以影响该方法的便捷性，任何影响土壤、堆肥排放氨气或者影响氨气吸收部的氨气吸收效率的因素也都要尽量避免，将上述电风扇4固定在箱体1的内壁上(电风扇4如固定在地面上可能会干扰氨气释放)，注意不要使电风扇4与固定部接触或距离太近，以防将电风扇4转动将氨气吸收部吹落，驱动电风扇4转动的电源需安装在箱体外部以减少电池对箱内氨气吸收的可能影响，电源由导线与电风扇4相连；并且电风扇4为微型风扇，功率可以为3瓦，风速不需要太大，能够起到扰动箱体1内空气的作用即可。由此，本实施例中固定部为一竹签2，氨气吸收部为氨气吸收膜3，具体可以为滴加已知体积、浓度硫酸溶液的玻璃纤维膜；竹签2能够插在土壤或者堆肥上，一方面竹签2底部与土壤、堆肥的接触面积小，不会影响土壤或者堆肥中氨气的正常排放，另一方面，竹签2顶部与玻璃纤维膜的接触面积也比较小，保证玻璃纤维膜与氨气较大的接触面积，避免影响玻璃纤维膜对氨气的正常吸收。本领域技术人员应当理解，本实施例中的固定部选择为竹签2，主要是为了取材方便，操作简单，而本发明中的固定部并不限于竹签2，任何具有尖锐的两端部的构件或者直接固定在箱体1内壁上的构件均是可行的。
如图3～图4所示，为了便于底座5与箱体1之间进行密封，本实施例中底座5上设置有与箱体1的底端形状相同的凹槽8，凹槽8中能够盛放液体，箱体1放入具有液体的凹槽8中实现密封；为了将底座5便于插入土壤或者堆肥中，凹槽8可以具备一定高度，或者凹槽8的底部设置一环形的连接部9，连接部9可以便于插入土壤或堆肥中，并防止外界空气进入底座5、箱体1中。
实施例2：
本实施例还公开一种应用上述简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置实施的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的方法，包括以下步骤：
1)计算箱体1中氨气吸收膜3的氨气吸收效率k；
2)将装置固定在土壤或者堆肥上，开启空气扰动部使箱体1内部的气体成分扰动，利用氨气吸收膜3吸收土壤或者堆肥释放出的氨气；
3)经过时间t后，取出氨气吸收膜3，测定其吸收氨气的含量m1；
4)根据公式v＝m1/(k·t·s)得到土壤或者堆肥的氨挥发速率，s为位于所述底座内部的土壤或者堆肥的面积。
上述提到，由于氨气吸收膜3无法保证完全吸收箱体1中的氨气，所以先要计算氨气吸收膜3的氨气吸收效率k，并通过实际测定过程中得到的氨气吸收膜3实际吸收的氨气的量计算得到待测土壤或者堆肥实际排出的氨气的量，保证最终计算得到的氨气挥发速率的精确性。
具体的，本实施例中固定部选择竹签2，氨气吸收膜3为已滴加50微升1mol/L的稀硫酸溶液的玻璃纤维膜，玻璃纤维膜为Whatman GF/F玻璃纤维滤纸，型号1825-025，直径25毫米，孔径0.7微米，使用前用锡箔纸包裹放置在马弗炉450℃下煅烧8小时以消除杂质氮而减少空白氮含量；需要说明的是，玻璃纤维膜上的稀硫酸溶液可能存在水分蒸发的现象，但是硫酸溶质不会蒸发，仍可以起到吸收氨气的作用，并且密闭期间土壤或者堆肥仍会释放出水蒸气，随着时间的延长，箱体1内空气的水分含量也会增加，减少玻璃纤维膜上的水分的蒸发速率，所以本实施例中玻璃纤维膜上稀硫酸溶液的吸氨能力不随密闭时间的延长而减弱。
步骤1)中计算氨气吸收膜3的氨气吸收效率方法如下：
a.将玻璃纤维膜挂置在竹签2顶部，同时准备一烧杯6，烧杯6中加入已知体积与浓度的铵盐(如氯化铵或硫酸铵)溶液，向凹槽8中注入水，箱体1置于凹槽8中，将竹签2、烧杯6罩住；
b.箱体1预先开一通孔，自通孔中插入导管7，导管7与通孔处要进行密封，通过导管7向烧杯6中加入绝对过量的强碱(如氢氧化钠)溶液，使烧杯内的铵离子完全转化为氨气释放到箱内，加入强碱性溶液后，导管7入口密封；
c.打开电风扇4，放置4～8小时后，取出玻璃纤维膜，测定玻璃纤维膜上氨气的含量，得到氨气的吸收量m2；
d.根据烧杯内铵盐溶液的体积和浓度计算释放的氨气总量m3，进而计算得到玻璃纤维膜的吸收率k，k＝m2/m3。
具体的，步骤2)中的详细步骤如下：
a.将底座5的底部埋入或插入土壤或者堆肥中，保证底座5与土壤或者堆肥之间的密闭性；
b.向凹槽8中注入水，将竹签2插入土壤或者堆肥中，然后在竹签2上固定氨气吸收膜3，箱体1放入凹槽8中，将竹签2罩住；
c.打开电风扇4静置。
测得氨气吸收膜3上铵氮含量时，先用已知体积的蒸馏水浸提氨气吸收膜3上的铵，然后采用靛酚蓝比色法来测定浸提液中的铵氮含量，得到氨气吸收膜3上吸收氨气的量；而浸提方法与靛酚蓝比色法是本领域常用的测定铵氮含量的方法，具体原理及其操作步骤是本领域技术人员所熟知的，因此本申请并不对此进行赘述。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，其特征在于，包括底座以及底部具有开口的箱体，所述箱体可拆卸地设置在所述底座的顶部，并与所述底座共同形成密闭环境，所述底座具有供氨气流入所述箱体中的通道，所述通道与所述开口连通，且所述开口的面积、所述通道的截面积均不小于待测土壤或堆肥的面积；所述箱体内部还设置有固定部以及空气扰动部，所述固定部上固定有氨气吸收部，所述空气扰动部用于扰动所述箱体内部的气体。
2.根据权利要求1所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，其特征在于，所述空气扰动部固定在所述箱体的内壁上。
3.根据权利要求2所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，其特征在于，所述底座上设置有与所述箱体的底端形状相同的凹槽，所述凹槽中能够盛放液体，所述箱体放入具有液体的所述凹槽中实现密封。
4.根据权利要求3所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，其特征在于，所述固定部底部具有能够插入土壤或者堆肥中的底部尖端，顶部具有固定所述氨气吸收部的顶部尖端，所述氨气吸收部为氨气吸收膜。
5.根据权利要求4所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，其特征在于，所述固定部为竹签。
6.根据权利要求1所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置，其特征在于，所述空气扰动部为一电风扇。
7.一种应用如权利要求1-6任意一项所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的装置实施的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算所述箱体中氨气吸收膜的氨气吸收效率k；
2)将所述装置固定在土壤或者堆肥上，开启所述空气扰动部使所述箱体内部的气体成分扰动，利用氨气吸收膜吸收土壤或者堆肥释放出的氨气；
3)经过时间t后，取出所述氨气吸收膜，测定其吸收氨气的含量m1；
4)根据公式v＝m1/(k·t·s)得到土壤或者堆肥的氨挥发速率，s为位于所述底座内部的土壤或者堆肥的面积。
8.根据权利要求7所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的方法，其特征在于，步骤1)中计算氨气吸收膜的氨气吸收效率方法如下：
a.在所述固定部上固定所述氨气吸收膜，同时准备一烧杯，所述烧杯中加入已知体积与浓度的铵盐溶液，向所述凹槽中注入水，所述箱体置于所述凹槽中，将所述固定部、所述烧杯罩住；
b.所述箱体预先开一通孔，自所述通孔中插入导管，通过所述导管向所述烧杯中加入已知体积、浓度的过量的强碱性溶液，加入强碱性溶液后，所述导管入口密封；
c.打开电风扇，放置4～8小时后，取出氨气吸收膜，测定氨气吸收膜上氨气的含量，得到氨气的吸收量m2；
d.根据烧杯内铵盐溶液和体积计算铵盐溶液释放的氨气总量m3，进而计算得到氨气吸收膜的吸收率k，k＝m2/m3。
9.根据权利要求8所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的方法，其特征在于，步骤2)中的详细步骤如下：
a.将所述底座的底部埋入或插入土壤或者堆肥中；
b.向所述凹槽中注入水，将竹签插入土壤或者堆肥中，然后在竹签上固定氨气吸收膜，所述箱体放入所述凹槽中，将所述竹签罩住；
c.打开电风扇静置。
10.根据权利要求要求7或8所述的简易测定土壤或堆肥氨挥发速率的方法，其特征在于，测得所述氨气吸收膜上铵含量时，先用蒸馏水浸提所述氨气吸收膜上的铵，然后采用靛酚蓝比色法来测定浸提液中的铵氮含量，得到所述氨气吸收膜上吸收氨气的量。
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