氮素运移转化的采样装置和淋溶装置、采样方法和研究氮素运移转化的方法与流程

1.本发明属于土壤学技术领域，具体氮素运移转化的采样装置和淋溶装置、采样方法和研究氮素运移转化的方法。


背景技术：

2.陆地生态系统氮循环研究的首要问题是土壤氮素的生物地球化学循环。由于野外条件的限制，研究过程通常需要大量采集土壤样品带回实验室进行分析测定。然而，由于土壤破坏性取样，土壤生境发生了巨大变化，从而造成土壤养分含量及土壤理化性质显著改变。特别是对于森林生态系统，由于土壤含水率低、土壤颗粒粒径大以及剖面土壤养分、性质的显著垂直性变化，破坏性取样会造成土壤各项理化指标和生物学指标测定的不稳定性和显著差异性。有研究表明，土壤样品采集回实验室后，由于水分的蒸发，会造成土壤碳氮养分含量的明显增大、土壤ph的上升以及微生物活性下降等。为避免由于破坏性取样对土壤性质的改变，影响研究结果，迫切需要提供一种装置能够避免破坏性取样。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于氮素运移转化的采样装置，能够获得大量的与野外自然条件下尽可能接近的原状土柱土壤，不会对土壤造成破坏，分析测定的数据结果可靠。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供了一种用于研究氮素运移转化的采样装置，包括采样器1；所述采样器1为圆柱直筒管形，采样器1底部设计有刀口斜面，所述采样器底部刀口斜面顶部到斜面底部的垂直高度优选为10～15mm。
6.本发明还提供了一种用于研究氮素运移转化的淋溶装置，包括采样器1、过滤材料4、过滤器5和收集器6。
7.优选的，所述过滤器5置于收集器6上；在所述采样器1与过滤器5相连处放置过滤材料4。
8.优选的，所述过滤材料4包括滤膜；
9.所述滤膜的直径为90～105mm，孔径为0.45μm。
10.优选的，所述过滤器5上分布着直径为2.0～5.0mm的孔。
11.本发明还提供了一种原状土柱土壤的获取方法，包括以下步骤：
12.利用上述采样器1取样，取样时，所述采样器1顶部预留4.5～5.5cm的空隙，获得土柱土壤。
13.本发明还提供了一种研究氮素运移转化的方法，采用上述获取方法得到土柱土壤后，直接测定土柱土壤的理化性质或者利用上述淋溶装置对土柱土壤进行淋溶，于收集器6收集淋溶液。
14.优选的，当对所述土柱土壤进行淋溶时，包括将含有土柱土壤的采样器1在25℃条件下暗培养一周，培养结束后，利用淋溶液对土柱土壤3进行淋溶；
15.所述淋溶液包括凋落物浸提液。
16.优选的，培养结束后，淋洗前，在所述土柱土壤3与待研究材料中间放置石英砂2；所述石英砂2的厚度为1.0～1.2cm。
17.优选的，所述淋溶的方式包括在待研究的材料上方加入10～12次淋溶液，每次加入淋溶液的体积为200～250ml。
18.本发明提供了一种用于研究氮素运移转化的采样装置，包括采样器1；所述采样器1为圆柱直筒管形，采样器底部设计有刀口斜面，斜面宽度10～15mm。本发明淋溶装置中的采样器1为圆柱直筒管形，结构稳定，易于施工，能够直接固定土壤形状，取样时不扰动土样，获取与野外自然条件下尽可能接近的原状土柱土壤，保持土壤天然含水量和结构，不会对取样土壤各项理化指标和生物学指标造成影响，能够直接测定土柱土壤的理化性质。
19.另外，本发明提供的研究氮素运移转化的淋溶装置，包括采样器1、过滤材料4、过滤器5和收集器6。获得原状土柱后，将待研究的材料置于所述淋溶装置中，通过淋洗，经过过滤材料和过滤器的渗透作用，于收集器中收集淋洗液，即可研究氮素运移转化，克服了室内模拟实验与野外实际观测的巨大差异性。测定的数据结果稳定性和重复性好，能够准确分析和评价土壤氮的来源、去向及运移转化特征。
20.本发明在土柱土壤与待研究材料中间放置石英砂，能够防止淋溶时溶液对表面土壤的溅蚀，避免土体分散而产生位移的过程，维持土壤结构，提高土壤理化性质鉴定的准确性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
22.图1为采样器的示意图；
23.图2左侧为图1中采样器的主视图，右侧为图1中采样器的俯视图；其中，俯视图由外到内依次为采样器外壁、采样器底部刀口斜面和采样器内壁的垂直投影；
24.图3为图1中采样器的局部放大图；
25.图1～3中，实线1-1为采样器外壁，点线1-2为采样器内壁，1-3为采样器底部刀口斜面；
26.图4为淋溶时淋溶装置组合后的立体图；
27.图5左侧为淋溶时淋溶装置组合后的主视图，右侧为过滤器的俯视图；
28.图4～5中，1为采样器，2为采样器1中的石英砂层，3为采样器1中的土柱土壤，4为过滤材料，5为过滤器，6为收集器；
29.图6为取样时采样器的布置示意图。
具体实施方式
30.本发明提供了一种氮素转移转化的采样装置，包括采样器。在本发明中，所述采样器为圆柱直筒管形，顶部平整，采样器底部设计有刀口斜面，所述采样器底部刀口斜面顶部
到斜面底部的垂直高度优选为10～15mm。
31.本发明所述的采样器1的示意图、主视图和俯视图如图1和图2所示，本发明所述采样器包括采样器外壁1-1，采样器内壁1-2和采样器底部刀口斜面1-3。本发明所述采样器1为圆柱直筒管形，顶部平整。本发明所述采样器的高度优选为240～260mm，进一步优选为248～252mm，更优选为249～250mm；所述采样器1的直径优选为79～81mm，进一步优选为80mm；所述采样器的壁厚优选为1.5～2.0mm，进一步优选为1.7～1.9mm。在本发明中，所述采样器1内壁为直筒型，无收缩，下部设计有刀口斜面。本发明所述采样器内壁垂直于底面，外壁上端垂直，下端部分成圆弧状与底面相交，圆弧外壁和部分采样器内壁形成采样器底部刀口斜面；即圆弧外壁与采样器内壁1-2分别与水平面密封相连，且圆弧外壁与采样器内壁1-2彼此不相连，形成自上而下逐渐收薄的刀口斜面。本发明所述圆弧外壁与底面交点位于采样器外壁1-1和采样器内壁1-2垂直投影的之间位置。当采样器如图1放置时，采样器底部刀口斜面垂直于地面的投影宽度优选为1～1.5mm，进一步优选为1.2～1.3mm。所述采样器底部刀口斜面顶部到斜面底部的垂直高度h优选为10～15mm。在本发明中，以采样器外壁与底面交点中任意一点为切点，对采样器外壁取切线，该切线与水平面的夹角优选为70～85
°
。在本发明中，采样器内壁可以为不锈钢材质，使其光滑，便于采集土样时，土型固定；采样器外壁和内壁之间为实心，为不锈钢材质使采样器坚固，便于使用。
32.本发明所述刀口斜面管末端收薄，便于施工时节省外力，快速垂直打入地下，同时防止土柱破碎。在本发明中，本发明对采样器的材质没有特殊要求，能够耐高压强度即可，优选使用不锈钢材质。本发明所述采样器为圆柱直筒管形，结构稳定，易于施工，能直接固定土壤形状，取样时不扰动土样，获取与野外自然条件下尽可能接近的原状土柱土壤，保持土壤天然含水量和结构，不会对取样土壤各项理化指标和生物学指标造成影响。
33.利用本发明所述采样器1能够直接对土壤取样，获得土柱土壤。取样完成后，本发明能够直接测定经采样器取样得到的土柱土壤的理化性质，也可以将含有土柱土壤的采样器放置在淋溶装置上淋溶，于收集器收集淋溶液，研究氮素运移转化。
34.本发明提供了一种氮素运移转化的淋溶装置，包括采样器1、过滤材料4、过滤器5和收集器6。
35.以下结合附图3～4对本发明提供的氮素运移转化的淋溶装置的结构进行说明。本发明提供的淋溶装置包括采样器1、过滤材料4、过滤器5和收集器6。
36.本发明使用淋洗装置时，将所述采样器1与过滤器5叠压放置相连，在采样器1与过滤器5之间放置过滤材料4，过滤流经采样器内待研究的材料的淋洗液，防止土壤颗粒淋溶时随溶液破碎。在本发明中，所述过滤材料4与过滤器5优选叠压平铺放置，所述过滤材料4和过滤材料5优选位于采样器6有刀口斜面的一端。本发明所述过滤器上分布着若干细孔，细孔的直径优选为2.0～5.0mm，进一步优选为2.5～4.5mm，更优选为3.0～4.0mm。本发明所述过滤器上的细孔优选均匀分布。本发明所述过滤器的材质优选为聚丙烯；所述过滤器优选为过滤盘。
37.本发明所述过滤材料4优选包括滤膜；所述滤膜的直径优选为90～110mm，进一步优选为95～105mm，更优选为98～100mm。本发明所述滤膜上有孔，孔径优选为0.45μm。本发明所述滤膜优选为玻璃纤维膜。
38.在本发明中，所述收集器6用于收集淋洗液。本发明对收集器6的材质没有特殊要
求，优选使用烧杯，方便使用；本发明所述烧杯的规格优选为500ml；所述烧杯的直径优选为90～105mm，进一步优选为95～100mm。在本发明中，所述收集器6与过滤器5优选紧密贴合放置。
39.本发明提供了一种原状土柱土壤的获取方法，包括以下步骤：利用前述技术方案所述采样器取样，取样时，所述采样器顶部预留4.5～5.5cm的空隙，获得土柱土壤。
40.本发明利用采样器取样时，优选将采样器含有刀口斜面的一段垂直打入地下，形成深度为19.5cm～20.5cm的土柱土壤，预留采样器顶部4.5～5.5cm的空隙。本发明所述采样器顶部即为采样器不含刀口斜面的一端。为了保证采样器垂直打入地下，本发明打入采样器时，优选于采样器上方安放枕木。本发明取样时，每个取样点打入若干根采样器，以保证重复和数据分析准确性，本发明优选打入≥9根采样器。本发明每个取样点打入的n根采样器优选分行打入，取样点采样器的布置如图5所述，具体的，本发明打入地下第一根采样器后，按距第一根采样器中心相距29cm～31cm，进一步优选为30cm的四周打入剩余采样器。本发明取样时，优选避开木桩、植物主根和石块等。
41.本发明还提供了一种研究氮素运移转化的方法，包括直接测定上述技术方案获得的土柱土壤的理化性质或者利用利用上述淋溶装置对获得的土柱土壤进行淋溶，于前述技术方案所述收集器收集淋溶液。
42.当本发明通过直接测定土柱土壤的理化指标的方式研究氮素运移动转化时，本发明优选在打入采样器的同时，将待检测的实验材料放置在采样器顶部预留的4.5～5.5cm空隙处，采用20目尼龙网封口，并用铜丝和老虎钳扎紧实。封口时，同时安装标签(串于铜丝上)并记录样品编号。本发明对测定土柱土壤的理化指标的时间没有要求，可以测定不同取样时期得到的土柱土壤的理化性质，根据测定需要取出采样器1中的土柱土壤即可。
43.在本发明中，所述待检测的实验材料包括自然凋落物或标记凋落物，为了保证测定结果的可靠性，本发明设置了空白对照组，在打入采样器后，不放置任何添加材料，直接采用20目尼龙网封口，并用铜丝和老虎钳扎紧实。
44.本发明获得土柱土壤，测定土柱土壤的理化指标时，打开采样器上方封口，取出待检测试验材料，将采样器和土柱土壤一同挖出，使用滤纸和胶布封住原状土柱底部，于采样器上部预留的4.5～5.5cm空隙处放置填充物后封口。本发明所述填充物优选为装有取样地土壤的聚乙烯塑料袋。本发明挖出采样器和土柱土壤后于空隙处放置填充物能够有效取样到测定过程中土壤的破碎。
45.本发明优选将采样器中的土柱土壤分为多层，所分层数与要研究的土壤性质有关，根据研究需求而定。可以将土柱土壤按照顶部土壤、中间土壤和底部土壤分为三层，以位于刀口斜面端的土壤为底部土壤。本发明所述顶部土壤的深度优选为＞0且≤5cm，进一步优选为4.5～5.0cm；所述中间土壤的深度优选为4.5～5.5cm；所述底部土壤的深度优选为9.5～10.0cm。
46.随着土层深度的变化，土壤养分及理化性质会发生显著垂直性变化。因此，分层越多更有利于剖面土壤的全面细化分析。本发明按常用土壤研究中土壤分层采样并测定分析，有利于揭示剖面土壤中表层和深层土壤氮养分动态变化及差异。
47.本发明可以对土柱土壤任意位置的土样进行理化指标测定，本发明优选均匀混合待测定土壤，过20目筛称重，测定土壤氮等养分含量以及土壤含水率。当测定土壤氮等养分
含量以及土壤含水率时，本发明优选将混合均匀的土壤按四分法均匀分为四部分样品，一部分土壤样品用以测定土壤氮等养分含量，另一部分测定土壤含水率，剩余的新鲜土壤样品保藏待用。本发明所述保藏的温度优选为3～5℃。
48.本发明优选对测定土壤氮等养分含量的土壤样品进行风干处理和过筛处理。本发明对风干处理的方式没有严格要求，优选自然风干处理。本发明测定土壤氮等养分含量时，优选使用kcl溶液提取土壤样品中的可溶性氮。本发明所述土壤样品与kcl溶液的质量体积比优选为9.99g～10.01g：49ml～50ml。本发明所述提取的时间优选为0.45～0.55h；所述提取的温度优选为24～26℃。本发明所述提取优选为振荡提取，所述振荡的速度优选为180～200rpm，进一步优选为185～195rpm。
49.本发明优选对测定土壤含水率土壤样品进行干燥处理。本发明所述干燥处理的温度优选为103～107℃，进一步优选为105～106℃；所述干燥的时间优选为12～24h，进一步优选为15～20h，更优选为17～18h。本发明所述干燥处理优选使用恒温干燥箱。
50.当本发明通过对土柱土壤进行淋溶，获得淋溶液的方式研究氮素运移动转化时，本发明进行淋溶前，优选将含有土柱土壤的采样器在25℃的条件下暗培养一周。本发明所述暗培养时，向土柱土壤中添加超纯水。本发明对超纯水的添加量没有严格要求，与田间持水量相当即可。本发明添加高丰度凋落物标记n，并进行淋溶，能够准确研究氮素运移动转化，研究结果准确可靠。
51.培养结束后，本发明向采样器中土柱土壤上部放置淋溶液，利用前述技术方案所述淋溶装置对土柱土壤进行淋溶，于收集器收集淋溶液。淋溶前，本发明优选在淋洗前于所述土柱土壤上方放置石英砂形成石英砂层。本发明所述石英砂层的厚度优选为1.0～1.2cm。本发明向土柱土壤上放置石英砂后，在石英砂上方放置淋洗液，从而得到淋溶的目的。本发明放置石英砂后淋溶，能够防止淋溶时淋溶液对表面土壤的溅蚀，避免土体分散而产生位移的过程，维持土壤结构，提高土壤理化性质鉴定的准确性。本发明所述淋溶液的用量优选为200～250ml，进一步优选为250ml。本发明所述淋溶的次数优选为10～12次，进一步优选为12次。
52.本本发明中，所述淋溶液优选包括凋落物浸提液(n的主要存在形式为有机氮)，为了把保证淋溶结果的可靠性，本发明分别以超纯水、硫酸铵溶液(无机氮)淋溶采样器中土柱土壤。本发明对所述凋落物浸提液的获得方式没有严格要求，按照凋落物与浸提液质量体积比1:10制备浸提液即可。本发明所述掉落物浸提液优选为n标记的浸提液。
53.于收集器收集淋溶液后，本发明可以立即对淋溶液进行测定，也可以将收集到的淋溶液冷藏保存。本发明所述冷藏的温度优选为3～5℃。本发明冷藏保存时，优选将收集得到的淋溶液置于聚乙烯塑料瓶中。
54.为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的淋溶装置及研究氮素运移转化的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
55.实施例1
56.请参见图3～4，本实施例提供一种氮素运移转化的淋溶装置，以烧杯作为收集器，以过滤盘作为过滤器，以纤维作为过滤材料，且采样器材质为不锈钢，由采样器1、过滤材料4、过滤盘5和收集器6组成。采样器内部顺次放置石英砂和土柱土壤，形成1.0cm厚的石英砂层。
57.实施例2
58.1.设置原状土柱：
59.材料和工具：不锈钢采样器；金属大锤；枕木和卷尺。
60.设置原状土柱前，按照典型选样方法选取湖南省长沙市大山冲森林公园亚热带典型森林类型土壤为研究对象(黏壤土、母质为页岩和板页岩、含氮量1.0-2.0g/kg)。2018年8月，先去除地面凋落物，并在不破坏土壤结构的情况下清理平整地表。之后划定取样范围，采用卷尺量取取样间距和确定取样点。将直径8.0cm、高度25.0cm的不锈钢采样器1人工垂直打入取样点地下，打入时安放枕木于采样器上方以便于施工，且确保采样器能够垂直打入地下。打入时安放枕木于采样器上方以便于施工，且确保采样器能够垂直打入地下。至采样器的顶部离地表余留5.0cm(
±
0.5cm)时停止打入，高度由卷尺测量确定。采样器打入地下，以形成深度为20.0cm(
±
0.5cm)的原状土柱。打入第一根采样器后，按采样器中心相距约30.0cm(
±
1.0cm)再次打入剩余采样器。安装采样器时，应尽可能避开木桩、植物主根和石块等。
61.该次试验在研究点共设置66根原状土柱，以保证重复和数据分析准确性。采样器1及原状土柱布置见图1(野外原状土柱布置示意图)。
62.将66根原状土柱随机分为两组，第一组包括9根原状土柱进行淋溶试验；第二组包括剩余的57根原状土柱，分7次，按每隔2～3月采集一次，其中第一次采集的时间与进行淋溶试验时采集原状土柱的时间相同，测定初始氮养分含量，后续继续采集，进一步测定土壤氮养分含量，以研究得出氮迁移转化特征。
63.2.添加待研究材料：
64.材料和工具：镊子；20目尼龙网；铜丝；老虎钳；园艺标签；记号笔和准确称量的待研究材料。
65.待研究材料包括，氮稳定同位素标记的硫酸铵固体(购自上海化工研究院)；采集的新近凋落物(野外采集)；氮稳定同位素标记的凋落物(实验室标记获得)。
66.设置原状土柱的当天，再次清理采样器内部土壤上的杂物，并用镊子填补因施工震动造成的器内壁缝隙。将实验室准确称量的自然凋落物和氮稳定同位素标记凋落物分别平整安放到采样器1中，采样器顶部采用20目尼龙网封口，并用铜丝和老虎钳扎紧实。封口时，同时安装标签(串于铜丝上)并记录样品编号。具体的：将除去测定初始氮养分含量的3根原状土柱的54根原状土柱分三组，分别是空白处理、自然凋落物添加处理以及标记凋落物添加处理，每组3个平行，分6次定期挖取9根采样器和原状土柱样品，前一次挖取时间与后一次挖取时间间隔2～3个月。
67.3.原状土柱采集：
68.材料和工具：铲子；小刀；滤纸；聚乙烯塑料袋；胶布和蛇皮袋。
69.样品采集时，先从采样器1周边挖掘土壤起，尽量避免触碰到采样器且挖掘深度要深于采样器深度。待挖掘到采样器附近时，清理采样器外壁土壤，之后用铲子从采样器底部平行插入土壤中，采样器底部预留一定间距的土壤避免土柱土壤破碎。采样器1和土柱土壤3一同挖出后，于地面水平放置。利用小刀仔细清理采样器底部土柱土壤，削平并填补，之后垫一片滤纸并用胶布仔细封口粘住。将采样器竖直放立，用聚乙烯塑料袋装取适量土壤填实采样器上部预留的5cm空隙，再次用胶布封口。将采样器连同土柱土壤一起装入塑料袋，
避免震动，并放入蛇皮袋，运回实验室进行样品预处理。
70.4.样品预处理：
71.材料和工具：电子天平；镊子；小刀；卷尺；聚乙烯塑料袋；聚乙烯自封袋；记号笔和淋溶装置
72.4.1用于测定土壤氮养分含量的原状土柱
73.预处理时，将土柱放置于实验桌面上。打开密封的采样器后，首先将采样器内的凋落物用镊子仔细挑出，并装入自封袋中，之后用超纯水仔细清洗，去除表面土壤颗粒，在恒温干燥箱中75～85℃燥干至恒重，再用电子天平称量干重。采样器中的土柱土壤，用小刀分三层取出，三层土壤的收集顺序为：顶部0～5cm，底部10～20cm，中间5～10cm(
±
0.1cm)。取样深度用卷尺测量。每层土壤样品取出后装入塑料袋中，并仔细挑出土壤中可见的细根和石子等，最后将土壤充分混匀通过20目网筛，并立即称取鲜重，装入有编号的自封袋。挑出的土壤细根装入有编号的自封袋中后洗净，并挑出小于2.0mm的细根烘干保存并称重。通过20目的土壤样品，按四分法均匀取出两部分样品，一部分土壤样品自然风干后通过100目网筛以测定分析土壤氮等养分含量，一部分在恒温干燥箱中105℃
±
2℃燥干至恒重(烘干时长12～24h)以测定土壤含水率。剩余新鲜土壤样品，存储在3℃～5℃的冷藏室中，以等待测定分析。
74.4.2用于淋溶试验的原状土柱
75.将采样器1和土柱土壤去除封口后，直接安放到淋溶装置上，器身内的原状土柱底部铺上石英砂。淋溶前，土柱土壤先预培养一周(土壤添加超纯水到田间持水量，25℃暗培养)。该次试验，淋溶液分超纯水淋溶、硫酸铵溶液(无机氮)淋溶及凋落物浸提液(有机氮)淋溶等三种处理共9根淋溶柱。淋溶方式为在土柱上方多次缓慢加入淋溶液，底部烧杯收集渗滤液。每次淋溶所需时间约4～6h，待渗滤液不再滴落时，将土柱拿下并保存好，之后将烧杯中渗滤液通过0.45μm滤膜过滤后收集保存在聚乙烯塑料瓶中，并置于3～5℃冰箱冷藏待测。
76.测试例1
77.采用2mol/lkcl溶液，提取用于测定土壤氮养分含量的原状土柱中的可溶性氮。具体操作过程为：取土壤10.0g(
±
0.01g)和kcl溶液50.0ml(
±
1.0ml)，在恒温振荡器中以180～200rpm的转速振荡0.45～0.55h，温度为24℃～26℃。震荡提取液经0.45μm滤膜过滤后，3℃～5℃恒温冷藏待测。
78.土壤及渗滤液氮含量采用凯氏定氮法测定。土壤氮稳定同位素丰度测定，采用蒸馏法分离土壤氮组分并制成固体后，使用同位素质谱仪(mat-251，usa)测定分析。
79.由以上实施例可知本发明提供的氮素运移转化的采样装置能够直接固定土壤形状，取样时不扰动土样，获取与野外自然条件下尽可能接近的原状土柱土壤，保持土壤天然含水量和结构，不会对取样土壤各项理化指标和生物学指标造成影响。
80.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。