专利名称：一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法
技术领域：
本发明涉及一种随浅层地下水水位升降过程中土壤中氮或磷等可溶性元素淋洗迁移的观测方法，该方法特别适应于模拟地下水埋深较浅的农田，属于农业技术领域。该方法为随浅层地水位升降过程中氮磷等元素流失量的观测提供了新途径。
背景技术：
现代农业生产中，农民为了追求作物高产，在种植过程中大量的施入化学氮磷等肥料，除小部分被作物吸收利用外，其中一大部分氮磷等随着土壤水分入渗和浅层地下水位升降淋溶到地下水中，造成地下水污染严重。特别是在浅层地下水埋深较浅的农田土壤中，随地下水位的升降，氮磷等淋洗量更加强烈。地下水中氮磷的浓度一般低于土壤中氮磷浓度，随地下水位的升高，土壤中高浓度的氮磷含量会溶解到地下水中，并随着水位的降低，大量的氮磷会被地下水带到更深的地下水层，不但污染了地下水层，也造成氮磷等元素的大量流失，因此，研究观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷元素的淋洗量，能为氮磷污染地下水的预测提供科学依据。目前，对农田土壤中氮磷等元素淋溶迁移的研究一般是修建田间试验小区，在实验小区挖土壤剖面，再在不同土层放置容器，引出渗入容器的氮磷等元素淋溶迁移液进行检测，或在模拟的土柱不同土层中安装容器或管道，引出渗入各土层的容器或管道内的氮磷等元素淋溶迁移液进行检测。这些试验装置可以检测不同土层中氮磷等元素淋溶迁移情况，但对于农田土壤中大量氮磷等元素淋溶迁移至深层土壤后，随着浅层地下水位升降，氮磷被淋洗到地下水中的情况无法观测，导致对农田土壤中大量流失的氮磷等元素淋溶物的流失规律、地下水等环境的严重污染情况无法检测。同时，由于田间地下水边界条件难以限制，无法采用田间试验小区对随着地下水位升降造成的氮磷等元素淋洗到地下水中的情况进行观测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术对农田土壤中大量氮磷等元素淋溶迁移至深层土壤后，随着浅层地下水位升降，其氮磷等元素被淋洗到地下水中的情况无法监测的缺陷和不足，提供一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法。本发明所述的一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，是用一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置对随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷等元素淋洗量进行观测，其步骤如下:A.在向盛土桶里装入土壤前，先测定所取土壤不同土层的土壤容重，同时取出所取土壤原地的浅层地下水，然后在盛土桶里按自然土层分布分层装入所取的土壤，该土壤在盛土桶内存放30天，然后取下盛土桶上各土层的橡皮塞，分别从各取土样孔中取出土样，分别测定不同土层土壤中的氮元素或磷元素含量；随后，在盛水桶内加入所述的地下水，加入的地下水的量需使该地下水上升到盛土桶内，测量自盛水桶底面至地下水水面的地下水位高度，记为H1 ；B.地下水升到盛土桶内2 3天，然后开启出水龙头放水，当地下水位下降至盛土桶底面之上时，关闭出水龙头，测量自盛水桶底面至地下水水面的地下水位高度，记为H2,同时，取下在盛土桶上地下水位升降区域内的一个橡皮塞，从该橡皮塞位置的取土样孔中取出土样，测定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，记为S2 ;或地下水位升到盛土桶内2 3天，然后开启出水龙头放水，当地下水位下降至盛土桶底面之下时，关闭出水龙头，测量自盛水桶底面至盛土桶底面的高度，记为H3,同时，取下在盛土桶上地下水位升降区域内的一个橡皮塞，从该橡皮塞位置的取土样孔中取出土样，测定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，记为S3 ；C.根据如下公式I或公式II，计算随浅层地下水升降过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时，用公式I计算随浅层地下水位升降过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为地下水位下降至盛土桶底面之上时随浅层地下水位升降过程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，单位为SA1为步骤A在向盛水桶加入浅层地下水前测得的土壤中氮元素或磷元素含量，单位为mg/kg，并且S1所取土样的取土样孔与步骤B测定S2时所取土样的取土样孔相同，S2为步骤B测得的土壤中氮元素或磷元素含量S2，mg/kg ；Γι为步骤A在向盛土桶里装入土壤前，先测得的土壤容重，并且该土壤容重是在盛土桶地下水位升降区域内的土壤的土壤容重，单位为g/cm3 为步骤A所述的地下水位高度，单位为m ；H2为步骤B所述的地下水位高度H2,单位为m ；Q为盛土桶的底面积,单位为m2 ；
②当地下水位下降至盛土桶底面之下时，用公式II计算随浅层地下水位升降过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为地下水位下降至盛土桶底面之下时随浅层地下水位升降过程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，单位为SA1为步骤A在向盛水桶加入浅层地下水前测得的土壤中氮元素或磷元素含量，单位为mg/kg，并且S1所取的土样的取土样孔与步骤B测定S3所取土样的取土样孔相同，S3为步骤B测得的土壤中氮元素或磷元素含量S3，mg/kg ；r2为步骤A在向盛土桶里装入土壤前，先测得的土壤容重，并且该土壤容重是在盛土桶地下水位升降区域内的土壤的土壤容重，单位为g/cm3 为步骤A所述的地下水位高度，单位为m ；H3为步骤B所述的自盛水桶底面至盛土桶底面的高度，单位为m ；Q为盛土桶的底面积，单位为m2 ；所述的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置是在盛土桶的桶壁沿盛土桶轴向方向自桶壁顶端至桶壁底端设置有无色透明的观测区，在无色透明的观测区上自上而下设置有取土样孔，距离盛土桶桶口最近的取土样孔与盛土桶桶口相距200mm 300mm,其余取土样孔间距为100mm,每个取土样孔孔口设置有橡皮塞,盛土桶的底面设置有一个以上的渗水孔，盛土桶内的底面上设置有尼龙网；盛土桶底面的外部固定连接有3个以上的支撑脚，盛土桶放置在盛水桶内，在盛水桶的桶壁沿盛水桶轴向方向设置有凹形开口，凹形开口底边至盛水桶底面的高度与盛土桶的支撑脚高度相等，两条凹形开口竖直边分别与相对应的无色透明的观测区竖直边密封连接，凹形开口底边与无色透明的观测区的底边密封连接，盛水桶的侧壁下部设置有出水龙头。所述的渗水孔的孔径为30mm,尼龙网的孔径为0.5mm,取土样孔的孔径为30mm。在无色透明的观测区上还可以设置有刻度尺(4)，以更方便观测地下水位的升降。本发明模拟地下水位升降过程中土壤中氮或磷等元素淋溶的实际情况，可实时监测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷等元素的淋洗量，弥补了目前不能定量观测随浅层地下水位升降过程中深层土氮或磷等元素的流失量问题。不但可以观测随浅层地下水位升降过程中地下水中氮或磷等元素浓度的变化(可取随地下水位升降过程中盛水桶中水样，测定地下水中氮或磷等元素浓度)，同时还可以观测随浅层地下水位升降区土壤中氮磷等元素的淋溶量。该方法能为农田面源污染的机制研究提供合理、科学的数据。本发明不但能观测氮或磷元素，还可以观测其它可溶于水的其它元素。本发明所用的一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷等元素淋洗量装置设计巧妙、结构简单、方便修建、操作维护便捷。
图1是本发明所用的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置的结构示意图。图2是盛土桶的结构示意图。图3是盛水桶的结构示意图。图4是本发明所用的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置的主视图。图5是本发明所用的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置的俯视图。图6是实施例1中地下水位上升和地下水位下降至盛土桶(I)底面之上时，测量地下水位高度H1和H2的示意图。图7是实施例2中地下水位上升和地下水位下降至盛土桶(I)底面之下时，测量地下水位高度H1和测量自盛水桶(8)底面至盛土桶(I)底面的高度H3的示意图。图中各标记依次表不:I一盛土桶、2—无色透明的观测区、3—橡皮塞、4一刻度尺、5—支撑脚、6—渗水孔、7—出水龙头、8—盛水桶、9 一无色透明的观测区竖直边、10—凹形开口、11一凹形开口底边、12—凹形开口竖直边、H1表示地下水位上升到盛土桶内的地下水位高度，H2表示地下水位下降至盛土桶底面之上时地下水位高度，H3表示地下水位下降至盛土桶底面之下时，自盛水桶(8)底面至盛土桶底面的高度。
具体实施例方式实施例1实施例1是地下水位下降至盛土桶I底面之上时，使用公式I计算随浅层地下水升降过程中土壤中氮或磷元素的淋洗量的实施例。
结合如图1一图6，本发明用一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置对随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷元素淋洗量进行观测，其步骤如下:A.在向盛土桶I里装入土壤前，先测定所取土壤不同土层的土壤容重，同时取出所取土壤原地的浅层地下水，然后在盛土桶I里按自然土层分布分层装入所取的土壤，该土壤在盛土桶I内存放30天，然后取下盛土桶I上各土层的橡皮塞3，分别从各取土样孔中取出土样，分别测定不同土层土壤中的氮元素或磷元素含量；随后，在盛水桶8内加入所述的地下水，加入的地下水的量需使该地下水上升到盛土桶I内，测量自盛水桶8底面至地下水水面的地下水位高度，记为H1 (如图6所示)。B.地下水升到盛土桶I内2天，然后开启出水龙头7放水，当地下水位下降至盛土桶I底面之上时，关闭出水龙头7，测量自盛水桶8底面至地下水水面的地下水位高度，记为H2,同时，取下在盛土桶I上地下水位升降区域内的一个橡皮塞6，从该橡皮塞6位置的取土样孔中取出土样，测定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，记为S2 ；C.地下水位下降至盛土桶I底面之上时，根据如下公式I计算随浅层地下水升降过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为地下水位下降至盛土桶I底面之上时随浅层地下水位升降过程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，单位为g，Si为步骤A在向盛水桶8加入浅层地下水前测得的土壤中氮元素或磷元素含量，单位为mg/kg，并且S1所取土样的取土样孔与步骤B测定S2时所取土样的取土样孔相同 ，S2为步骤B测得的土壤中氮元素或磷元素含量，mg/kg ；Γι为步骤A在向盛土桶I里装入土壤前，先测得的土壤容重，并且该土壤容重是在盛土桶I地下水位升降区域内的土壤的土壤容重，单位为g/cm3 为步骤A所述的地下水位高度，单位为m ；H2为步骤B所述的地下水位高度H2,单位为m ；Q为盛土桶的底面积,单位为m2。所述的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置是在盛土桶I的桶壁沿盛土桶I轴向方向自桶壁顶端至桶壁底端设置有无色透明的观测区2，在无色透明的观测区2上自上而下设置有取土样孔，距离盛土桶I桶口最近的取土样孔与盛土桶I桶口相距200mm，其余取土样孔间距为100mm，每个取土样孔孔口设置有橡皮塞3，盛土桶I的底面设置有一个以上的渗水孔6，盛土桶I内的底面上设置有尼龙网；所述的渗水孔6的孔径为30mm,尼龙网的孔径为0.5mm,取土样孔的孔径为30mm ;盛土桶I底面的外部固定连接有3个以上的支撑脚5，盛土桶I放置在盛水桶8内，在盛水桶8的桶壁沿盛水桶8轴向方向设置有凹形开口 10，凹形开口底边11至盛水桶8底面的高度与盛土桶I的支撑脚5高度相等，两条凹形开口竖直边12分别与相对应的无色透明的观测区竖直边9密封连接，凹形开口底边11与无色透明的观测区2的底边密封连接，盛水桶8的侧壁下部设置有出水龙头7。该装置的各零、部件的连接均按常规方法为密封连接，以防止盛土桶、盛水桶中的水渗漏。在上述装置的无色透明的观测区2上还可以设置有刻度尺(4)，以更方便观测地下水位的升降。该装置根据连通器原理，通过在盛土桶底面设置的渗水孔，装入盛水桶里的浅层地下水自然会进入盛土桶里，再通过开启在盛水桶上的出水龙头放水后关闭该龙头，即可模拟地下水位的升降过程。实施例2实施例2是地下水位下降至盛土桶I底面之下时，使用公式II计算随浅层地下水升降过程中土壤中氮或磷元素的淋洗量的实施例。结合如图1一图5、图7，本实施例2所使用的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷元素淋洗量装置与实施例1相同，对随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷元素淋洗量进行观测的步骤如下:A.在向盛土桶I里装入土壤前，先测定所取土壤不同土层的土壤容重，同时取出所取土壤原地的浅层地下水，然后在盛土桶I里按自然土层分布分层装入所取的土壤，该土壤在盛土桶I内存放30天，然后取下盛土桶I上各土层的橡皮塞3，分别从各取土样孔中取出土样，分别测定不同土层土壤中的氮元素或磷元素含量；随后，在盛水桶8内加入所述的地下水，加入的地下水的量需使该地下水上升到盛土桶I内，测量自盛水桶8底面至地下水水面的地下水位高度，记为H1 (如图7所示)；；B.地下水位升到盛土桶I内3天，然后开启出水龙头7放水，当地下水位下降至盛土桶I底面之下时，关闭出水龙头7，测量自盛水桶8底面至盛土桶I底面的高度，记为H3(如图7所示);同时，取下在盛土桶I上地下水位升降区域内的一个橡皮塞6，从该橡皮塞6位置的取土样孔中取出土样，测定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，记为S3 ；C.当地下水位下降至盛土桶I底面之下时，用公式II计算随浅层地下水位升降过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为地下水位下降至盛土桶I底面之下时随浅层地下水位升降过程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，单位为g，Si为步骤A在向盛水桶8加入浅层地下水前测得的土壤中氮元素或磷元素含量，单位为mg/kg，并且S1所取的土样的取土样孔与步骤B测定S3所取土样的取土样孔相同，S3为步骤B测得的土壤中氮元素或磷元素含量S3，mg/kg ；r2为步骤A在向盛土桶I里装入土壤前，先测得的土壤容重，并且该土壤容重是在盛土桶I地下水位升降区域内的土壤的土壤容重，单位为g/cm3 为步骤A所述的地下水位高度，单位为m ；H3为步骤B所述的自盛水桶8底面至盛土桶I底面的高度H3,单位为m ；Q为盛土桶的底面积，单位为m2 ；Q为盛土桶的底面积，单位为m2。
权利要求
1.一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，是用一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置对随浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷等元素淋洗量进行观测，其步骤如下: A.在向盛土桶(I)里装入土壤前，先测定所取土壤不同土层的土壤容重，同时取出所取土壤原地的浅层地下水，然后在盛土桶(I)里按自然土层分布分层装入所取的土壤，该土壤在盛土桶(I)内存放30天，然后取下盛土桶(I)上各土层的橡皮塞(3)，分别从各取土样孔中取出土样，分别测定不同土层土壤中的氮元素或磷元素含量；随后，在盛水桶(8)内加入所述的地下水，加入的地下水的量需使该地下水上升到盛土桶(I)内，测量自盛水桶(8)底面至地下水水面的地下水位高度,记为H1 ； B.地下水升到盛土桶(I)内2 3天，然后开启出水龙头(7)放水，当地下水位下降至盛土桶(I)底面之上时，关闭出水龙头(7)，测量自盛水桶(8)底面至地下水水面的地下水位高度，记为H2，同时，取下在盛土桶(I)上地下水位升降区域内的一个橡皮塞(6)，从该橡皮塞(6)位置的取土样孔中取出土样，测定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，记为S2 ;或地下水位升到盛土桶(I)内2 3天，然后开启出水龙头(7)放水，当地下水位下降至盛土桶(I)底面之下时，关闭出水龙头(7)，测量自盛水桶(8)底面至盛土桶(I)底面的高度，记为H3，同时，取下在盛土桶(I)上地下水位升降区域内的一个橡皮塞(6 )，从该橡皮塞(6 )位置的取土样孔中取出土样，测定其土壤中的氮元素或磷元素的含量，记为S3 ； C.根据如下公式I或公式II，计算随浅层地下水升降过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)底面之上时，用公式I计算随浅层地下水位升降过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为地下水位下降至盛土桶(I)底面之上时随浅层地下水位升降过程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，单位为g，S1为步骤A在向盛水桶(8)加入浅层地下水前测得的土壤中氮元素或磷元素含量，单位为mg/kg，并且S1所取土样的取土样孔与步骤B测定S2时所取土样的取土样孔相同，S2为步骤B测得的土壤中氮元素或磷元素含量，mg/kg ;riS步骤A在向盛土桶(I)里装入土壤前，先测得的土壤容重，并且该土壤容重是在盛土桶(I)地下水位升降区域内的土壤的土壤容重，单位为g/cm3 为步骤A所述的地下水位高度，单位为m ；H2为步骤B所述的地下水位高度H2,单位为m ；Q为盛土桶的底面积,单位为m2 ； ②当地下水位下降至盛土桶(I)底面之下时，用公式II计算随浅层地下水位升降过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为地下水位下降至盛土桶(I)底面之下时随浅层地下水位升降过程中土壤中氮元素或磷元素的淋洗量，单位为g，S1为步骤A在向盛水桶(8)加入浅层地下水前测得的土壤中氮元素或磷元素含量，单位为mg/kg，并且S1所取的土样的取土样孔与步骤B测定S3所取土样的取土样孔相同，S3为步骤B测得的土壤中氮元素或磷元素含量，mg/kg ；r2为步骤A在向盛土桶(I)里装入土壤前，先测得的土壤容重，并且该土壤容重是在盛土桶(I)地下水位升降区域内的土壤的土壤容重，单位为g/cm3 为步骤A所述的地下水位高度，单位为m ；H3为步骤B所述的自盛水桶(8)底面至盛土桶(I)底面的高度，单位为m ;Q为盛土桶的底面积，单位为m2; 所述的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置是在盛土桶(I)的桶壁沿盛土桶(I)轴向方向自桶壁顶端至桶壁底端设置有无色透明的观测区(2)，在无色透明的观测区(2)上自上而下设置有取土样孔，距离盛土桶(I)桶口最近的取土样孔与盛土桶(I)桶口相距200mm 300mm,其余取土样孔间距为100mm,每个取土样孔孔口设置有橡皮塞(3)，盛土桶(I)的底面设置有一个以上的渗水孔(6)，盛土桶(I)内的底面上设置有尼龙网；盛土桶(I)底面的外部固定连接有3个以上的支撑脚(5)，盛土桶(I)放置在盛水桶(8)内，在盛水桶(8)的桶壁沿盛水桶(8)轴向方向设置有凹形开口(10)，凹形开口底边(11)至盛水桶(8)底面的高度与盛土桶(I)的支撑脚(5)高度相等，两条凹形开口竖直边(12)分别与相对应的无色透明的观测区竖直边(9)密封连接，凹形开口底边(11)与无色透明的观测区(2)的底边密封连接，盛水桶(8)的侧壁下部设置有出水龙头(7)。
2.根据权利要求1所述的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，其特征在 于:所述的渗水孔(6)的孔径为30_，尼龙网的孔径为0.5_，取土样孔的孔径为30mm。
3.根据权利要求1或2所述的观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，其特征在于:在无色透明的观测区(2)上设置有刻度尺(4)。
全文摘要
本发明公开一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量的方法，该方法用一种观测随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量装置进行观测，在盛土桶里装入土壤，在盛水桶内加入浅层地下水，地下水上升至盛土桶内，开启水龙头放水后，关闭水龙头，测量地下水淋洗土体的高度，计算出该土体体积，通过测得的土壤容重，地下水位升降前后测得的土壤中的氮元素或磷元素的含量，即可计算出随浅层地下水位升降过程中土壤中氮磷等元素淋洗量。本发明可实时监测随着浅层地下水位升降过程中土壤中氮或磷等元素的淋洗量，弥补了目前不能定量观测随浅层地下水位升降过程中深层土氮或磷等元素的流失量问题。
文档编号G01N33/24GK103217511SQ201310085938
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者陈安强, 雷宝坤, 朱红业, 杨艳鲜, 胡万里, 毛妍婷 申请人:云南省农业科学院农业环境资源研究所
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