CN203479657U

CN203479657U - 野外土壤挥发性氨气连续收集装置

Info

Publication number: CN203479657U
Application number: CN201320435617.7U
Authority: CN
Inventors: 戴伟; 张瑞; 邹建美; 庞欢; 杨添
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2023-07-22

Abstract

本实用新型涉及一种野外土壤挥发性氨气连续收集装置，该装置包括氨气采集器（1）、氨气回收器（2）、连接氨气采集器与氨气回收器的连接管道（3）以及调节氨气采集器内外温度的自动控温器（4）。通过对装置内外土壤温度的测定、采集和比较，可自动调控装置内部土壤温度，保持装置内外土壤温度的一致性，避免温差过大对结果真实性的影响。同时利用NH₃和硫酸的反应原理、气体扩散理论和过量的收集液，确保对土壤挥发性氨气可以进行连续和完全的收集。本实用新型不仅可长期连续收集野外土壤挥发性氨气，较为准确地反映出土壤氨气挥发对土壤氮素损失的影响，还具有结构简单，易于操作和劳动成本较低的特点。

Description

野外土壤挥发性氨气连续收集装置

技术领域

本实用新型涉及一种挥发性气体的收集装置，特别涉及一种在野外收集土壤挥发性气体的连续收集装置。

背景技术

氮肥是农林业生产中一类常见的生产物质，施入土壤后可以通过分解释放，在一定时间内为作物连续不断地提供氮素，促进植物生长。铵态氮肥以及尿素是目前常用的两类氮肥，分解形成的NH₄ ⁺-N是植物生长吸收的主要氮素形式之一，也是土壤挥发性NH₃最主要的形成物质，土壤氨气挥发是农林生产过程中氮肥氮素损失的主要途径，准确收集土壤挥发性氨气，明确由此带来的氮素损失，是合理施用氮肥、掌握氮肥的使用效果、确定科学的施肥方案和提高氮肥利用率的重要基础和依据。

土壤中NH₃的挥发并不是一个匀速过程，会随着温度变化而产生较大变化。例如，在一天的不同时间，在一季的不同月份，由于温度的日变化或月变化，挥发量会产生较大差异。但是，现有的收集装置均没有考虑到这种温度变化对NH₃挥发量的影响，往往用某一个时间点或相对较短时间内的收集值作为整个生长期中土壤NH₃挥发的平均值，进而换算出土壤NH₃-N的挥发损失量，导致换算值和实际值间产生较大误差。

迄今为止，还没有一种便利的方法和设备可以准确地了解和掌握土壤NH₃挥发对氮肥中氮素的损失影响。使用的极个别野外相关设备只是将氨检测管与氨收集装置进行简单组合，利用短时间内的氨气挥发量测定值与DTM

法估算获得土壤氮素损失量。由于土壤氨气挥发过程的强弱和土壤温度、含水量等多因素密切相关，这些因素的变化会对氨气挥发量产生强烈影响。因此，土壤氨气挥发的瞬间测定值无法真实反映土壤的实际状况，导致结果缺乏合理性。

现有的收集和测定土壤挥发性氨气的方法和设备仅能收集短时间或瞬间氨气挥发量，没有考虑长时间收集过程中各因素对氨气收集的影响，尤其是温度对氨气挥发量的影响。收集装置内部土壤温度升高，会导致装置内采集点土壤氨气挥发量超过装置外部土壤的实际挥发，收集结果不准确，无法真实反映野外土壤中挥发性氨气的实际挥发状况。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有氨气采集过程中存在的技术问题提供一种野外土壤挥发性氨气连续收集装置，该氨气连续收集装置能够长期放置在野外连续收集土壤中挥发性氨气，收集期间可以实时调节氨气采集器内土壤的温度，保持氨气采集器内外土壤温度一致，使土壤挥发性氨气的收集量与实际情况更加吻合，由于收集过程准确和合理，因此能够更真实反映土壤氨气挥发的实际状况，为掌握土壤氮肥中氮素的损失，确定合理施肥方案提供重要基础数据。

为实现本实用新型的目的，本发明提供一种野外土壤中挥发性氨气连续收集装置，包括氨气采集器、氨气回收器、连接氨气采集器与氨气回收器的连接管道以及调节氨气采集器内外温度的自动控温器。

其中，所述自动控温器包括：

温度测定器，测定野外土壤温度；

风机，设置在所述氨气采集器的内部，通过风机的运行、关闭或运行的快慢，调整所述氨气采集器内部的土壤温度；

温度数据采集器，设置在所述氨气采集器的外部，采集温度测定器测定的氨气采集器内外土壤的温度；

单片机电控器，设置在所述氨气采集器的外部，对采集器内外土壤的温度进行比较，根据比较结果调节所述风机的开启或关闭；

其中，所述温度测定器与所述温度数据采集器连接，所述温度数据采集器与所述单片机电控器连接；所述风机与所述单片机电控器连接。

特别是，所述温度测定器包括：设置在所述氨气采集器的外部，测定所述氨气采集器外部土壤温度的外部温度测定器；设置在所述氨气采集器的内部，测定所述氨气采集器内部土壤温度的内部温度测定器。

尤其是，所述温度测定器设置在表层土壤1.5-2.5cm处，优选为2.5cm。

其中，所述外部温度测定器选择温度计或温度传感器；所述内部温度测定器选择温度计或温度传感器。

特别是，所述外部温度测定器、内部温度测定器分别与所述的温度数据采集器连接。

尤其是，所述外部温度计或外部温度传感器、内部温度计或内部温度传感器分别与所述的温度数据采集器连接。

特别是，所述温度数据采集器、所述单片机电控器设置在所述氨气采集器的外部；所述风机设置在所述氨气采集器的内部。

其中，所述氨气回收器为内部装有能吸收氨气的酸溶液的容器。

特别是，所述氨气回收器为内部装有能吸收氨气的酸溶液的三角瓶、集气瓶或桶。

特别是，所述酸溶液选择硫酸溶液。

特别是，所述酸溶液选择质量百分比浓度为50-60%的硫酸溶液。

特别是，所述氨气回收器的顶部具有溢气口，将酸溶液不能吸收的其他气体排出所述氨气回收器。

特别是，所述连接管道伸入到所述酸溶液内部，通过所述氨气采集器采集的氨气通入到所述酸溶液中，与酸进行反应后被吸收。

尤其是，所述氨气回收器的顶部还具有进气口，所述连接管道通过进气口伸入到所述酸溶液内部。

其中，所述氨气采集器的上部具有集气口，下部开放且与土壤表面连接或设置在表层土壤中密封罩，所述氨气采集器与土壤之间形成密闭空腔，容纳采集的挥发性氨气，土壤挥发的氨气收集在形成的密闭空腔中，通过集气口输送至所述氨气回收器，被吸收。

特别是，所述氨气采集器为上部具有集气口、下部开放的采集罩，其开放的下部与土壤表面连接或设置在表层土壤中，采集器与土壤之间形成密闭空腔，容纳采集的挥发性氨气。

尤其是，所述氨气采集器的开发的下部设置在表层土壤中3-5cm，采集器与土壤之间形成密闭空腔，容纳采集的挥发性氨气。

特别是，所述氨气采集器的开发的下部设置在表层土壤中5cm，采集器与土壤之间形成密闭空腔，容纳采集的挥发性氨气。

特别是，所述氨气采集器采集的氨气经过所述的集气口进入所述的连接管道，进入氨气回收器后与酸溶液反应生成铵盐，形成稳定状态。

通过测定氨气回收器内部铵盐中氮的量，得到一定时间内氨气采集器采集的氨气的量，即得到一定时间内野外土壤因氨气挥发导致的氮素损失总量。

其中，所述连接管道为耐酸的连接管。

本实用新型的有益效果是：

1、本发明的氨气连续收集装置排除了装置内外温差对氨气收集量产生的误差，能够长时期放置在野外，连续自行收集土壤中挥发性氨气，将收集期内土壤挥发出的NH₃全部收集，避免了以短期收集到的NH₃挥发量为平均值引起的换算误差，减少了自然因素和人为因素对测定的干扰，准确反映出因氨气挥发造成的土壤氮素损失，为掌握氮肥利用率、确定合理施肥方案提供依据。

2、本发明的氨气连续收集装置通过自动控温系统，可以实时调节氨气采集器内土壤的温度，保持氨气收集过程中采集器内外土壤温度保持一致，使得土壤挥发性氨气的收集量与实际情况更加吻合，真实反映土壤的实际状况，氨气收集结果更准确、合理。

3、本发明的氨气连续收集装置的自动控温器，设置在氨气采集器内外的土壤温度计与温度数据采集器相连，利用温度数据采集器将氨气采集器内外的土壤温度值分别输入单片机电控器内进行温度比较，当氨气采集器内温度过高，内外温差超出设定范围后，单片机电控器自动启动氨气采集器内的风机，并调节风机的转速和转动时间，进行降温处理，达到温度要求后，风机运行停止，调节氨气采集器内土壤的温度与氨气采集器外土壤的温度相一致，解决了氨气采集器内部温度过高导致氨气挥发量增加，测定值偏高，最终导致不能准确掌握土壤氮素损失，影响施肥方案合理性的弊端。

4、本发明的氨气连续收集装置的氨气回收器内装有能吸收氨气的硫酸溶液，氨气与酸的反应，将一定时期内土壤中挥发出的氨气以铵盐（如(NH₄)₂SO₄或NH₄HSO₄）的形式进行收集和保存。

5、本发明的氨气连续收集装置的氨气回收器的顶部设有溢气口，随时将酸无法收集的土壤其他挥发气体排出，防止收集装置内部气压过大，影响氨气向收集瓶中的扩散运移，保证本发明装置能够连续收集土壤挥发性氨气。

6、通过收集一定面积土壤氨气挥发量，可以换算大面积相同条件下土壤氨气挥发带来的氮素损失，本发明的氨气连续收集装置可以真实反映土壤氨气挥发的实际状况，，对了解土壤氮素损失、掌握氮肥利用率和确定合理施肥方案等都十分有益。

7、本发明的氨气连续收集装置结构简单，易于操作和劳动成本较低的特点。

附图说明

图1是本发明氨气连续收集装置结构示意图；

图2是本发明氨气连续收集装置的氨气回收器示意图；

图3是本发明氨气连续收集装置的自动控温器连接示意图。

附图标记说明

1、氨气采集器；11、集气口；2、氨气回收器；21、进气口；22、溢气口；3、连接管道；4、自动控温器；41、外部温度测定器；42、内部温度测定器；43、温度数据采集器；44、单片机电控器；45、风机；5、土壤；6、酸溶液；7、活塞；8、三角瓶。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明的野外土壤挥发性氨气连续收集装置由氨气采集器1、氨气回收器2、连接氨气采集器与氨气回收器的连接管道3以及调节氨气采集器内外温度的自动控温器4组成。

所述氨气采集器1为上部具有集气口11，下部开放的密封罩，其开放的下部与土壤表面连接或设置在表层土壤中，采集器1与土壤5之间形成密闭空腔，容纳采集的挥发性氨气，土壤挥发的氨气收集在形成的密闭空腔中，通过集气口11输送至所述氨气回收器，被吸收、固定。

氨气采集器1用于采集一定面积土壤中挥发性氨气，与土壤形成密闭空间，具有密封性，防止收集过程中氨气的泄漏。

所述氨气回收器2为内部装有能吸收氨气的酸溶液6的容器，所述容器可以为三角瓶或集气瓶。在氨气回收器2的顶部设置有进气口21和溢气口22，如图2所示，其中溢气口22将酸溶液不能吸收的其他气体排出所述氨气回收器2，防止收集装置内部气压过大，影响氨气向收集瓶中的扩散运移，保证本发明装置能够连续收集土壤挥发性氨气；将所述连接管道3通过进气口21伸入到所述酸溶液内部，将氨气采集器1采集氨气送入氨气回收器2内部，氨气与装在氨气回收器2内部的酸发生化学反应，生成铵盐，被吸收和固定。

通过测定氨气回收器2内部生成的铵盐中氮的含量，确定利用本发明氨气连续收集装置收集的挥发性氨气的量，计算土壤中挥发的氨气，了解野外土壤氮素因为氨气挥发造成的氮素的损伤状况，掌握土壤氮肥的利用率，确定合理的施肥方案。

氨气回收器2内部装有的酸溶液选择质量百分比浓度为50-60%的硫酸溶液，本发明实施例中选择浓度为60%的硫酸溶液。

NH₃和H₂SO₄的反应以及气体扩散理论，可以将收集期内氨气采集器1采集的土壤中挥发出的氨气以(NH₄)₂SO₄或NH₄HSO₄的形式进行收集和保存。

为保证氨气全部收集，连接管道3要伸至氨气回收器内部酸溶液的底部。

所述连接管道3为耐酸的连接管，将所述氨气采集器1与氨气回收器2连接，连接管道3的一端与氨气采集器1上部的集气口11连接，另一端通过氨气回收器2顶部的进气口21伸入到氨气回收器2内部酸溶液6的底部。气体扩散理论保证挥发性氨气在氨气连续收集装置中的自由扩散移动，将氨气采集器1采集的氨气输送至氨气回收器2内，与氨气回收器2内的酸溶液反应形成稳定的铵盐被吸收保存。

本发明中的连接管道3采用耐酸的玻璃管，玻璃管的一端与氨气采集器1上部的集气口11连接，另一端通过氨气回收器2顶部的进气口21伸入到氨气回收器2内部酸溶液6的底部，保证氨气全部被收集和固定。

所述自动控温器4包括：

设置在所述氨气采集器的外部的外部温度测定器41，实时测定所述氨气采集器外部土壤的温度；

设置在所述氨气采集器的内部的内部温度测定器42，实时测定所述氨气采集器内部土壤的温度；

设置在所述氨气采集器的内部的风机45，通过风机的运行、关闭或运行的快慢，调整所述氨气采集器内部的土壤温度；

设置在所述氨气采集器的外部的温度数据采集器43，采集温度测定器测定的氨气采集器内外土壤的温度；

设置在所述氨气采集器的外部的单片机电控器44，对采集器内外土壤的温度进行比较，根据比较结果调节所述风机的开启或关闭；

其中，外部温度测定器和内部温度测定器分别与所述温度数据采集器连接，所述温度数据采集器与所述单片机电控器连接；所述风机与所述单片机电控器连接，自动控温器的连接示意图如图3所示。

本发明实施例中外部温度测定器41选择土壤温度计，内部温度测定器42选择土壤温度计；除了选择温度计之外，其他如温度传感器也适用于本发明。

自动控温器4实时测定氨气连续采集装置外的土壤温度T₁、氨气连续采集装置内的土壤温度T₂，与测定土壤温度的温度测定器41、42相连接的温度数据采集器43将测定的氨气连续采集装置内外的土壤温度T₁、T₂分别输入单片机电控器44内，将T₁、T₂进行相互比较，当T₂-T₁≥1℃时，内外温差超出设定范围，自动控温器4自动开启设置在氨气采集器1内部的风机，并根据内外温差的大小，调节风机的转速和开启时间，对氨气采集器1内的土壤进行降温处理，直到T₂-T₁≤0.5℃时，自动控温器4自动停止风机的运行。

由于野外土壤温度变化会对挥发性氨气的收集结果产生明显影响，因此需要保持收集装置内外温度保持一致，减少和避免温度对氨气挥发量的影响。当将氨气采集器长时间扣置在土壤表层时，由于温室效应，会造成采集器内部土壤温度明显高于采集器外部的实际温度，导致采集器内部土壤NH₃挥发量高于实际土壤挥发量，进而在回收瓶中形成超出实际的铵盐量和氮量测定值，由于土壤挥发性NH₃的含氮量是计算土壤氮肥利用率的重要指标，因此，高于实际的收集量会对氮肥损失和利用率的准确掌握产生影响。

本发明的氨气连续收集装置在野外长期收集过程中，环境因素、气候因素等影响土壤中挥发性氨气的挥发，尤其是温度的影响尤为严重，温度高，挥发性气体挥发量增加。本发明的自动控温器通过单片机电控器44自动调控风机的运行、关闭或运行的快慢等，调节氨气采集器内部的温度，使得氨气采集器内外的土壤温度保持一致，排除了长期收集过程中内外温差带来的影响，解决了氨气采集器内部温度高于外部土壤温度带来的氨气挥发量过大、收集结果不准确和缺乏真实性的技术问题。

下面结合附图1详细说明本发明的野外土壤挥发性氨气连续收集装置的工作过程。

1、将顶部具有开口、底部开放、四周密封的氨气采集罩即氨气采集器1放置在野外土壤5表面，并使其底部埋入土壤表层中或与土壤表面紧密连接，或者将氨气采集器1开放的底部埋在土壤下3-5cm，优选为5cm，使得氨气采集器与土壤之间形成容纳采集的挥发性氨气密闭空腔，土壤挥发的氨气收集在形成的密闭空腔中，然后通过顶部开口（即集气口）被输送至所述氨气采集器的外部；

2、设置温度测定器，即将土壤温度计或温度传感器放置在土壤表层1.5-2.5cm处，其中放置在所述氨气采集器1外部的土壤温度计，用于测定本发明氨气连续收集装置外部的土壤温度T1，设置在本发明氨气连续收集装置外部的土壤温度计或温度传感器为外部温度计或外部温度传感器41；放置在所述氨气采集器1内部的土壤温度计或温度传感器，用于测定本发明氨气连续收集装置内部的土壤温度T2，设置在本发明氨气连续收集装置内部的土壤温度计或温度传感器为内部温度计或内部温度传感器42；

本实施例采用土壤温度计测定土壤的温度，土壤温度计设置在土壤表层2.5cm处。

3、将外部温度计或外部温度传感器41、内部温度计或内部温度传感器42，通过导线分别与设置在氨气采集器1外部的温度数据采集器43相连，通过导线将温度数据采集器43与单片机电控器44相连，通过导线将单片机电控器与风机45相连，风机安装在氨气采集器1与土壤表面形成的内部空腔中，温度数据采集器43与单片机电控器44安装在氨气采集器的外部；

温度测定器测定的本发明氨气连续收集装置内外的土壤温度输送至所述温度数据采集器43，接着温度数据采集器43采集的本发明装置内外土壤温度T₁、T₂输入单片机电控器44内，单片机电控器44对T₁、T₂进行比较，当T₂-T₁≥1℃时，内外温差超出设定范围，自动控温器4自动开启设置在氨气采集器1内部的风机，并根据内外温差的大小，调节风机的转速和开启时间，对氨气采集器1内的土壤进行降温处理，直到T₂-T₁≤0.5℃时，自动控温器4自动停止风机的运行；

4、氨气采集器1持续将一定土壤面积上挥发的氨气收集在氨气采集器1与土壤表层形成的内部空腔中，然后经过与氨气采集器1顶部的集气口11相连接的耐酸连接管道3将氨气输送至氨气回收三角瓶（即氨气回收器2）中，连接管道3通过氨气回收瓶顶部设置的进气口21伸入到氨气回收瓶底部，氨气与盛装在氨气回收三角瓶内的质量百分比浓度为50-60%的硫酸溶液进行化学反应，生成硫酸铵盐（(NH₄)₂SO₄）或硫酸氢铵盐（(NH₄)HSO₄），而被吸收和固定；不能被硫酸吸收的其他气体通过氨气回收瓶顶部设置的溢气口22排出，防止收集装置内部气压过大，影响氨气向收集瓶中的扩散运移，保证本发明装置能够连续准确收集土壤挥发性氨气。

5、完成采集后（采集期可以为一个作物生长期）后，采用凯氏定氮法测定氨气回收三角瓶内氨气回收溶液中氮（N）含量

回收液中氮含量计算公式如下：

V_N(g)=（V₁-V₀）×C×0.014×1000

其中:V_N为氮含量，g/L；

V₁为滴定回收溶液所耗盐酸或硫酸标准溶液体积，ml；

V₀为滴定空白溶液所耗盐酸或硫酸标准溶液体积，ml；

C为盐酸或硫酸标准溶液浓度，mol/L；

0.014为氮原子的摩尔质量，g/mmol。

通过测定计算得到的氮量为氨气采集期内野外土壤中挥发性氨气产生的氮素损失总量，由于凯氏定氮法是普遍公认、信赖并接受的方法，因此保证结果准确，能够真实反应土壤中挥发氨气引起的氮素损失状况。

本发明的氨气连续收集装置可以对土壤中挥发出的NH₃进行长期全部收集，如，作物的一个生长期，并准确测定出因此带来的土壤氮素损失，避免了以短期收集到的NH₃挥发量为平均值进行换算造成的误差，可以更好地掌握土壤中NH₃挥发引起的氮素损失，为了解氮肥利用率提供更加准确的基础数据。

Claims

1.一种野外土壤中挥发性氨气连续收集装置，包括氨气采集器（1）、氨气回收器（2）、连接氨气采集器与氨气回收器的连接管道（3）以及调节氨气采集器内外温度的自动控温器（4）。

2.如权利要求1所述的氨气连续收集装置，其特征是所述自动控温器（4）包括：

温度测定器，测定所述氨气采集器内外土壤温度；

风机（45），设置在所述氨气采集器（1）的内部，通过风机的运行或关闭调整所述氨气采集器内部的土壤温度；

温度数据采集器（43），设置在所述氨气采集器（1）的外部，采集温度测定器测定的氨气采集器内外土壤的温度；

单片机电控器（44），设置在所述氨气采集器（1）的外部，对采集器内外土壤的温度进行比较，根据比较结果调节所述风机的开启或关闭；

其中，所述温度测定器、温度数据采集器、单片机电控器、风机依次顺序连接。

3.如权利要求2所述的氨气连续收集装置，其特征是所述温度测定器包括：设置在所述氨气采集器（1）的外部，测定所述氨气采集器（1）外部土壤温度的外部温度测定器（41）；设置在所述氨气采集器（1）的内部，测定所述氨气采集器（1）内部土壤温度的内部温度测定器（42）。

4.如权利要求1或2所述的氨气连续收集装置，其特征是所述氨气回收器（2）为内部装有能吸收氨气的酸溶液（6）的容器。

5.如权利要求4所述的氨气连续收集装置，其特征是，所述酸溶液（6）选择硫酸溶液。

6.如权利要求4所述的氨气连续收集装置，其特征是，所述氨气回收器（2）的顶部具有溢气口（22），将酸溶液不能吸收的其他气体排出所述氨气回收器。

7.如权利要求4所述的氨气连续收集装置，其特征是，所述连接管道（3）伸入到所述酸溶液内部，通过所述氨气采集器（1）采集的氨气通入到所述酸溶液中，与酸进行反应后，以铵盐的形式被保存。

8.如权利要求1或2所述的氨气连续收集装置，其特征是所述氨气采集器（1）的上部具有集气口（11），下部开放且与土壤表面连接或设置在表层土壤中的密封罩，所述氨气采集器与土壤之间形成密闭空腔，土壤挥发的氨气在形成的密闭空腔中，通过集气口（11）输送至所述氨气回收器中以铵盐的形式被保存。

9.如权利要求1或2所述的氨气连续收集装置，其特征是所述连接管道（3）为耐酸的连接管。