專利名稱：一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法
技術領域：
本發明涉及一種隨淺層地下水水位升降過程中土壤中氮或磷等可溶性元素淋洗遷移的觀測方法，該方法特別適應于模擬地下水埋深較淺的農田，屬于農業技術領域。該方法為隨淺層地水位升降過程中氮磷等元素流失量的觀測提供了新途徑。
背景技術：
現代農業生產中，農民為了追求作物高產，在種植過程中大量的施入化學氮磷等肥料，除小部分被作物吸收利用外，其中一大部分氮磷等隨著土壤水分入滲和淺層地下水位升降淋溶到地下水中，造成地下水污染嚴重。特別是在淺層地下水埋深較淺的農田土壤中，隨地下水位的升降，氮磷等淋洗量更加強烈。地下水中氮磷的濃度一般低于土壤中氮磷濃度，隨地下水位的升高，土壤中高濃度的氮磷含量會溶解到地下水中，并隨著水位的降低，大量的氮磷會被地下水帶到更深的地下水層，不但污染了地下水層，也造成氮磷等元素的大量流失，因此，研究觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷元素的淋洗量，能為氮磷污染地下水的預測提供科學依據。目前，對農田土壤中氮磷等元素淋溶遷移的研究一般是修建田間試驗小區，在實驗小區挖土壤剖面，再在不同土層放置容器，引出滲入容器的氮磷等元素淋溶遷移液進行檢測，或在模擬的土柱不同土層中安裝容器或管道，引出滲入各土層的容器或管道內的氮磷等元素淋溶遷移液進行檢測。這些試驗裝置可以檢測不同土層中氮磷等元素淋溶遷移情況，但對于農田土壤中大量氮磷等元素淋溶遷移至深層土壤后，隨著淺層地下水位升降，氮磷被淋洗到地下水中的情況無法觀測，導致對農田土壤中大量流失的氮磷等元素淋溶物的流失規律、地下水等環境的嚴重污染情況無法檢測。同時，由于田間地下水邊界條件難以限制，無法采用田間試驗小區對隨著地下水位升降造成的氮磷等元素淋洗到地下水中的情況進行觀測。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術對農田土壤中大量氮磷等元素淋溶遷移至深層土壤后，隨著淺層地下水位升降，其氮磷等元素被淋洗到地下水中的情況無法監測的缺陷和不足，提供一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法。本發明所述的一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，是用一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置對隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷等元素淋洗量進行觀測，其步驟如下:A.在向盛土桶里裝入土壤前，先測定所取土壤不同土層的土壤容重，同時取出所取土壤原地的淺層地下水，然后在盛土桶里按自然土層分布分層裝入所取的土壤，該土壤在盛土桶內存放30天，然后取下盛土桶上各土層的橡皮塞，分別從各取土樣孔中取出土樣，分別測定不同土層土壤中的氮元素或磷元素含量；隨后，在盛水桶內加入所述的地下水，加入的地下水的量需使該地下水上升到盛土桶內，測量自盛水桶底面至地下水水面的地下水位高度，記為H1 ；B.地下水升到盛土桶內2 3天，然后開啟出水龍頭放水，當地下水位下降至盛土桶底面之上時，關閉出水龍頭，測量自盛水桶底面至地下水水面的地下水位高度，記為H2,同時，取下在盛土桶上地下水位升降區域內的一個橡皮塞，從該橡皮塞位置的取土樣孔中取出土樣，測定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，記為S2 ;或地下水位升到盛土桶內2 3天，然后開啟出水龍頭放水，當地下水位下降至盛土桶底面之下時，關閉出水龍頭，測量自盛水桶底面至盛土桶底面的高度，記為H3,同時，取下在盛土桶上地下水位升降區域內的一個橡皮塞，從該橡皮塞位置的取土樣孔中取出土樣，測定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，記為S3 ；C.根據如下公式I或公式II，計算隨淺層地下水升降過程中土壤中氮或磷元素的淋洗量；①地下水位下降至盛土桶底面之上時，用公式I計算隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量:公式 I =M1 = [ (S1-S2) rj X [ (H1-H2) Q]公式I中=M1為地下水位下降至盛土桶底面之上時隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，單位為SA1為步驟A在向盛水桶加入淺層地下水前測得的土壤中氮元素或磷元素含量，單位為mg/kg，并且S1所取土樣的取土樣孔與步驟B測定S2時所取土樣的取土樣孔相同，S2為步驟B測得的土壤中氮元素或磷元素含量S2，mg/kg ；Γι為步驟A在向盛土桶里裝入土壤前，先測得的土壤容重，并且該土壤容重是在盛土桶地下水位升降區域內的土壤的土壤容重，單位為g/cm3 為步驟A所述的地下水位高度，單位為m ；H2為步驟B所述的地下水位高度H2,單位為m ；Q為盛土桶的底面積,單位為m2 ；
②當地下水位下降至盛土桶底面之下時，用公式II計算隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量:公式II =M2 = [ (S1-S3) r2] X [ (H1-H3) Q]公式II中:M2為地下水位下降至盛土桶底面之下時隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，單位為SA1為步驟A在向盛水桶加入淺層地下水前測得的土壤中氮元素或磷元素含量，單位為mg/kg，并且S1所取的土樣的取土樣孔與步驟B測定S3所取土樣的取土樣孔相同，S3為步驟B測得的土壤中氮元素或磷元素含量S3，mg/kg ；r2為步驟A在向盛土桶里裝入土壤前，先測得的土壤容重，并且該土壤容重是在盛土桶地下水位升降區域內的土壤的土壤容重，單位為g/cm3 為步驟A所述的地下水位高度，單位為m ；H3為步驟B所述的自盛水桶底面至盛土桶底面的高度，單位為m ；Q為盛土桶的底面積，單位為m2 ；所述的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置是在盛土桶的桶壁沿盛土桶軸向方向自桶壁頂端至桶壁底端設置有無色透明的觀測區，在無色透明的觀測區上自上而下設置有取土樣孔，距離盛土桶桶口最近的取土樣孔與盛土桶桶口相距200mm 300mm,其余取土樣孔間距為100mm,每個取土樣孔孔口設置有橡皮塞,盛土桶的底面設置有一個以上的滲水孔，盛土桶內的底面上設置有尼龍網；盛土桶底面的外部固定連接有3個以上的支撐腳，盛土桶放置在盛水桶內，在盛水桶的桶壁沿盛水桶軸向方向設置有凹形開口，凹形開口底邊至盛水桶底面的高度與盛土桶的支撐腳高度相等，兩條凹形開口豎直邊分別與相對應的無色透明的觀測區豎直邊密封連接，凹形開口底邊與無色透明的觀測區的底邊密封連接，盛水桶的側壁下部設置有出水龍頭。所述的滲水孔的孔徑為30mm,尼龍網的孔徑為0.5mm,取土樣孔的孔徑為30mm。在無色透明的觀測區上還可以設置有刻度尺(4)，以更方便觀測地下水位的升降。本發明模擬地下水位升降過程中土壤中氮或磷等元素淋溶的實際情況，可實時監測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷等元素的淋洗量，彌補了目前不能定量觀測隨淺層地下水位升降過程中深層土氮或磷等元素的流失量問題。不但可以觀測隨淺層地下水位升降過程中地下水中氮或磷等元素濃度的變化(可取隨地下水位升降過程中盛水桶中水樣，測定地下水中氮或磷等元素濃度)，同時還可以觀測隨淺層地下水位升降區土壤中氮磷等元素的淋溶量。該方法能為農田面源污染的機制研究提供合理、科學的數據。本發明不但能觀測氮或磷元素，還可以觀測其它可溶于水的其它元素。本發明所用的一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷等元素淋洗量裝置設計巧妙、結構簡單、方便修建、操作維護便捷。
圖1是本發明所用的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置的結構示意圖。圖2是盛土桶的結構示意圖。圖3是盛水桶的結構示意圖。圖4是本發明所用的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置的主視圖。圖5是本發明所用的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置的俯視圖。圖6是實施例1中地下水位上升和地下水位下降至盛土桶(I)底面之上時，測量地下水位高度H1和H2的示意圖。圖7是實施例2中地下水位上升和地下水位下降至盛土桶(I)底面之下時，測量地下水位高度H1和測量自盛水桶(8)底面至盛土桶(I)底面的高度H3的示意圖。圖中各標記依次表不:I一盛土桶、2—無色透明的觀測區、3—橡皮塞、4一刻度尺、5—支撐腳、6—滲水孔、7—出水龍頭、8—盛水桶、9 一無色透明的觀測區豎直邊、10—凹形開口、11一凹形開口底邊、12—凹形開口豎直邊、H1表示地下水位上升到盛土桶內的地下水位高度，H2表示地下水位下降至盛土桶底面之上時地下水位高度，H3表示地下水位下降至盛土桶底面之下時，自盛水桶(8)底面至盛土桶底面的高度。
具體實施例方式實施例1實施例1是地下水位下降至盛土桶I底面之上時，使用公式I計算隨淺層地下水升降過程中土壤中氮或磷元素的淋洗量的實施例。
結合如圖1一圖6，本發明用一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置對隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷元素淋洗量進行觀測，其步驟如下:A.在向盛土桶I里裝入土壤前，先測定所取土壤不同土層的土壤容重，同時取出所取土壤原地的淺層地下水，然后在盛土桶I里按自然土層分布分層裝入所取的土壤，該土壤在盛土桶I內存放30天，然后取下盛土桶I上各土層的橡皮塞3，分別從各取土樣孔中取出土樣，分別測定不同土層土壤中的氮元素或磷元素含量；隨后，在盛水桶8內加入所述的地下水，加入的地下水的量需使該地下水上升到盛土桶I內，測量自盛水桶8底面至地下水水面的地下水位高度，記為H1 (如圖6所示)。B.地下水升到盛土桶I內2天，然后開啟出水龍頭7放水，當地下水位下降至盛土桶I底面之上時，關閉出水龍頭7，測量自盛水桶8底面至地下水水面的地下水位高度，記為H2,同時，取下在盛土桶I上地下水位升降區域內的一個橡皮塞6，從該橡皮塞6位置的取土樣孔中取出土樣，測定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，記為S2 ；C.地下水位下降至盛土桶I底面之上時，根據如下公式I計算隨淺層地下水升降過程中土壤中氮或磷元素的淋洗量；公式I =M1 = [ (S1-S2) rj X [ (H1-H2) Q]公式I中=M1為地下水位下降至盛土桶I底面之上時隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，單位為g，Si為步驟A在向盛水桶8加入淺層地下水前測得的土壤中氮元素或磷元素含量，單位為mg/kg，并且S1所取土樣的取土樣孔與步驟B測定S2時所取土樣的取土樣孔相同 ，S2為步驟B測得的土壤中氮元素或磷元素含量，mg/kg ；Γι為步驟A在向盛土桶I里裝入土壤前，先測得的土壤容重，并且該土壤容重是在盛土桶I地下水位升降區域內的土壤的土壤容重，單位為g/cm3 為步驟A所述的地下水位高度，單位為m ；H2為步驟B所述的地下水位高度H2,單位為m ；Q為盛土桶的底面積,單位為m2。所述的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置是在盛土桶I的桶壁沿盛土桶I軸向方向自桶壁頂端至桶壁底端設置有無色透明的觀測區2，在無色透明的觀測區2上自上而下設置有取土樣孔，距離盛土桶I桶口最近的取土樣孔與盛土桶I桶口相距200mm，其余取土樣孔間距為100mm，每個取土樣孔孔口設置有橡皮塞3，盛土桶I的底面設置有一個以上的滲水孔6，盛土桶I內的底面上設置有尼龍網；所述的滲水孔6的孔徑為30mm,尼龍網的孔徑為0.5mm,取土樣孔的孔徑為30mm ;盛土桶I底面的外部固定連接有3個以上的支撐腳5，盛土桶I放置在盛水桶8內，在盛水桶8的桶壁沿盛水桶8軸向方向設置有凹形開口 10，凹形開口底邊11至盛水桶8底面的高度與盛土桶I的支撐腳5高度相等，兩條凹形開口豎直邊12分別與相對應的無色透明的觀測區豎直邊9密封連接，凹形開口底邊11與無色透明的觀測區2的底邊密封連接，盛水桶8的側壁下部設置有出水龍頭7。該裝置的各零、部件的連接均按常規方法為密封連接，以防止盛土桶、盛水桶中的水滲漏。在上述裝置的無色透明的觀測區2上還可以設置有刻度尺(4)，以更方便觀測地下水位的升降。該裝置根據連通器原理，通過在盛土桶底面設置的滲水孔，裝入盛水桶里的淺層地下水自然會進入盛土桶里，再通過開啟在盛水桶上的出水龍頭放水后關閉該龍頭，即可模擬地下水位的升降過程。實施例2實施例2是地下水位下降至盛土桶I底面之下時，使用公式II計算隨淺層地下水升降過程中土壤中氮或磷元素的淋洗量的實施例。結合如圖1一圖5、圖7，本實施例2所使用的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷元素淋洗量裝置與實施例1相同，對隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷元素淋洗量進行觀測的步驟如下:A.在向盛土桶I里裝入土壤前，先測定所取土壤不同土層的土壤容重，同時取出所取土壤原地的淺層地下水，然后在盛土桶I里按自然土層分布分層裝入所取的土壤，該土壤在盛土桶I內存放30天，然后取下盛土桶I上各土層的橡皮塞3，分別從各取土樣孔中取出土樣，分別測定不同土層土壤中的氮元素或磷元素含量；隨后，在盛水桶8內加入所述的地下水，加入的地下水的量需使該地下水上升到盛土桶I內，測量自盛水桶8底面至地下水水面的地下水位高度，記為H1 (如圖7所示)；；B.地下水位升到盛土桶I內3天，然后開啟出水龍頭7放水，當地下水位下降至盛土桶I底面之下時，關閉出水龍頭7，測量自盛水桶8底面至盛土桶I底面的高度，記為H3(如圖7所示);同時，取下在盛土桶I上地下水位升降區域內的一個橡皮塞6，從該橡皮塞6位置的取土樣孔中取出土樣，測定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，記為S3 ；C.當地下水位下降至盛土桶I底面之下時，用公式II計算隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量:公式II =M2 = [ (S1-S3) r2] X [ (H1-H3) Q]公式II中:M2為地下水位下降至盛土桶I底面之下時隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，單位為g，Si為步驟A在向盛水桶8加入淺層地下水前測得的土壤中氮元素或磷元素含量，單位為mg/kg，并且S1所取的土樣的取土樣孔與步驟B測定S3所取土樣的取土樣孔相同，S3為步驟B測得的土壤中氮元素或磷元素含量S3，mg/kg ；r2為步驟A在向盛土桶I里裝入土壤前，先測得的土壤容重，并且該土壤容重是在盛土桶I地下水位升降區域內的土壤的土壤容重，單位為g/cm3 為步驟A所述的地下水位高度，單位為m ；H3為步驟B所述的自盛水桶8底面至盛土桶I底面的高度H3,單位為m ；Q為盛土桶的底面積，單位為m2 ；Q為盛土桶的底面積，單位為m2。
權利要求
1.一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，是用一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置對隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷等元素淋洗量進行觀測，其步驟如下: A.在向盛土桶(I)里裝入土壤前，先測定所取土壤不同土層的土壤容重，同時取出所取土壤原地的淺層地下水，然后在盛土桶(I)里按自然土層分布分層裝入所取的土壤，該土壤在盛土桶(I)內存放30天，然后取下盛土桶(I)上各土層的橡皮塞(3)，分別從各取土樣孔中取出土樣，分別測定不同土層土壤中的氮元素或磷元素含量；隨后，在盛水桶(8)內加入所述的地下水，加入的地下水的量需使該地下水上升到盛土桶(I)內，測量自盛水桶(8)底面至地下水水面的地下水位高度,記為H1 ； B.地下水升到盛土桶(I)內2 3天，然后開啟出水龍頭(7)放水，當地下水位下降至盛土桶(I)底面之上時，關閉出水龍頭(7)，測量自盛水桶(8)底面至地下水水面的地下水位高度，記為H2，同時，取下在盛土桶(I)上地下水位升降區域內的一個橡皮塞(6)，從該橡皮塞(6)位置的取土樣孔中取出土樣，測定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，記為S2 ;或地下水位升到盛土桶(I)內2 3天，然后開啟出水龍頭(7)放水，當地下水位下降至盛土桶(I)底面之下時，關閉出水龍頭(7)，測量自盛水桶(8)底面至盛土桶(I)底面的高度，記為H3，同時，取下在盛土桶(I)上地下水位升降區域內的一個橡皮塞(6 )，從該橡皮塞(6 )位置的取土樣孔中取出土樣，測定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，記為S3 ； C.根據如下公式I或公式II，計算隨淺層地下水升降過程中土壤中氮或磷元素的淋洗量; ①地下水位下降至盛土桶(I)底面之上時，用公式I計算隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量:公式 I =M1 = [(S1-S2)T1] X [(H1-H2)Q] 公式I中=M1為地下水位下降至盛土桶(I)底面之上時隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，單位為g，S1為步驟A在向盛水桶(8)加入淺層地下水前測得的土壤中氮元素或磷元素含量，單位為mg/kg，并且S1所取土樣的取土樣孔與步驟B測定S2時所取土樣的取土樣孔相同，S2為步驟B測得的土壤中氮元素或磷元素含量，mg/kg ;riS步驟A在向盛土桶(I)里裝入土壤前，先測得的土壤容重，并且該土壤容重是在盛土桶(I)地下水位升降區域內的土壤的土壤容重，單位為g/cm3 為步驟A所述的地下水位高度，單位為m ；H2為步驟B所述的地下水位高度H2,單位為m ；Q為盛土桶的底面積,單位為m2 ； ②當地下水位下降至盛土桶(I)底面之下時，用公式II計算隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量:公式 II =M2 = [(S1-S3)T2] X [(H1-H3)Q] 公式II中=M2為地下水位下降至盛土桶(I)底面之下時隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，單位為g，S1為步驟A在向盛水桶(8)加入淺層地下水前測得的土壤中氮元素或磷元素含量，單位為mg/kg，并且S1所取的土樣的取土樣孔與步驟B測定S3所取土樣的取土樣孔相同，S3為步驟B測得的土壤中氮元素或磷元素含量，mg/kg ；r2為步驟A在向盛土桶(I)里裝入土壤前，先測得的土壤容重，并且該土壤容重是在盛土桶(I)地下水位升降區域內的土壤的土壤容重，單位為g/cm3 為步驟A所述的地下水位高度，單位為m ；H3為步驟B所述的自盛水桶(8)底面至盛土桶(I)底面的高度，單位為m ;Q為盛土桶的底面積，單位為m2; 所述的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置是在盛土桶(I)的桶壁沿盛土桶(I)軸向方向自桶壁頂端至桶壁底端設置有無色透明的觀測區(2)，在無色透明的觀測區(2)上自上而下設置有取土樣孔，距離盛土桶(I)桶口最近的取土樣孔與盛土桶(I)桶口相距200mm 300mm,其余取土樣孔間距為100mm,每個取土樣孔孔口設置有橡皮塞(3)，盛土桶(I)的底面設置有一個以上的滲水孔(6)，盛土桶(I)內的底面上設置有尼龍網；盛土桶(I)底面的外部固定連接有3個以上的支撐腳(5)，盛土桶(I)放置在盛水桶(8)內，在盛水桶(8)的桶壁沿盛水桶(8)軸向方向設置有凹形開口(10)，凹形開口底邊(11)至盛水桶(8)底面的高度與盛土桶(I)的支撐腳(5)高度相等，兩條凹形開口豎直邊(12)分別與相對應的無色透明的觀測區豎直邊(9)密封連接，凹形開口底邊(11)與無色透明的觀測區(2)的底邊密封連接，盛水桶(8)的側壁下部設置有出水龍頭(7)。
2.根據權利要求1所述的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，其特征在 于:所述的滲水孔(6)的孔徑為30_，尼龍網的孔徑為0.5_，取土樣孔的孔徑為30mm。
3.根據權利要求1或2所述的觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，其特征在于:在無色透明的觀測區(2)上設置有刻度尺(4)。
全文摘要
本發明公開一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，該方法用一種觀測隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量裝置進行觀測，在盛土桶里裝入土壤，在盛水桶內加入淺層地下水，地下水上升至盛土桶內，開啟水龍頭放水后，關閉水龍頭，測量地下水淋洗土體的高度，計算出該土體體積，通過測得的土壤容重，地下水位升降前后測得的土壤中的氮元素或磷元素的含量，即可計算出隨淺層地下水位升降過程中土壤中氮磷等元素淋洗量。本發明可實時監測隨著淺層地下水位升降過程中土壤中氮或磷等元素的淋洗量，彌補了目前不能定量觀測隨淺層地下水位升降過程中深層土氮或磷等元素的流失量問題。
文檔編號G01N33/24GK103217511SQ201310085938
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月18日 優先權日2013年3月18日
發明者陳安強, 雷寶坤, 朱紅業, 楊艷鮮, 胡萬里, 毛妍婷 申請人:云南省農業科學院農業環境資源研究所
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