滲漏計

在容器或框體內盛放土柱收集不同深度滲漏水測定可溶性物質滲漏淋失的研究裝置或是一種收集來自土壤孔隙水分和用於測定田間排水中可溶性成分的裝置。

基本介紹

• 中文名：滲漏計
• 英文名稱：Lysimeter
• 用途：用於測定田間排水中可溶性成分
• 套用領域：農業化學與環境化學

學術定義

滲漏計（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）。該詞源於希臘文，lysi源於lysis，即“釋放、分離、排泄”的意思；meter源於metron，即“測量、計測器具”之意。

歷史沿革

該項研究裝置最初用於水文學研究中蒸發量之測定，稱為蒸滲儀。1850年後導入土壤化學研究，稱為滲漏計或排水收集器。最早的滲漏計稱為重力滲漏計（pan lysimeter），它是依靠重力作用回收土壤孔隙水的，為此它必須在土壤處於水飽和狀態下工作。1961年由 P.E. Skaling和George H. Wagner首次發明吸力滲漏計（suction lysimeter），它是由真空泵與之相連結的采水多孔陶土頭（porous ceramic cup）組成，利用負壓通過陶土頭抽汲回收土壤孔隙水，這樣一來，它也可以在水不飽和土壤條件下利用吸力採集到土壤孔隙水。後來，又附加了一個壓力連線埠，組成所謂“壓力/真空滲漏計”（pressure/vacuum lysimeters），這種新式的滲漏計使滲漏計可以套用於更深的剖面深度，以致探測的精度達到1×10-9。

測定精度

為了實現高測定精度，在此應該考慮三個方面的因素。一是采水器多孔界面物質的選用，它是滲漏計最重要的一個性能，它必須有一個具有無數孔隙的親水表面界面以維持連續的水流，其孔隙容積應該不少於10%，同時孔隙的大小應該小到使其氣泡壓力（air pressures or bubbling pressures）大於10 psi (1 psi = 6.89 千帕)。可供選擇的材料有四種：多孔塑膠膜；多孔塑膠型材；燒結金屬材料；陶土。前三種具有明顯的功能上的缺陷。唯有最後一種——陶土材料是長期以來被認可和採用的，特別是由於它的惰性和堅韌性。

二是多孔界面材料的空氣吸入值（Air entry values）,它直接影響到滲漏計的工作能力（最大滿真空值14.7psi）.早期的滲漏計只能在土柱達到水飽和狀態下工作類似於水流落入滲漏池內,而如今的吸力滲漏計或加壓/吸力滲漏計則是依靠其均一充水孔隙的表面將水分從土壤中抽汲出來,通過界面孔隙進入滲漏水取樣器中.如果取樣器界面材料的孔隙不能達到足夠的小和均一度,那么滲漏水流就會在取樣器與土壤之間被阻斷. 以致水和空氣就無法在真空條件下進入取樣器。取樣器的采水多孔界面的最大工作真空值應達到14.7 psi, 如果其工作能力在5psi以下,那么該取樣器只能在土壤處於水飽和狀態下才能採集到土壤孔隙水.

三是采水器的粘結劑與結構是確保成功採樣的又一技術關鍵.在此雙面環氧樹脂被認為是粘結不同膨脹係數材料的最理想的膠結劑,高級環氧樹脂具有特出的防水滲入性能.可持續多年不會產生揮發物質或有機碳氫化合物.如有可能,材料最好是採用在物理上可親和的或同類材料,以避免可能的裂隙污染.

至今，人們已經開發出各種各樣大小和形狀的滲漏計，包括從最古老的重力滲漏計到非常小的杯式採樣器乃至大型的標準吸力滲漏計和壓力/真空滲漏計。從平板式採樣器到更通用的園筒式採樣器，滲漏計的設計滿足了人們各種各樣的研究目的。

研究領域

滲漏計在農業化學與環境化學研究領域，主要用於觀測營養物質隨滲漏水向剖面下方移動乃至進入地下水的規律。尤其是近半個世紀以來，已廣泛用於養分物質在土壤剖面中的遷移及其滲漏損失研究，並進而擴及到肥料、農藥、除草劑等農化物質成分的潛在毒性廢棄物的土壤殘留的地下水污染的研究。它由四個基本部分組成：四周密閉而底部或（及）測壁具有排水通道的容器或框體；墊有濾板或濾層的原狀土柱或回填土柱；滲漏水採集系統；應研究目的而附設的各種感測器及數據截獲系統。在德、法、美、英、荷、奧、意、日、菲律賓、瑞典及加納等國，相繼建成不同規模的養分滲漏測定裝置。在中國，1990年由國家統一部署投資，在北京昌平馬連窪、浙江杭州、四川重慶、河南鄭州、陝西楊陵、吉林分主嶺等7個地點，建成中國最大的養分滲漏計群。單個池體面積為0.79-4平方米 (平均1.75平立米),土柱高度1-2米,每個池體設有排水測孔5-18個.該項設施附屬於國家土壤肥力和肥料效益監測基地,為農業化學物質在土壤中的殘留及滲漏損失監測研究服務.

工作原理

在模擬田間條件下,依靠重力作用或負壓抽汲採集土柱剖面不同層次的滲漏水,測定目標養分離子或污染離子的動態變化,探明離子的下淋量及其規律,也可在人為附加條件下,利用土柱不同深度的測孔插入各種感測器探頭,監測相關農業化學性質的動態變化(如土壤溫度,水勢,容重,氧化還原電位,氧通量乃至根系分布密度等),為植物營養研究提供有用的科學參數.

裝置類型

根椐研究目的和研究規模而定。（1）容器種類。按大小可分為大型和小型兩種，大有可達6-8立方米，小的則僅0.1-0.2立方米；按形狀可分為框體形和園柱形；底部又可分為錐底型和平底型；按材料分則有鐵質、鋼質、不鏽鋼、陶土、混凝土、玻璃鋼及PVC塑膠等。（2）土柱類型。按位置可分為原位與非原位兩種，原位又查分為套框式和埋筒式；按擾動狀況分為原狀土柱和回填土柱，原狀土柱有原位和非原位，回填土柱有全埋式或半埋式。（3）覆蓋作物。分為種植作物或裸地狀況；種植又分為單作和多作定位。（4）觀測方法。測孔布局有單孔型和多孔型，多孔型又分為單列多孔型和多列多孔型；單孔型用於不同土柱深度系列的觀測。按位置又可分為野外和室內兩種，野外又分為田間和網室，室內分為溫室和人工氣候室。

設計基準

滲漏計設計的基本要求是在儘可能接近自然或田間狀況下從土壤基質中收集滲漏液，為此要求做到：（1）儘量少擾動的典型土柱；（2）儘可能接近田間狀況的土柱環境；（3）有效的滲漏水採集系統。

建造工藝

原狀土柱的採集與安裝可分為吊裝法和移位法兩大類。在美、英、德等國多採用吊裝法，即在土柱周圍挖掘、邊用液壓機功負重塊將附有鋼質環刀的園筒套入土柱，再藉助液壓機將方形鋼板頂入土柱下方以切斷土體，最後用吊車將土信吊離土坑的方法。在中國，安徽省滁縣地區農科所在1987年採用“頂推移位工藝”完成四隻純重7.34噸原狀土柱的移位。浙江省農業科學院土壤肥料研究所在1990年則採用500千克葫蘆拉曳移位工藝,完成了八個4立方米 (2.0×2.0×1.0)立方米原狀土柱現濾層基座的合攏.回填土柱採用分層採挖,按原層序回填並結合灌木沉實功乾濕交替的方法,使土柱儘可能回復到田間狀態.土柱下方應墊設厚度為10-20厘米的濾層,濾層由礫石,粗砂,細砂,硅藻土組成,土柱與濾層之間為透水砼或多孔陶質濾板或多孔泡沫硬質塑膠板.土柱與容器壁的接縫,采水管道和感測器插入部位,土柱框體與濾層基座的接合部位,均應進行嚴密防滲處理.

測定技術

土壤滲漏水的採集可利用重力或負壓抽汲.負壓系統最大工作壓力在74.66千帕即已足夠,可附加電流探制裝置使其張力始終維持在略高於土壤吸力的水平.滲漏水抽濾頭的材料有陶土,瓷土,聚四氟乙烯等,應研究目的而定. 聚四氟乙烯抽濾頭的養分離子透過性最佳,但在粘粒含量低的土壤上不適用.陶土抽濾頭在酸性條件下會出現離子污染(尤其是CA,NI,ZN,FE等).此外,在滲漏水採集通道貌岸然中,還可插入各種感測器探頭,來檢測與植物營養有關聯的各種理化參數.

研究成就

套用滲漏計的農化研究重點是探測施入土壤中的廄肥,城市垃圾,污泥,氮磷鉀化肥,石灰物質以及其它農化物質中的成分離子的去向(土壤殘留,淋失,徑流沖失)及可能污染.如日本在甘藍上研究,測知施入氮有20-40%滲漏損失,並確認降水量是肥料氮淋失最主要的影響因子.美國的研究發現,氮肥的淋失與土壤類型(吸收性能),作物覆蓋程度,氮肥施用方法有密切關係,並確認施加綠肥,廄肥,三葉草等有機物可以減少化肥氮的淋漏損失,德國的中國的研究還證實,使用硝化抑制劑可明顯減少施入氮的NO3-N淋失,並確認不同氮素形態的淋失率是NO3-N>NO2-N>NH4-N.王家玉等套用大型稻田原狀土柱滲漏計研究發現，稻田土壤中氮的滲漏淋失的主要形態是硝態氮，而不是銨態氮；氮淋失呈現明顯的季節性變化，主要與土壤溫度與滲漏水量呈同步相關；氮肥用量與氮肥品種對氮淋失有重要影響;常量施用氮肥的滲漏淋失率最大可接近10%,在超量施氮情況下則會更高。

參考書目

Brady,Nyle,C.,The Nature and Properties of Soils. Macmillan Publishing Co., New York,1974.

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