CN113671115B - 一种农田生态系统氮循环监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农田生态系统氮循环监测装置，包括预埋箱和可移动监测取样系统，预埋箱埋置于农田，预埋箱内置与农田相连的水位监测系统，预埋箱侧面设有地下取样孔，可移动监测取样系统包括可移动静态箱、可移动取样器和传感器系统，可移动静态箱可拆卸地安置于农田，可移动取样器穿过地下取样孔后水平插入农田内，传感器系统能够监测可移动静态箱内气体数据、农田表层水土数据以及可移动取样器内地下水土气数据。本发明的一种农田生态系统氮循环监测装置，能够采集农田地表空气、径流、不同深度的土壤、土壤空气和淋溶液并实时监测农田氮素情况，监测农田整体氮循环过程，同时能够进行连续多次取样，减少取样过程中的人为干扰。

Description

一种农田生态系统氮循环监测装置
技术领域
本发明涉及一种农田生态系统氮循环监测装置，属于农田生态系统监测技术领域。
背景技术
中国是世界上最大的氮肥生产和消费国，且近些年氮肥用量与粮食总产增速呈正相关，为保障产量，氮肥成为我国农业生产中使用量最大的肥料品种之一。然而，中国氮肥的消费量现已超过作物最大生产量的需求量，氮盈余现象普遍存在，且农田氮素流失引发的农业面源污染已成为我国水体恶化、土壤污染、温室效应等环境问题的关键因素。农田生态系统中的氮循环过程与氮素环境效应紧密相关，农田中的氮输入主要为氮肥，生物固氮和大气沉降等也有一定贡献；氮输出包括动植物吸收、氨挥发、反硝化产生的气体排放、径流与淋溶损失；内部过程包括有机氮和无机氮的矿化与固定、硝化与反硝化、厌氧氨氧化、土壤吸附与解吸等过程。研究农田氮循环特征，监测农田生态系统作物种植过程中地表径流和淋溶渗漏的水体、不同深度的土壤、地表大气和土壤空气中氮素状况，监控农田整体氮循环过程，对于提高肥料利用率、保护生态环境具有重要意义，能够为减少农田氮素对环境不利影响提供思路和对策，为实现大面积农田氮肥增产增效提供有效途径。
农田生态系统中的氮循环过程向来是国内外相关领域的研究热点，受限于农田生态系统氮循环过程的复杂性与研究手段的匮乏，在实际研究过程中，农田取样困难且易破坏原有结构状态，常采用室内模拟试验或蒸渗仪小区试验，即使是农田试验，多是只能涉及氮循环中的某一过程或某几个关键过程，难以研究农田整体的氮循环情况；蒸渗仪小区试验往往只能针对特定部位进行取样监测，且土壤中的预埋管道易堵塞、难更换。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够实时监测农田地表空气、径流、不同深度的土壤、土壤空气和淋溶液中的氮素浓度情况，垂向监测农田整体氮循环过程，同时能够进行连续多次取样，减少取样过程中的人为干扰的农田生态系统氮循环监测装置。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种农田生态系统氮循环监测装置，包括预埋箱和可移动监测取样系统，所述预埋箱埋置于农田，所述预埋箱内置与农田相连的水位监测系统，所述预埋箱的侧面上开设有地下取样孔，所述可移动监测取样系统包括可移动静态箱、可移动取样器和传感器系统，所述可移动静态箱可拆卸地安置于农田，所述可移动取样器穿过所述地下取样孔后水平插入农田内，所述传感器系统采集所述可移动静态箱内气体数据、农田表层水土数据以及所述可移动取样器内农田地下水土气数据。
所述水位监测系统包括水位管，所述水位管一端穿过所述预埋箱底部与农田相连，所述水位管伸入农田部分包有纱布滤层，所述水位管另一端经直角弯头延伸至当地田埂高度，所述水位管内置有水位传感器，所述水位传感器与数据盒连接，所述数据盒与经通讯模块连接将水位监测数据发送至远程平台。
所述可移动静态箱包括套筒和底座，所述套筒侧壁开设取气孔，所述取气孔依次连接气体阀和取气筒，所述底座下端插入土壤，所述底座上端为回字形凹槽，所述套筒的下端插入所述回字形凹槽。
所述可移动取样器包括取土器和水气取样管，所述取土器包括从前往后依次相连的钻土尖端、螺旋形取土段、螺旋镂空筒状段和直壁镂空筒状段，所述直壁镂空筒状段上设有把手，所述壁镂空筒状段后侧设有塞体，所述水气取样管位于所述螺旋镂空筒状段和直壁镂空筒状段内。
所述水气取样管外侧包裹有尼龙网和纱布，所述水气取样管和螺旋镂空筒状段靠近农田地表处的管壁均设有开孔部，所述水气取样管内置储气管，所述储气管管壁开设透气小孔，所述储气管外壁包裹气体交换膜层，储气管外侧与所述水气取样管内侧形成土壤溶液储样腔。
所述土壤溶液储样腔后端设有土壤溶液取样孔，所述土壤溶液取样孔穿过所述直壁镂空筒状段和水气取样管下侧的管壁后连有土壤溶液取样瓶。
所述储气管后侧内置有气体抽吸管，所述气体抽吸管穿过所述塞体后次连接至所述预埋箱内的气路切换阀、气泵和气体收集装置。
所述预埋箱箱体侧壁开设地表取样孔和距地面不同高度的地下取样孔，所述地表取样孔位于农田地表水土交界面处，所述地下取样孔和地表取样孔在非使用期间利用取样孔橡胶塞作密封处理。
所述传感器系统包括地表气体传感器、地表水传感器、土壤传感器、土壤溶液传感器和气体传感器，所述地表气体传感器设置在所述可移动静态箱套筒内，所述地表水传感器设置在农田地表水与所述预埋箱外壁交界处，所述土壤传感器设置在农田表层土壤内以及设置在可所述螺旋形取土段和螺旋镂空筒状段交界处，所述土壤溶液传感器设置在所述土壤溶液储样腔后侧设，所述气体传感器设置在所述储气管后端，所述地表气体传感器、地表水传感器、土壤传感器、土壤溶液传感器和气体传感器均与数据盒连接，所述数据盒与经通讯模块连接将所有监测数据发送至远程平台。
所述预埋箱材质为PVC板材，所述取土器材质为不锈钢材料。
本发明的有益效果：
(1)通过将箱体预先埋置于农田的方式，可有效维护农田小气候保持原状；预埋箱箱体侧壁的地表取样孔和地下取样孔可根据实际需求，在箱体多个侧壁开设多个，数量不作限定，实现农田试验的精准、连续、批量采样，装置整体经久耐用、易维护、可操作性强。
(2)可移动静态箱和可移动取样器能够尽量减少监测取样过程中人为干扰的影响，长期放置于农田，也可定期取出检查或更换相关设备，并可采集农田不同深度、不同位置的水、土壤和气体样品，克服了农田垂向取样的困难，操作管护方便。
(3)传感器系统以及水位监测系统结构简单，适应性强，可自动采集农田水位和农田中水体、土壤和气体的氮素浓度信息并发送至远程平台，对农田整体状况进行实时监测，为农田生态系统氮循环研究提供数据基础。
(4)预埋箱采用PVC材质，具有高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
附图说明
图1为本发明一种农田生态系统氮循环监测装置的总体结构示意图；
图2为本发明中可移动取样器的结构透视图；
图3为本发明中可移动取样器的取样原理示意图；
图4是本发明中地表取样孔和地下取样孔的局部结构示意图；
图5是本发明中底座的构造示意图。
图中附图标记如下：1-预埋箱；2-水位传感器；3-水位管；4-套筒；5-底座；6-取气孔；7-气体阀；8-取气筒；9-可移动取样器；10-地下取样孔；11-纱布滤层；12-数据盒；13-通讯模块；14-气路切换阀；15-气泵；16-气体收集装置；17-地表水传感器；18-地表取样孔；19-取样孔橡胶塞；20-土壤传感器；21-气体传感器；22-土壤溶液传感器；23-取样瓶；24-地表气体传感器；25-取样管橡胶塞；26-钻土尖端；27螺旋形取土段；28螺旋镂空筒状段；29-开孔部；30-纱布；31-尼龙网；32-储气管；33-气体交换膜层；34-土壤溶液储样腔；35-直壁镂空筒状段；36-把手；37-土壤溶液取样孔；38-水气取样管；39-塞体；40-气体抽吸管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1到图3所示，本发明公开一种农田生态系统氮循环监测装置，包括预埋箱1和可移动监测取样系统，可移动监测取样系统由可移动静态箱、可移动取样器9和传感器系统构成。预埋箱1由PVC板材制成，埋置于农田，埋深不低于80cm，地面以上部分高于当地田埂10cm。预埋箱1底宽为50cm，底长至少大于可移动取样器9长度30cm，方便将可移动取样器9伸入到地下取样孔10中。
预埋箱1侧壁开设地表取样孔18和地下取样孔10，地表取样孔18位于农田地表土壤与外界的交界面处，直径为5cm；地下取样孔10可根据实际需求，在不影响箱体结构稳定性的条件下，在箱体多个侧壁的不同高度开设多个，数量和位置不作限定，直径为5cm。所有已开设的取样孔在非使用期间利用取样孔橡胶塞19作密封处理，地表取样孔18和地下取样孔10未使用取样孔橡胶塞19密封时，地表取样孔18和地下取样孔10分别用于采集地表水和土壤。
预埋箱1内置水位监测系统，包括水位管3和水位传感器2。水位管3直径为1～3cm，穿过预埋箱底部约10cm与农田相连，且伸入农田部分包有纱布滤层11，另一端经直角弯头延伸至当地田埂高度的3～5cm以上。水位管3内置水位传感器2，并连接至数据盒12，所得监测数据经通讯模块13自动发送至远程平台。
如图1和图5所示，可移动静态箱包括套筒4和底座5，通过套筒4和底座5形成地表密闭空间，套筒4和底座5均由PVC材料制成，套筒4顶部尺寸50×50cm，高度根据农田作物种类调节，应高于种植作物地面以上高度5cm且不低于50cm；套筒4侧壁中间部位开设取气孔6，并依次连接气体阀7和取气筒8，取气孔6、气体阀7和取气筒8配合用于采集地表气体。非取样期间，取气筒8可拆卸；底座5下端可插入土壤，上端为回字形凹槽，回字形凹槽处可注水后插入套筒4，形成密闭空间。
可移动取样器9由取土器和水气取样管38构成，取土器包括依次前后连接的钻土尖端26，长5cm。螺旋形取土段27，长30cm，外径5cm。螺旋镂空筒状段28，长40cm，螺旋外径5cm，镂空筒状外径4cm，内径3.5cm。直壁镂空筒状段35，长25cm，外径4cm，内径3.5cm。取土器总长1m，各段为一整体，采用不锈钢材质。取土器后侧设有塞体39，为橡胶材质。水气取样管38包裹尼龙网31和纱布30后，可插入取土器的螺旋镂空筒状段28和直壁镂空筒状段35内。水气取样管38为PVC材质，直径3cm，内置半侧打孔且包裹气体交换膜层33的储气管32，储气管32外侧与水气取样管38内侧形成土壤溶液储样腔34，并在靠近塞体39的一端开设土壤溶液取样孔37，可将土壤溶液储样腔34与外界连通，通过土壤溶液取样瓶23收集土壤溶液，把可移动取样器拉出来后，可以采集前面螺旋段上面的土壤。在非取样阶段，使用取样管橡胶塞25作密封处理。储气管32为PVC材质，直径1.5cm。塞体39处插入气体抽吸管40，将储气管32依次连接至气路切换阀14、气泵15和气体收集装置16。气体抽吸管40、气路切换阀14、气泵15和气体收集装置16可以控制采集土壤气体，土壤气体采集过程中，确保取样管橡胶塞25密封土壤溶液取样孔37，避免室内空气进入混淆样本。
传感器系统布置于地上、地表和地下，地上部分为可移动静态箱套筒4内靠近取气孔6的地表气体传感器24，地表气体传感器24用于监测地表气体。地表部分包括农田表层土壤内的土壤传感器20以及略高于地面处的地表水传感器17，其中土壤传感器20用于监测地表土壤，地表水传感器17用于监测地表水。无地表水时，地表水传感17器可停用。地下部分包括可移动取样器9螺旋形取土段27和螺旋镂空筒状段28交界处设置的土壤传感器20、土壤溶液储样腔34靠近塞体39侧设置的土壤溶液传感器22以及储气管32靠近塞体39一端设置的气体传感器21。可移动取样器9水平插入地下后，静置一段时间，土壤溶液储样腔34和储气管32内分别会有土壤溶液和气体，可分别通过土壤溶液传感器22用来监测土壤溶液，气体传感器21用来监测土壤气体，土壤传感器20用来监测土壤。所有传感器连接至数据盒12，经通讯模块13将所有监测数据发送至远程平台。
本发明使用过程或工作原理：首先，在农田按预埋箱1尺寸挖坑，挖深不低于80cm，放置预埋箱1后回填挖出的土壤，尽量保证预埋箱1紧密埋放于农田，以免预埋箱侧壁与农田土壤之间产生缝隙出现优先流。预埋箱1安置后，根据需求开设地表取样孔18和地下取样孔10，使用取样孔橡胶塞19对取样孔作密封处理。预埋箱1底部开孔安装水位管，农田正常种植作物。另外，布置传感器系统，并在预埋箱附近，将可移动静态箱底座5下端插入土壤，回字形凹槽处注水后插入套筒4，形成密闭空间。可移动取样器9构件均安装完毕后，通过地下取样孔10将其旋转着水平插入农田。关闭套筒4的气体阀7以及与取样管连接的气路切换阀14，确保取样管橡胶塞25密封土壤溶液取样孔37，塞体39密封取样器后，将传感器系统与数据盒12和通讯模块13连接，即可在远程平台获取农田水位以及农田地表气体、地表水、不同深度土壤、土壤气体以及林溶液中的氮素浓度监测数据。无地表水时，地表水传感17器可停用。可移动静态箱套筒4在监测取样完成后及时摘除，以免影响作物生长，底座5可长期安置于农田，或换至其他观测点配合套筒4继续工作。可移动取样器可长期放置于农田，也可定期取出检查或更换相关设备。
本发明还提供一种用于农田15N示踪监测采样方法，采用本发明的一种农田生态系统氮循环监测装置实现，包括如下步骤：
步骤一，农田施入15N标记氮肥后，打开位于已安装好的可移动静态箱套筒4的气体阀7，通过取气筒8收集土壤气体。
步骤二，打开地表取样孔18的取样孔橡胶塞19，采集地表土壤和水样。
步骤三，打开取样管橡胶塞25，约2小时后，取样瓶23可采集到淋溶液。使用取样管橡胶塞25密封土壤溶液取样孔37，控制气路切换阀14将使指定取样器储气管32内的气体通过气泵15抽吸至气体收集装置16，获得土壤气体样品。关闭气泵15和气路切换阀14，水平抽出取样器，可采集附着于取土器上的土壤样品。
步骤四，用同位素质谱仪对步骤一、二和三采集的水、土壤和气体样品中的15N丰度进行测定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：包括预埋箱(1)和可移动监测取样系统，所述预埋箱(1)埋置于农田，所述预埋箱(1)内置与农田相连的水位监测系统，所述预埋箱(1)的侧面上开设有地下取样孔(10)，所述可移动监测取样系统包括可移动静态箱、可移动取样器(9)和传感器系统，所述可移动静态箱可拆卸地安置于农田，所述可移动取样器(9)穿过所述地下取样孔(10)后水平插入农田内，所述传感器系统采集所述可移动静态箱内气体数据、农田表层水土数据以及所述可移动取样器(9)内农田地下水土气数据，所述可移动取样器(9)包括取土器和水气取样管(38)，所述取土器包括从前往后依次相连的钻土尖端(26)、螺旋形取土段(27)、螺旋镂空筒状段(28)和直壁镂空筒状段(35)，所述直壁镂空筒状段(35)上设有把手(36)，所述直壁镂空筒状段(35)后侧设有塞体(39)，所述水气取样管(38)位于所述螺旋镂空筒状段(28)和直壁镂空筒状段(35)内，所述水气取样管(38)外侧包裹有尼龙网(31)和纱布(30)，所述水气取样管(38)和螺旋镂空筒状段(28)靠近农田地表处的管壁均设有开孔部(29)，所述水气取样管(38)内置储气管(32)，所述储气管(32)管壁开设透气小孔，所述储气管(32)外壁包裹气体交换膜层(33)，储气管(32)外侧与所述水气取样管(38)内侧形成土壤溶液储样腔(34)。
2.根据权利要求1所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述水位监测系统包括水位管(3)，所述水位管(3)一端穿过所述预埋箱(1)底部与农田相连，所述水位管(3)伸入农田部分包有纱布滤层(11)，所述水位管(3)另一端经直角弯头延伸至当地田埂高度，所述水位管(3)内置有水位传感器(2)，所述水位传感器(2)与数据盒(12)连接，所述数据盒(12)与通讯模块(13)连接将水位监测数据发送至远程平台。
3.根据权利要求1所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述可移动静态箱包括套筒(4)和底座(5)，所述套筒(4)侧壁开设取气孔(6)，所述取气孔(6)依次连接气体阀(7)和取气筒(8)，所述底座(5)下端插入土壤，所述底座(5)上端为回字形凹槽，所述套筒(4)的下端插入所述回字形凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述土壤溶液储样腔(34)后端设有土壤溶液取样孔(37)，所述土壤溶液取样孔(37)穿过所述直壁镂空筒状段(35)和水气取样管(38)下侧的管壁后连有土壤溶液取样瓶(23)。
5.根据权利要求4所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述储气管(32)后侧内置有气体抽吸管(40)，所述气体抽吸管(40)穿过所述塞体(39)后依次连接至所述预埋箱(1)内的气路切换阀(14)、气泵(15)和气体收集装置(16)。
6.根据权利要求1所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述预埋箱(1)箱体侧壁开设地表取样孔(18)和距地面不同高度的地下取样孔(10)，所述地表取样孔(18)位于农田地表水土交界面处，所述地下取样孔(10)和地表取样孔(18)在非使用期间利用取样孔橡胶塞(19)作密封处理。
7.根据权利要求1所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述传感器系统包括地表气体传感器(24)、地表水传感器(17)、土壤传感器(20)、土壤溶液传感器(22)和气体传感器(21)，所述地表气体传感器(24)设置在所述可移动静态箱套筒(4)内，所述地表水传感器(17)设置在农田地表水与所述预埋箱(1) 外壁交界处，所述土壤传感器(20)设置在农田表层土壤内以及设置在所述螺旋形取土段(27)和螺旋镂空筒状段(28)交界处，所述土壤溶液传感器(22)设置在所述土壤溶液储样腔(34)后侧，所述气体传感器(21)设置在所述储气管(32)后端，所述地表气体传感器(24)、地表水传感器(17)、土壤传感器(20)、土壤溶液传感器(22)和气体传感器(21)均与数据盒(12)连接，所述数据盒(12)与通讯模块(13)连接将所有监测数据发送至远程平台。
8.根据权利要求1所述的一种农田生态系统氮循环监测装置，其特征在于：所述预埋箱(1)材质为PVC板材，所述取土器材质为不锈钢材料。
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