一种田间淋溶原位监测装置，下面由森农农业小编带大家一起来了解一下。
1.本发明涉及农业面源污染监测技术领域，更具体地说，涉及一种田间淋溶原位监测装置。
背景技术：
2.农田化肥的不合理施用导致肥料利用率偏低，过半的氮磷养分在作物生长期未被吸收，除去土壤固持和微生物活动的挥发消耗的氮磷养分，盈余的氮磷养分进入农田水循环系统中，而农田淋溶水则下渗汇入地下水，研究表明过量施肥是造成浅层地下水硝酸盐污染的重要原因。地下水是作为居民生活用水、工业用水和农田灌溉用水的备用水源，而其流动性差，自净能力弱，一旦污染很难修复。因此对农业面源污染中的养分淋溶流失进行监测与研究十分有必要。
3.土体淋溶采样装置是研究养分、农药、重金属等穿透包气带进入浅层地下水的主要装置。目前的技术主要分为两种：一是野外田间安装采样设备，可实现原位监测，但无法计算通量，且降水频繁时需多次人工采样，费时费力。而室内人工土柱模拟试验则主要用于在控制参数的情况下研究动力学机制，无法还原真实的自然条件下的淋失情况。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种田间淋溶原位监测装置，该装置可根据测得的淋溶水的溶质浓度得出对应的淋失通量，并根据降雨数据进行原位抽样，无需人工采样，省时省力，并可对淋溶水样进行水质监测。
5.本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
6.一种田间淋溶原位监测装置，包括监测土体组件、淋溶桶、采样组件、控制组件和水质分析单元；监测土体组件包括回填土容器，淋溶桶放置在回填土容器的底部，淋溶桶包括桶盖和桶体，回填土容器的底部铺设有砾石垫层，砾石垫层的顶部铺设有回填土；采样组件包括抽液管，抽液管的一端穿过桶盖插至桶体内，抽液管的另一端与水质分析单元连接；控制组件包括控制系统、水泵、水表和雨量计，水泵、水表和雨量计分别与控制系统电连接，水泵和水表安装在抽液管上；水质分析单元与控制系统电连接。
7.进一步地，砾石垫层的顶面铺设有土工布，回填土容器内的四壁铺设有第二土工布。
8.进一步地，采样组件还包括套管和通气管，套管套设在抽液管的外侧，套管的下端与桶盖密封连接，通气管穿过套管上端的管壁与外界相通。
9.进一步地，桶体内的底部设有透水层，桶体的底端侧壁和底部上均设有多个小孔，淋溶水通过小孔进入桶体内。
10.进一步地，桶体内还设有尼龙网，尼龙网距离桶体底部10-15cm。
11.进一步地，桶体内的四周还设有砖块，砖块位于透水层的上方。
12.进一步地，水质分析单元上设有废液排放管道。
13.进一步地，水质分析单元还包括通讯子单元，通讯子单元通过无线网络与监控平台连接。
14.进一步地，采样组件还包括防雨帽，防雨帽安装在套管顶端。
15.进一步地，砾石垫层的厚度为10-15cm。
16.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
17.一、本发明通过雨量计与水表获取的降雨数据，可计算田间监测土体区域在降雨时水量的输入和淋失水量的输出，根据测得的淋溶水的溶质浓度可得出对应的淋失通量，并通过控制系统根据降雨数据控制水泵进行原位抽样，无需多次进行人工采样，省时省力；增加水质分析单元，可实现对淋溶水样进行水质监测的功能。
18.二、本发明通过控制系统控制水泵将淋溶桶内的淋溶水抽空，并通过废液排放管道将淋溶水样排放，能有效避免水样混杂而导致检测效果误差。
19.三、本发明在套管的顶端安装防雨帽，将通气管与外界相通的一端设置为弯头，可防止外界水从套管和通气管进入淋溶桶内，有效防止污染淋溶水样。
具体实施方式
23.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
24.一种田间淋溶原位监测装置，包括监测土体组件、淋溶桶、采样组件、控制组件和水质分析单元；监测土体组件包括回填土容器，淋溶桶放置在回填土容器的底部，淋溶桶包括桶盖和桶体，回填土容器的底部铺设有砾石垫层，砾石垫层的顶部铺设有回填土；采样组件包括抽液管，抽液管的一端穿过桶盖插至桶体内，抽液管的另一端与水质分析单元连接；控制组件包括控制系统、水泵、水表和雨量计，水泵、水表和雨量计分别与控制系统电连接，水泵和水表安装在抽液管上；水质分析单元与控制系统电连接。
25.淋溶水从监测土体的表面向回填土容器的底部下渗，淋溶水再从回填土容器的底部向淋溶桶的桶体内渗，雨量计监测到降雨或者灌溉结束后，将信号传递给控制系统中，在本实施例中，雨量计还连接有雨水采样器，雨水采样器收集雨水用于与淋溶水进行污染物浓度对比；雨量计采用双翻斗式雨量计，由于土壤有蓄水能力，淋溶产生相比降雨时间有滞后性，降雨后持续产流，连续降雨时难以分辨具体采集的淋溶水样来自哪场雨，采用双翻斗雨量计的数字信号，在雨量计未收集到降水的半小时后，视为一场雨的结束，此时控制器控制水泵采集一次水样，可满足信息传输、处理和记录等需求，便于实时观测雨量数据。
26.控制系统控制水泵通过抽液管从淋溶桶的桶体中抽取淋溶水，淋溶水经过水表时
被记录该次抽取的水量，在本实施例中，水表采用物联网智能水表，对淋溶水量进行数据采集、分析和处理，从而提高监测装置运行效率，减少人力资源的损耗。
27.水质分析单元，对采集的水样进行分析，得出分析结果。在本实施例中，水质分析单元上设有废液排放管道，在水质分析单元完成对采集的淋溶水样分析后，可通过控制系统控制水泵将淋溶桶内的淋溶水抽空，并通过废液排放管道将淋溶水样排放，以防止对下次水样分析造成影响，在水表无计数时则可关闭水泵，等待下一次的淋溶水进入淋溶桶内，开启下一轮水样采集和监测试验；水质分析单元还包括通讯子单元，通讯子单元通过无线网络与监控平台连接，向监控平台上传水质分析数据。
28.在本实施例中，砾石垫层的厚度为10-15cm，砾石垫层用于支撑上方的回填土。
29.砾石垫层的顶面铺设有土工布，回填土容器内的四壁铺设有第二土工布。砾石垫层和回填土容器通过土工布和第二土工布与回填土隔离。
30.采样组件还包括套管和通气管，套管套设在抽液管的外侧，套管的下端与桶盖密封连接，通气管穿过套管上端的管壁与外界相通。套管用于保护通气管和抽液管，通气管用于防止淋溶桶与外界存在压力差，进而影响淋溶桶中的渗水效果。在本实施例中，套管的长度不低于1.5m，半径为50mm，在套管靠近上端的侧壁上开设有半径为5mm的小孔，小孔用于安装通气管；在通气管与外界相通的一端为弯头，可防止外界水从通气管进入淋溶桶内，污染淋溶水样；采样组件还包括防雨帽，防雨帽安装在套管顶端，防雨帽的顶部开设有通孔，抽液管穿过通孔与水质分析单元连接，且抽液管与通孔通过胶水粘合，可避免外界水从套管进入淋溶桶内，污染淋溶水样。
31.在本实施例中，淋溶桶采用聚丙烯材质的圆柱形水桶。
32.桶体内的底部设有透水层，桶体的底端侧壁和底部上均设有多个小孔，淋溶水通过小孔进入桶体内；桶体内还设有尼龙网，尼龙网距离桶体底部10-15cm。在本实施例中，采用100目的尼龙网，用于过滤进入桶体内的淋溶水；体内的四周还设有砖块，砖块位于透水层的上方。在本实施例中，砖块在桶体内砌成十字形砖墙，十字形砖墙上留有供抽液管通过的通道，砖块砌在桶体内的四周，可防止桶体因回填土的压迫而造成形变或者塌陷。
33.本发明的田间淋溶原位监测装置的安装步骤如下：
34.s1：划定监测目标土体区域：监测装置可用于平地和坡度小于15°的缓坡地，一般将监测目标土体区域划定在田间有代表性的中部区域；
35.s2：挖掘土壤剖面：在划定的监测目标土体区域内，挖掘出一个深120cm、边长100cm的土壤剖面(依次挖出0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-90cm深度的土壤，并分别堆放在标明其土层深度编号的塑料薄膜上，以便后续能分层回填)，剖面四周修平、修齐；在挖掘过程中，要保证土壤剖面四壁整齐不塌方；
36.s3：放置回填土容器：将边长为100cm的正方体回填土容器垂直放入土壤剖面中，周壁若有缝隙用细土封填、压实；
37.s4：放置淋溶桶：选择容积合适的淋溶桶，釆用环刀法对划定监测目标土体区域的饱和渗透速度进行测量，进而获得划定监测目标土体区域的饱和导水率。淋溶桶的容积主要由试验区土壤的饱和导水率确定，例如，一般情况下土壤的饱和导水率为0.2-0.4m/d，降雨强度为大暴雨级别，而土壤的饱和导水率为0.1-0.25m/d时，才能达到土壤饱和稳渗的情况。需要综合考虑不同地区的降雨强度风险以及不同质地土壤的饱和导水率，以下渗体积作为淋溶桶体积，则根据监测截面算出淋溶桶体积为
38.v＝ks×s；
39.式中，v为淋溶桶的体积ml(cm3)；s为监测截面cm2；ks为饱和导水率cm/s；将选择好的淋溶桶放入回填土容器的底部；
40.s5：安装采样组件：打开桶盖，在桶体内用砖块砌出十字形砖墙，套管密封连接到桶盖上，将抽液管的一端于穿过套管和桶盖插至桶体底部，抽液管的另一端从套管顶部抽出，然后一边将桶盖与桶体连接，一边调整抽液管抽出的长度；
41.s6：铺设土工布：在土工布的中部对应位置打出略大于桶体直径的孔，把桶体从孔中穿过再把土工布平铺在砾石垫层的顶部，把第二土工布一端的10cm固定在地表上，使第二土工布不下滑并与回填土容器的四壁紧贴，土工布与第二土工布在拐角处互相重叠20cm；
42.s7：密封裁剪：把土工布用铁丝环压到桶体侧壁上，使土工布与桶体连接成一体，压紧后，用剪刀将铁丝环内的土工布沿铁丝环内缘小心剪裁去除；
43.s8：回填土体修复：按土壤挖出时的逆序分层回填，边回填边压实，并整理土工布使之与回填土容器四壁之间以及重叠部分之间均紧密连接，回填过程中可少量多次灌水，促使土层沉实。回填至距地表30cm时，把通气管穿过套管，套管垂直立于土表，再回填上层土壤，回填后将地表整平。
47.实验选择作物为水稻，供试水稻品种为香粘，供试肥料为尿素(46％n)、过磷酸钙(12％p)、硫酸钾镁(23％k)。基础施肥试验设2个处理。空白对照优化施肥：按水稻优质适产且肥料减量增效技术施肥。淋溶实验开展前，监测土体已经过反复淋洗、稳定处理。
48.水稻苗期的初期淋溶液中氨氮、硝氮的浓度高于成熟期的浓度，主要受前期施基肥影响，每次峰值出现皆与施肥有关；整体呈现先升高后降低，后期又缓慢升高的趋势，终浓度水平高于种植施肥前。这主要是因为气温升高使肥料中的养分得以较快释放，而植物还未进入养分需求旺盛时期。
49.总的来说，本发明通过雨量计与水表获取的降雨数据，可计算田间监测土体区域在降雨时水量的输入和淋失水量的输出，根据测得的淋溶水的溶质浓度可得出对应的淋失通量，并通过控制系统根据降雨数据控制水泵进行原位抽样，无需多次进行人工采样，省时省力；增加水质分析单元，可实现对淋溶水样进行水质监测的功能。本发明通过控制系统控制水泵将淋溶桶内的淋溶水抽空，并通过废液排放管道将淋溶水样排放，能有效避免水样
混杂而导致检测效果误差。本发明在套管的顶端安装防雨帽，将通气管与外界相通的一端设置为弯头，可防止外界水从套管和通气管进入淋溶桶内，有效防止污染淋溶水样。
50.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
济南森农农业专注农业科研产品试制，实验环境建设，野外试验站建设。开发了用于面源污染防控的淋溶系列产品，土壤墒情系列产品，野外取土、取水装置，小型蒸渗仪、农业微环境气象站等系列产品。公司暖通团队致力于食用菌环境栽培设施，及动植物等环境建设提供整体解决方案。欢迎广大新老客户朋友咨询交流。
