渗漏计

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在容器或框体内盛放土柱收集不同深度渗漏水测定可溶性物质渗漏淋失的研究装置或是一种收集来自土壤孔隙水分和用于测定田间排水中可溶性成分的装置。
中文名
渗漏计
外文名
Lysimeter
用    途
用于测定田间排水中可溶性成分
应用领域
农业化学与环境化学

渗漏计学术定义

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渗漏计(Lysimeter,ライシメータ):(A device for collecting water from the pore spaces of soils and for determining the soluble constituents removed in the drainage)。该词源于希腊文,lysi源于lysis,即“释放、分离、排泄”的意思;meter源于metron,即“测量、计测器具”之意。

渗漏计历史沿革

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该项研究装置最初用于水文学研究中蒸发量之测定,称为蒸渗仪。1850年后导入土壤化学研究,称为渗漏计或排水收集器。最早的渗漏计称为重力渗漏计(pan lysimeter),它是依靠重力作用回收土壤孔隙水的,为此它必须在土壤处于水饱和状态下工作。1961年由 P.E. Skaling和George H. Wagner首次发明吸力渗漏计(suction lysimeter),它是由真空泵与之相连结的采水多孔陶土头(porous ceramic cup)组成,利用负压通过陶土头抽汲回收土壤孔隙水,这样一来,它也可以在水不饱和土壤条件下利用吸力采集到土壤孔隙水。后来,又附加了一个压力端口,组成所谓“压力/真空渗漏计”(pressure/vacuum lysimeters),这种新式的渗漏计使渗漏计可以应用于更深的剖面深度,以致探测的精度达到1×10-9。

渗漏计测定精度

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为了实现高测定精度,在此应该考虑三个方面的因素。一是采水器多孔界面物质的选用,它是渗漏计最重要的一个性能,它必须有一个具有无数孔隙的亲水表面界面以维持连续的水流,其孔隙容积应该不少于10%,同时孔隙的大小应该小到使其气泡压力(air pressures or bubbling pressures)大于10 psi (1 psi = 6.89 千帕)。可供选择的材料有四种:多孔塑料膜;多孔塑料型材;烧结金属材料;陶土。前三种具有明显的功能上的缺陷。唯有最后一种——陶土材料是长期以来被认可和采用的,特别是由于它的惰性和坚韧性。
二是多孔界面材料的空气吸入值(Air entry values),它直接影响到渗漏计的工作能力(最大满真空值14.7psi).早期的渗漏计只能在土柱达到水饱和状态下工作类似于水流落入渗漏池内,而如今的吸力渗漏计或加压/吸力渗漏计则是依靠其均一充水孔隙的表面将水分从土壤中抽汲出来,通过界面孔隙进入渗漏水取样器中.如果取样器界面材料的孔隙不能达到足够的小和均一度,那么渗漏水流就会在取样器与土壤之间被阻断. 以致水和空气就无法在真空条件下进入取样器。取样器的采水多孔界面的最大工作真空值应达到14.7 psi, 如果其工作能力在5psi以下,那么该取样器只能在土壤处于水饱和状态下才能采集到土壤孔隙水.
三是采水器的粘结剂与结构是确保成功采样的又一技术关键.在此双面环氧树脂被认为是粘结不同膨胀系数材料的最理想的胶结剂,高级环氧树脂具有特出的防水渗入性能.可持续多年不会产生挥发物质或有机碳氢化合物.如有可能,材料最好是采用在物理上可亲和的或同类材料,以避免可能的裂隙污染.
至今,人们已经开发出各种各样大小和形状的渗漏计,包括从最古老的重力渗漏计到非常小的杯式采样器乃至大型的标准吸力渗漏计和压力/真空渗漏计。从平板式采样器到更通用的园筒式采样器,渗漏计的设计满足了人们各种各样的研究目的。

渗漏计研究领域

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渗漏计在农业化学与环境化学研究领域,主要用于观测营养物质随渗漏水向剖面下方移动乃至进入地下水的规律。尤其是近半个世纪以来,已广泛用于养分物质在土壤剖面中的迁移及其渗漏损失研究,并进而扩及到肥料、农药、除草剂等农化物质成分的潜在毒性废弃物的土壤残留的地下水污染的研究。它由四个基本部分组成:四周密闭而底部或(及)测壁具有排水通道的容器或框体;垫有滤板或滤层的原状土柱或回填土柱;渗漏水采集系统;应研究目的而附设的各种传感器及数据截获系统。在德、法、美、英、荷、奥、意、日、菲律宾、瑞典及加纳等国,相继建成不同规模的养分渗漏测定装置。在中国,1990年由国家统一部署投资,在北京昌平马连洼、浙江杭州、四川重庆、河南郑州、陕西杨陵、吉林分主岭等7个地点,建成中国最大的养分渗漏计群。单个池体面积为0.79-4平方米 (平均1.75平立米),土柱高度1-2米,每个池体设有排水测孔5-18个.该项设施附属于国家土壤肥力和肥料效益监测基地,为农业化学物质在土壤中的残留及渗漏损失监测研究服务.

渗漏计工作原理

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在模拟田间条件下,依靠重力作用或负压抽汲采集土柱剖面不同层次的渗漏水,测定目标养分离子或污染离子的动态变化,探明离子的下淋量及其规律,也可在人为附加条件下,利用土柱不同深度的测孔插入各种传感器探头,监测相关农业化学性质的动态变化(如土壤温度,水势,容重,氧化还原电位,氧通量乃至根系分布密度等),为植物营养研究提供有用的科学参数.

渗漏计装置类型

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根椐研究目的和研究规模而定。(1)容器种类。按大小可分为大型和小型两种,大有可达6-8立方米,小的则仅0.1-0.2立方米;按形状可分为框体形和园柱形;底部又可分为锥底型和平底型;按材料分则有铁质、钢质、不锈钢、陶土、混凝土、玻璃钢及PVC塑料等。(2)土柱类型。按位置可分为原位与非原位两种,原位又查分为套框式和埋筒式;按扰动状况分为原状土柱和回填土柱,原状土柱有原位和非原位,回填土柱有全埋式或半埋式。(3)覆盖作物。分为种植作物或裸地状况;种植又分为单作和多作定位。(4)观测方法。测孔布局有单孔型和多孔型,多孔型又分为单列多孔型和多列多孔型;单孔型用于不同土柱深度系列的观测。按位置又可分为野外和室内两种,野外又分为田间和网室,室内分为温室和人工气候室

渗漏计设计基准

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渗漏计设计的基本要求是在尽可能接近自然或田间状况下从土壤基质中收集渗漏液,为此要求做到:(1)尽量少扰动的典型土柱;(2)尽可能接近田间状况的土柱环境;(3)有效的渗漏水采集系统。

渗漏计建造工艺

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原状土柱的采集与安装可分为吊装法和移位法两大类。在美、英、德等国多采用吊装法,即在土柱周围挖掘、边用液压机功负重块将附有钢质环刀的园筒套入土柱,再借助液压机将方形钢板顶入土柱下方以切断土体,最后用吊车将土信吊离土坑的方法。在中国,安徽省滁县地区农科所在1987年采用“顶推移位工艺”完成四只纯重7.34吨原状土柱的移位。浙江省农业科学院土壤肥料研究所在1990年则采用500千克葫芦拉曳移位工艺,完成了八个4立方米 (2.0×2.0×1.0)立方米原状土柱现滤层基座的合拢.回填土柱采用分层采挖,按原层序回填并结合灌木沉实功干湿交替的方法,使土柱尽可能回复到田间状态.土柱下方应垫设厚度为10-20厘米的滤层,滤层由砾石,粗砂,细砂,硅藻土组成,土柱与滤层之间为透水砼或多孔陶质滤板或多孔泡沫硬质塑料板.土柱与容器壁的接缝,采水管道和传感器插入部位,土柱框体与滤层基座的接合部位,均应进行严密防渗处理.

渗漏计测定技术

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土壤渗漏水的采集可利用重力或负压抽汲.负压系统最大工作压力在74.66千帕即已足够,可附加电流探制装置使其张力始终维持在略高于土壤吸力的水平.渗漏水抽滤头的材料有陶土,瓷土,聚四氟乙烯等,应研究目的而定. 聚四氟乙烯抽滤头的养分离子透过性最佳,但在粘粒含量低的土壤上不适用.陶土抽滤头在酸性条件下会出现离子污染(尤其是CA,NI,ZN,FE等).此外,在渗漏水采集通道貌岸然中,还可插入各种传感器探头,来检测与植物营养有关联的各种理化参数.

渗漏计研究成就

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应用渗漏计的农化研究重点是探测施入土壤中的厩肥,城市垃圾,污泥,氮磷钾化肥,石灰物质以及其它农化物质中的成分离子的去向(土壤残留,淋失,径流冲失)及可能污染.如日本在甘蓝上研究,测知施入氮有20-40%渗漏损失,并确认降水量是肥料氮淋失最主要的影响因子.美国的研究发现,氮肥的淋失与土壤类型(吸收性能),作物覆盖程度,氮肥施用方法有密切关系,并确认施加绿肥,厩肥,三叶草等有机物可以减少化肥氮的淋漏损失,德国的中国的研究还证实,使用硝化抑制剂可明显减少施入氮的NO3-N淋失,并确认不同氮素形态的淋失率是NO3-N>NO2-N>NH4-N.王家玉等应用大型稻田原状土柱渗漏计研究发现,稻田土壤中氮的渗漏淋失的主要形态是硝态氮,而不是铵态氮;氮淋失呈现明显的季节性变化,主要与土壤温度与渗漏水量呈同步相关;氮肥用量与氮肥品种对氮淋失有重要影响;常量施用氮肥的渗漏淋失率最大可接近10%,在超量施氮情况下则会更高。

渗漏计参考书目

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Brady,Nyle,C.,The Nature and Properties of Soils. Macmillan Publishing Co., New York,1974.
王家玉, 王胜佳,陈义,郑纪慈, 李超英, 计小江:稻田土壤中氮素淋失的研究. 《土壤学
报》,1996,33(1):28-35.
王家玉, 王胜佳,陈义,郑纪慈:稻田土壤中N 的渗漏损失研究. 《应用生态学报》,1995,
6:62-66.
Wang Jia yu (王家玉), Wang Sheng jia and Chen Yi: Study on leaching loss of nitrogen in ricefields by using large undisturbed monolith lysimeters. Pedosphere, 1994, 4(1): 87-92;
Wang Jia yu (王家玉), Wang Sheng jia and Chen Yi: Leaching loss of nitrogen from double-cropped paddy fields in China. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 1995, 7(3): 155-160.
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