AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统

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1 引言

土壤中水、热和溶质状况的变化并不是独立的,而是相互制约、相互影响,是一个耦合变化过程。土壤中水、热、溶质的运移研究,是土壤中物质、能量运移与转换研究的重要组成部分,是土壤—植物—大气连续体研究中的重要内容之一。上世纪中叶以来,国内外学者对土壤中水、热、溶质同步运移的有关问题做了大量研究,并从理论上发展了各种模型以描述其运动与影响因素,使本领域的研究有了较大的发展。但综合性的描述和研究土壤中水、热、溶质耦合运移的文献较为少见。

近年来,由于化肥和农药使用量的日益增多、工业废水的大量排放、污染物的不当处理等,农药、重金属等在土壤中的迁移及其对土壤和水体的污染等已成为世界性的严重问题,这些都必须根据土壤水热、溶质运移的理论和特性加以研究和进行管理。此外,在干旱、半干旱地区强烈蒸发条件下,土壤盐分或地下水可溶性盐类通过水的垂直或侧向运动向地表累积,这是土壤积盐过程最为普遍的形式,也是发生盐渍化的主要原因,土壤中水、热、溶质耦合运移机理和模型的研究,对盐渍土的改良、促进农业的可持续发展、保护生态环境等方面都有重要的指导意义。

 

 

2 观测系统设计

 

2.1 目标

 

土壤水热、溶质耦合运移是一个十分复杂的物理化学过程,经过国内外科研工作者近数十年的努力,目前已经建立了很多理论模型。但模拟研究得出的模型亟需在田间实际条件下进行验证和拟合,从20世纪70年代起,研究工作开始由实验室走向田间,研究者发现室内研究结果跟田间有很大差别。因此,更加深入的研究需要更为先进的观测手段。

AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统以水分及溶质在土壤系统中的传递为纽带,充分考虑土壤水热及溶质在不同层次和水平面上的传递过程,进行土壤水热相关的原位长期定位监测,数据采集器自动采集数据;同时在不同深度对孔隙水和排水进行原位抽提取样,测定不同层次土壤溶质的组成。为深入研究土壤水热和溶质耦合运移的规律以及土壤水热和物质平衡提供先进的观测手段和科学技术。

 

AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统将实验室模拟土柱单元作为可选项,满足室内模拟试验研究的需要。该单元采用某一特定高度的微型土柱,填装原状土样,沿土体剖面埋设高精度土壤水分和水势、土壤温度传感器,数据采集器自动采集数据,从而精确测量土壤水分的变化梯度;沿土体剖面埋设土壤溶液自动取样器,利用全自动离子分析单元土壤溶质浓度及梯度分析。

 

2.2 样品采集及传感器布设

 

原状土柱样品通常为直径1m,高度2m的土体,应用专利设计的原状土取样技术,采用不带有圆形切割刀具的开挖工具,可以避免土壤扰动及土柱罐体附近土壤的流动。然后在罐体30cm、60cm、120cm和180cm深的位置分层分别安装土壤水分、土壤水势、土壤温度传感器以及土壤溶液抽提取样器。此外在罐体周围的田间,依照罐体内传感器的层次埋设对应传感器,以实时监测原状土柱内外参数的变化和修正其偏差。

室内模拟试验土柱,根据研究需要选择直径30cm、高度为30cm或60cm或120cm的罐体,采集原状土或用进行了预处理的特定类型土壤,进行装填。300mm高的土柱沿土体剖面按3个层次(5,15和25cm)、600mm高的土柱沿土体剖面按4个层次(5,10,30和55cm)、1200mm高的土柱沿土体剖面按5个层次(10,30,55,80和115cm)分别安装土壤水分、土壤水势传感器和土壤溶液抽提取样器。

 

2.3 数据采集频率

 

土壤水分、土壤水势和土壤温度的数据采集时间间隔可通过数采进行统一设置为1、5、10、30s,或1、5、10、30min,或1、2、4、12、24h,也可每个通道单独设定合适的采集时间间隔。

土壤溶液抽提取样通常情况下每2周取样一次,植物生长季频率适当增高。每当有降雨或灌溉操作,则在降雨或灌溉之后几个小时内进行抽提取样。

 

2.4 观测指标

 

土壤水热参数:土壤水分、土壤水势、土壤温度及其梯度变化。

土壤溶质参数:亚硝酸盐、硝酸盐+亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、铵离子、钙离子、氯离子、铁离子、总磷、总氮、硫酸盐、碱度、硬度、氯化物、六价铬、氰化物、联氨、挥发酚等浓度及其梯度变化。

 

2.5 观测系统组成

 

AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统由土壤水分、土壤水势和土壤温度剖面观测单元,原状土柱罐体或者实验室土柱,土壤离子自动分析单元共同组成。

 

3 数据处理

 

从数据采集器定期下载土壤水分、土壤水势和土壤温度的数据,分析其与土壤溶质浓度及迁移速率的关系,建立其相互之间的函数相关关系。建立最接近于真实条件、具有广泛适应性的土壤水热和溶质运移理论模型。

 

 

4 应用案例

4.1 澳作MS-LY土壤溶质运移观测系统948引进项目取得重要进展

----来源:黑龙江省水利科学研究院

黑龙江省水利科学研究院承担的水利部“948”计划项目进展顺利。该项目的重要环节,引进、安装澳作公司独家代理的德国UMS公司生产的土壤科学蒸渗仪工作,已于2009年5月26日至5月29日,在黑龙江省水利科学研究院综合试验研究基地完成,标志着该项目的技术引进工作已经结束,即将进入技术的消化、吸收再创新阶段。

课题组全体人员与德国2名专业技术人员、北京澳作生态仪器有限公司3名技术人员,在现场共同完成了引进设备的取原状土、传感器安装、土柱吊装、仪器调试、现场培训等工作,整个安装调试过程进展顺利。目前,土壤溶质运移观测系统地表区域已经种植了玉米,并开始试应用和试验研究工作。

 

4.2 巴伐利亚国家水管理局在河漫滩安装土壤水热溶质耦合运移观测系统来研究水通量及溶质的运移

 

巴伐利亚国家水管理局Michael Gierig教授在位于慕尼黑南40公里处的河漫滩安装了8套土壤水热溶质耦合运移观测系统,规格均为1米直径,2米深。主要研究目的是在实际条件下测量污染区域的污染物如何渗透到地下水中去的,此调查涉及的污染物范围较为广泛,包括重金属(如砷、铅、铬、镉、铊)和多环芳烃等。


 

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