土壤呼吸强度范文（精选9篇）

土壤呼吸强度 第1篇

关键词：放牧压力,草原砂质栗钙土,土壤呼吸强度

草原退化的原因是多方面的, 主要为自然因素和人为因素综合作用的结果。众多的研究成果表明人为不合理的利用才是草地退化的根本原因, 如超载放牧、毁草开荒、砍伐乔灌木、滥搂薪柴、挖药材、滥用水资源等人为活动造成大面积植被破坏, 导致草地退化沙化, 环境不断恶化, 目前, 内蒙古草地退化速度日益加剧, 生境恶化, 草地急剧消失, 生态危机日趋严重, 已面临前所未有的严峻形势。因此, 要想解决内蒙古地区草地退化问题最重要的就是制定合理放牧制度和放牧率。

研究者们从不同的角度进行研究, 对于内蒙古地区的不同放牧压力下草原砂质栗钙土土壤呼吸的研究还未见过报导, 所以更有其研究的必要。本文从土壤学的角度, 深入地探讨在不同放牧压力下草原砂质栗钙土土壤呼吸活性的变化规律, 旨在了解和掌握草原退化对土壤呼吸活性方面的影响, 为草原土壤退化的评价提供有意的土壤学参数指标, 并为退化草原的改良与复壮以及建立合理的放牧制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在中国科学院植物研究所内蒙古草原生态系统定位研究站, 位于内蒙古自治区锡林郭勒盟白音锡勒牧场内锡林河中游北岸阶地上, 试验区地形开阔平坦, 土壤为砂质栗钙土, 腐殖质层厚度约为25cm, 钙积现象不明显。该区属于温带半干旱草原气候。

1.2 试验设计

试验地共设围栏样地24个, 每个面积为1hm2。试验用畜为同龄成年内蒙古细毛羊 (羯羊) 。6月建立围栏样地, 休牧2个月后, 于8月中旬完成植被和土壤本底调查。次年放牧试验正式开始。放牧率试验共设1.33 (R1) , 2.67 (R2) , 4.00 (R3) , 5.33 (R4) , 6.67 (R5) 只羊/hm2五个放牧率, 即4、8、12、16和20只羊分别轮牧于三个1hm2的围栏草地。每年5月20日开始, 先在S1-5区 (南1~5区) 放牧, 半个月后转至M1-5区 (中1~5区) , 再转至N1-5区 (北1~5区) , 如此轮牧直到10月5日, 每个围栏轮牧三次。以N区 (北6区) 为对照区 (不放牧) 。

1.3 研究对象及土壤样品采集

本文是以试验小区N、M、S 1~5区以及对照区 (N6区) 为研究对象。供试土样为16个, 放牧三年后在各小区采用“S”型随机布点、多点混合的采样方法, 每个小区的土壤混合样即为一个样本, 采样深度0~10cm。

1.4 分析项目及方法

土壤呼吸强度的测定:密闭静置培养法测CO2法 (碱溶液吸收法) 。

2 结果与讨论

2.1 不同放牧压力下土壤呼吸活性的变化

注:A:放牧率0 (羊/hm2) stocking rate zero (sheep/hm2) ;B:放牧率1.33 (羊/hm2) stocking rate 1.33 (sheep/hm2) ;C:放牧率2.67 (羊/hm2) stocking rate 2.67 (sheep/hm2) ;D:放牧率4.00 (羊/hm2) stocking rate 4.00 (sheep/hm2) ;E:放牧率5.33 (羊/hm2) stocking rate 5.33 (sheep/hm2) ;F:放牧率6.67 (羊/hm2) stocking rate 6.67 (sheep/hm2) 。

图1和图2反映了不同放牧压力下土壤呼吸随培养时间的变化率和累计曲线, 对照区 (未放牧土壤) 呼吸活性高于其它放牧压力土壤呼吸活性。放牧率为4只羊/hm2时土壤呼吸活性高于其它处理的土壤呼吸活性, 不同放牧压力下土壤呼吸活性培养1天时测定 (第一次测定) 的土壤呼吸值, 从大到小顺序依次为20.73 (4.00只羊/hm2) 、20.48 (0.00只羊/hm2) 、20.30 (2.67只羊/hm2) 、18.04 (6.67只羊/hm2) 、15.74 (5.33只羊/hm2) 、15.06 (1.33只羊/hm2) (mg﹒CO2-C/g) 。放牧率5.33只羊/hm2和放牧率1.33只羊/hm2比较低, 而在放牧率4.00只羊/hm2时, 土壤呼吸活性比较高。随着放牧压力的增大, 0.002~0.02mm、0.02~0.25 mm、<0.002mm微团聚体都在4只羊/hm2的牧压处达到最大值 (李景刚硕士论文) 由此说明, 在0~4只羊/hm2牧压范围内, 放牧压力的增大增强了土壤保水保肥能力, 在一定程度上促进了土壤质量的改善, 可见4只羊/hm2的牧压水平是草原理想化的放牧率;一 (下转第78页) 旦超出了此范围, 土壤的呼吸活性降低, 土壤<0.002mm的微团聚体含量减少, 而0.002~0.02mm和0.02~0.25mm粒径的微团聚体含量将增加, (李景刚硕士论文) , 土壤的保蓄能力又将重新降低。因此, 4只羊/hm2的放牧水平应该是草原所能承受的牧压上限。放牧率4只羊/hm2时呼吸活性最高, 可见, 适度放牧促进了草地生物量和生物 (包括土壤生物) 多样性的提高, 同时又促进了根系、凋落物、动物粪便以及土壤动物和微生物数量提高, 从而促进了土壤呼吸的提高, 过度放牧又促使草地退化, 植被稀疏、土壤条件恶化、土壤呼吸活性下降。

2.2 不同放牧压力土壤呼吸活性与土壤有机质的关系

在不同放牧压力下, 随着放牧压力的增大, 土壤呼吸活性首先增大, 在4只羊/hm2处呼吸活性出现最大值, 超过此牧压水平土壤呼吸活性随之减弱。土壤呼吸活性的变化与在放牧率4、5.33、6.67只羊/hm2时与土壤有机质含量呈极显著正相关, r=0.879* (p<0.01) , 而与放牧率0、1.33、2.67只羊/hm2时有机质含量呈极显著负相关, r=-1.000** (p<0.01) 。可见不同放牧压力下土壤呼吸活性可以部分表征土壤有机质衰减的程度。

土壤呼吸也是反映系统对环境胁迫响应的指标之一, 其速率变化与否以及变化的方向反应了系统对胁迫的敏感程度和响应模式。我们从表1可以看出, 随着放牧压力的增大, 不同放牧处理的土壤在室内培养35天后, 呼吸强度变动在1.16~1.35mg﹒CO2-C/g﹒soil/d, 总体来看, 不同放牧压力下, 砂质栗钙土土壤的呼吸活性比较低, 经t检验表明, 各放牧处理的土壤的呼吸活性差异不显著F值为0.02, 临界值F0.05=2.44

实际上, 本实验室内培养测定的基础土壤呼吸 (Basal soil respiration) 反映了微生物对土壤有机质的转化强度以及不同放牧率的差异。相关分析表明, 土壤呼吸活性与有机质含量呈显著相关关系 (r=-0.651*) 。

土壤呼吸是表征土壤质量和肥力的重要生物学指标, 土壤呼吸, 尤其是基础土壤呼吸部分反应了土壤的生物活性和土壤物质代谢的强度。

3 结论

土壤呼吸活性在各放牧率下变动很小, 但是在4只羊/hm2牧压水平出现变点和最大值, 超过此牧压土壤呼吸活性降低。

在放牧率0~2.67只羊/hm2时, 土壤呼吸活性与有机质含量极显著负相关, 可见不同放牧压力下土壤呼吸活性可以部分表征土壤有机质衰减的程度。

参考文献

[1]耿元波, 罗光强.农垦及放牧对温带半干旱草原土壤碳素的影响[J].农业环境科学学报, 2008, 27 (6) :2518-2523.

[2]高雪峰, 武春艳.草原土壤微生物受放牧的影响及其季节变化[J].微生物学通报, 2010, 37 (8) :1117-1122.

土壤呼吸强度 第2篇

离子强度对土壤与沉积物吸附多环芳烃的影响研究

以黄河三角洲表层沉积物与湿地土壤为对象,研究了离子强度对菲、苯并[a]芘在土壤和沉积物上吸附行为的影响.结果表明:不同Ca2+离子强度下,土壤与沉积物对菲、苯并[a]芘的吸附速率均较快,48 h吸附能够达到平衡,Ca2+离子强度对土壤和沉积物影响程度不同;土壤和沉积物的吸附等温线均呈线形,能较好地符合线性方程,可决系数R2在0.98以上,菲的KD值在24 ～130 mL・g-1之间,苯并[a]芘的KD值在3517～5081 mL・g-1;随着体系离子强度的`增大,土壤与沉积物对PAHs的吸附能力均降低,而且两者之间的吸附量差距明显降低,表明离子强度对土壤影响程度明显大于沉积物.

作 者：罗雪梅 刘昌明 LUO Xuemei LIU Changming 作者单位：环境模拟与污染控制国家重点实验室//北京师范大学环境学院,北京,100875刊 名：生态环境 ISTIC PKU英文刊名：ECOLOGY AND ENVIRONMENT年，卷(期)：15(5)分类号：X131.3关键词：土壤与沉积物 多环芳烃 吸附作用 离子强度

土壤物理特性对放牧强度的响应 第3篇

关键词：淡栗钙土,放牧强度,土壤物理性质

放牧是草地利用的主要方式之一，但是由于超载放牧等不合理利用造成草地退化日益严重，草地资源合理开发利用的关键是掌握科学合理的放牧强度。土-草-畜是一个相互影响的生态系统，土壤是牧草和家畜的载体，在放牧影响土壤性质的同时，土壤性质变化必然间接或直接的反映到牧草和家畜生产，研究放牧对土壤理化特性的影响，认识放牧对草地土壤退化的过程和机制，采取合理的放牧管理措施具有重要的意义[10,11]。

20世纪初，德国、俄国和英国的农业科学较发展。其中德国的Dr.Teir, Dr.Schubler, Dr.Schumacher, Dr.Bolni/1922-1945/、英国的Dr.Debi和俄国的А.Н.Костяков/1940-1951/, Н.А.Качинский, М.Г.Павлов, Н.И.Железнов/1956～1967/是世界土壤水分研究的代表人物[1,2]。Н.А.Качинский在1930年，初次推出土壤水分的测定方法[3]。

上世纪50年代起，在俄国科学家В.В.Докучаев的带领下树立明确的土壤水分研究目标，进行科学研究工作[4]。科学家А.А.Измиальский/1950/对土壤水循环和Г.Н.Высоцкий/1962/在土壤水分的研究取得的重要成果为该学科的理论基础[5]。

1973年，蒙古和俄罗斯的生物学家们组成一个团队，在蒙古的主要自然带做了定点实验研究，得出了大量有关土壤水热条件和物理性质的重要结论[5]。1973年蒙古和俄罗斯的生物学家们组成一个团队，在蒙古的主要自然带做了定点实验研究，得出了大量有关土壤水热条件和物理性质的重要结论[5.6]。其中砂质壤土的水分循环的测定和灌溉量的研究至今在实际生活起着重要作用[7]。

蒙古国科学家在建立水资源保护利用方案的过程中对蒙古国的土壤水文物理性质方面进行研究并出版了系列图书 (8) 。

一、研究方法

1. 研究区概况

试验在内蒙古农牧业科学院四子王旗基地开展的，北纬41°47′17″，东经111°53′46″，海拔1450米。地处中温带大陆性季风气候，年平均气温在1～6℃，北风和西北风多，年均风速4～5米/秒，大风主要集中在春季。历年平均降水量在110～350毫米之间 (15) 。试验区植被属短花针茅荒漠草原的地带性植被，试验地的植物群落类型为短花针茅+冷蒿+无芒隐子草，草层低矮，平均高度为8厘米，植被较稀疏，种类组成较贫乏。

2. 试验设计

设4个放牧强度，分别为重度放牧(heavily grazed, HG;2.0只/公顷)、中度放牧(moderately grazed, MG;1.4只/公顷)、轻度放牧(lightly grazed, LG;0.7只/公顷)和对照(CK)，每个放牧区重复3次，随机排序。供试羊为当地成年蒙古羯羊，从2004年开始每年放牧期为6个月，从6月初开始到11月末结束。每天早上6点将家畜赶入放牧区让其自由采食，下午6点赶回畜圈休息。放牧绵羊固定于最初指定的小区放牧。

3. 研究方法

在CK、LG、HG、MG四种不同放牧强度的小区内做1米1米1米的剖面，采用环刀分别在0～10厘米﹑10～20厘米﹑20～30厘米﹑30～40厘米﹑40～50厘米，50～60厘米，60～70厘米，70～80厘米，80～90厘米，90～100厘米土层进行取样;在每个小区内采用单环法测定土壤渗透率，设有三个重复。土壤比重采用比重瓶法;土壤水分采用TDR或FDR观测;土壤含水量采用烘干法;土壤孔隙度通过容重和比重来计算所得;烘干法测定土壤最大吸湿量;简易比重计测定土壤机械组成。

二、结果与分析

1. 不同放牧强度下土壤容重变化

土壤容重是指单位容积(包括孔隙在内)的原状土壤的干重，单位为克/立方米。容重用来表示土壤的松紧程度，疏松或有团粒结构的土壤容重小，紧实板结的土壤容重大。

(1) 土壤容重变化

根据图1可知0～10厘米土层的容重在CK小区1.42克/立方米，在MG、HG小区1.46克/立方米，随着放牧强度的加重土壤容重有增加趋势，但变化较少。随着土层厚度的加深土壤容重逐渐增加，尤其在CK小区变化明显，在LG小区随着土层的加深土壤容重逐渐降低，这可能与土壤空间异质性有关。

(2)不同放牧强度下土壤孔隙度的变化

图2所示，在0～10厘米土层，CK和LG区的土壤孔隙度要比HG和MG区高，由于CK和LG区的家畜践踏比HG和MG区轻。随着土层的加深土壤孔隙度在CK, HG小区逐渐降低，但是在LG, MG小区逐渐上升，变化规律与土壤容重相反。

(3)不同放牧强度下土壤最大吸湿量的变化

在0～30厘米上层的最大吸湿量在各放牧强度间无明显差异(图3)。从40厘米以下，CK区土壤最大吸湿水随土层的加深而下降，LG区的最大吸湿水随土层的加深而呈上升趋势，这与土壤容重、孔隙度和机械组成的变化有密切相关。

(4)不同放牧强度下土壤渗透速率的变化

从图4看出，随放牧强度的增加土壤渗透率下降，CK区的土壤渗透率最高，在前两个小时渗透速率为CK>LG>MG>HG;从第3小时开始HG区的渗透速率加快，这与随着放牧强的加强，土壤容重、孔隙度、土壤粒级、紧实度及土层间的土水势发生变化，使重度放牧区开始阶段的渗透速率缓慢，到后期加快。

(5)不同放牧强度下土壤机械组成的变化

从表1结果可看，土壤质地为砂质壤土，随放牧强度的增加<0.01毫米的物理性粘粒减少。因此，家畜的践踏使得土壤物理结构受到破坏，易受土壤风蚀，粘粒刮走，粗颗粒在表层聚集，具备了土壤沙化的条件。

2. 土壤不同物理性之间的相关性

从0～10、10～20、20～30厘米土层的土壤容重和孔隙度相关性来看，土壤容重与孔隙度有较强的负相关性。因此，放牧强度的增加，土壤容重增大，从而孔隙度减小。

三、结论

1. 在0～10厘米土层的随着放牧强度的增加土壤容重逐渐上升，土壤孔隙度随着放牧强度的增加逐渐减少，土壤容重和孔隙度呈负相关。

2. 土壤渗透速率随着放牧强度的增加呈现下降趋势。

土壤呼吸强度 第4篇

土壤呼吸作用作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,是当前碳循环研究中的`热点问题.对于土壤呼吸作用主要组成部分土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用影响因子的研究,有助于准确地评估全球碳收支.本文从气候、土壤、植被及地表覆被物、大气CO2浓度、人为干扰等方面综述了土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用的主导影响因子,指出这些影响因子不仅直接或间接地影响土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用,而且它们之间相互作用、相互影响,且各影响因子的地位和作用会随时空尺度变化发生相应改变.在此基础上,论文提出了未来土壤呼吸作用的研究重点.

作 者：贾丙瑞 周广胜 王风玉 王玉辉 JIA Bingrui Zhou Guangsheng Wang Fengyu Wang Yuhui 作者单位：贾丙瑞,王风玉,JIA Bingrui,Wang Fengyu(中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室,北京,100093;中国科学院研究生院,北京,100039)

周广胜,王玉辉,Zhou Guangsheng,Wang Yuhui(中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室,北京,100093)

土壤呼吸强度 第5篇

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

pHS-3C型酸度计,上海精密科学仪器有限公司。

氯化钙(分析纯),广州化学试剂厂;四水硝酸钙(分析纯),广州化学试剂厂;硫酸铵(分析纯),广州化学试剂厂;七水硫酸镁(分析纯),广州化学试剂厂; 硫酸钠(分析纯),广州化学试剂厂;碳酸氢钙(分析纯),广州化学试剂厂;氢氟酸(分析纯),广州化学试剂厂;硫酸(优级纯),广州化学试剂厂;硝酸(优级纯),广州化学试剂厂。

1.2 实验方法

(1)采集新鲜土壤(潮土和水稻土)直接装入PVC材料的圆柱子,做成长约15 cm的小土柱,共24个,分别连接成4组土柱,每组由6个小土柱自上而下地连接。

(2)按表1配制两种离子强度的模拟酸雨储备液。分别将两种离子强度的模拟酸雨储备液稀释100倍之后,用混合酸(cH2SO4:cHNO3=1.31)和25%的氨水,各配制成四种pH值(2.5、3.5、4.5、5.6)的淋滤液。

(3)对土柱采用与自然界最接近的间歇性淋滤方式,用两种离子强度的模拟酸雨溶液,分别进行四种pH值模拟酸雨的淋滤试验。每组柱子共淋9次,淋滤量为1.3 L/次,控制流速,收集各小土柱的淋出液,测定淋滤液的pH值。

注:根据确定的模拟酸雨的离子成分计算离子强度 I(I=1/2∑CiZi2)。

2 实验结果与讨论

2.1 相同离子强度下不同pH值酸雨淋滤液对土壤缓冲力的影响

由图1可知:(1)土壤对酸雨淋滤液有一定的缓冲能力,但随着酸雨淋滤次数增加,土壤缓冲能力降低,原因是随淋滤量增多,其土壤中可交换吸附H+的阳离子越来越少,导致土壤缓冲酸雨能力下降。(2)在不同pH值模拟酸雨淋滤下,各表层土壤淋出液pH值差别较大,pH值越低,淋出液的pH值也越低。这是由于改变了土壤介质以及土壤胶体表面电荷性质。当淋滤液pH值越小,即氢离子浓度越大时,土壤胶体表面更趋于带正电荷,与土壤介质表面间的静电吸附力增强,从而阻止其从介质表面释放出来,土壤缓冲能力就随之越弱。 (3)另外,表层土壤直接受酸雨的淋溶,是缓冲酸沉降的主体,因此最容易发生酸化。

2.2 不同离子强度下相同pH值酸雨淋滤液对土壤缓冲力的影响

由图2可知,模拟酸雨淋滤液的离子强度越大,土壤淋出液的pH值就越低,土壤对酸雨的缓冲能力就越弱。原因是离子强度增大,胶体的释放量减小,释放速度降低,机理可以由胶体表面双电层厚度受离子强度大小的影响来解释[5]。因此,在土壤环境中,高离子强度对土壤缓冲能力是不利的。

3 结 论

模拟酸雨淋滤液的氢离子浓度和离子强度影响土壤的缓冲能力,氢离子浓度越大(即pH值越低),离子强度越大,土壤的缓冲能力就越弱。

参考文献

[1]张晓勇,王振红.当前酸雨形势和治理对策[J].环境科学与管理,2007,32(8):85-88.

[2]王敬华,张效年,于天仁.华南红壤对酸雨敏感性的研究[J].土壤学报,1994,31(4):348-354.

[3]Oden,S.The acidity problem—an outline of concepts[A].DochingerI.S and Seliga T A.1st.Internat.Symp.Acid Precipitation and theForest Ecosystem[C].Rep.NE-23,Pennsylvania,1976:1-36.

[4]武汉大学.分析化学[M].北京:高等教育出版社,2000:31-32.

土壤呼吸强度 第6篇

关键词：土壤固化剂,派酶,密实性,无侧限强度,作用机理

所谓土壤固化剂,是指添加到土壤中,通过水化反应、离子结合、生物作用等过程,能在一定程度上改善土壤密实性、强度、弹性和耐水性等性能的材料。土壤固化剂普遍用于建筑工程的土壤加固和防渗、筑路、停车场、施工便道、机坑回填等工程,也普遍应用于高速公路、一级公路、二级公路、城市道路的基层及底基层。在油/气田工程中,土壤固化剂还常被用于油田路、通井路、通乡路、油田井站的竖向路、广场路、小区路的路面结构层或面层等。总之,土壤固化剂可用于对所有土壤的加固、稳定和抗渗处理。

根据使用时的状态,土壤固化剂有粉剂和液剂2类。根据化学组成,土壤固化剂有无机、有机以及无机有机复合型。而根据作用机理,土壤固化剂主要有无机胶结类、离子类、有机类和生物酶类等4大类。

最先使用的土壤固化剂为石灰、水泥、(石灰+火山灰)、(石灰+粉煤灰)、(石灰+炉渣)、石(灰+粉煤灰+矿渣)等。而当前,有机类(高聚物类、表面活性剂类)和酶类(如派酶)物质也开始被应用于土壤的加固处理。但我国对有机类和酶类固化剂的研究工作很少[1,2,3],工程中往往直接按照产品说明书应用,工程质量良莠不齐,十分有必要通过室内试验对其作用效果、最佳掺量以及作用机理等方面开展研究。

本文简述派酶土壤固化剂(以下简称派酶)的基本性能、发展历史和应用效果,并通过试验对派酶的性能、最佳掺量和作用机理进行研究。

1 派酶

1.1 派酶的基本性能

派酶的英文名称为“PERMA-ZYME”,中文名称还有“帕尔玛”等。派酶富含酶类物质,这些酶类物质经自然发酵和提取而成。

商品化派酶为浓缩的液态制剂,棕褐色,气味芳香,密度为1.08 kg/L,沸点为100℃。存放条件:在49℃以下非露天存放,保存期为2年以上,产品冷冻后经消融仍可使用。储存时应避免与强酸、强碱性物质接触。派酶性能稳定,但在高温条件下会失效。派酶无毒性,为可兼容物,不含聚合物,不产生毒害性副产物,对使用环境无特殊要求。

1.2 派酶的发展历史

派酶由美国国际酶制品公司于20世纪40年代研制成功。20世纪50年代首次被用于道路建设中,刚开始主要用于乡村泥路的铺筑,取得很大成功,所铺筑路面刚性大,防水性好。20世纪80年代开始,派酶逐渐被应用于道路基层、建筑物基础加固等领域。据统计,使用派酶修筑的道路已有数万公里。我国于1995年7月第1次引进派酶产品,在北京昌平修建了第1条派酶试验公路。接着,派酶先后在我国青海、云南、上海、浙江、安徽、江苏和四川等地进行了工程应用[4,5,6]。近年来,有关派酶与其它品种固化剂的试验对比以及派酶作用机理的研究,开始受到科技界的重视[2,3]。

研究和应用结果初步表明,派酶最大的特性就是具有很好的催化作用,在一定压力作用下能够促使土壤固化,达到较高的强度。目前市场上的土壤固化剂多以水泥基材料为主,对环境均存在一定影响,而且其效果尚需进一步验证。而派酶的广泛应用,为道路的修筑提供一种较为成熟的解决途径。目前市场上使用的派酶型号已经由当初的1X发展为11X。可见,根据工程需求,派酶技术不断得到创新和发展。

1.3 派酶的突出特点

尽管无机类土壤固化剂,如石灰、水泥、石灰+火山灰、石灰+粉煤灰、石灰+炉渣、石灰+粉煤灰+矿渣等,都能大幅度提高土壤的密实度、强度和耐水性,但他们对土质的负面影响却很大,固化后的土层基本不再有植物生长能力,而且今后路面翻修、拆除后的处置问题很大。再者,经这些固化剂处理的土壤中含有很多碱性物质,碱性物随雨水渗入周边田地会对农作物产生危害作用。

相反,派酶土壤固化剂作为一种酶,不仅本身无毒无害,绿色环保,而且存在以下突出优点:

(1)派酶的存在使土壤摩擦力减小,只需要较小的压力就可以压实土壤,土壤压实度甚至可超过100%。

(2)派酶迅速渗透到土壤颗粒中,防止表面水分蒸发,从而可减少约25%的用水,就能使土壤达到最佳含水量。

(3)土壤经派酶催化后,很快形成一道致密防水层,可长期抵抗风雨侵蚀。经派酶处理的土层渗透率低于110-6 cm/s。

(4)经派酶处理的硬土路面或道路基层、底基层受温度的影响很小。环境温度介于-40～40℃时对派酶的作用几乎无影响,派酶固化土层经多次霜冻-解冻循环后,性能变化不大[6]。

(5)派酶的作用在于催化,本身不会对土壤和水质造成污染,催化后的土壤只是密实度提高,并无新的物质产生。

(6)派酶用量少,性价比高。只需将派酶产品按1∶(1000～2000)用水进行稀释,喷洒在土壤中压实即可。

尽管文献报导的工程应用实例较多,但迄今为止仍鲜见对其改善土壤密实性、强度等性能方面的系统研究。因此,十分有必要开展本文的试验,首先就派酶-11X产品在不同掺量情况下,对土壤密实性和无侧限强度的改善效果进行试验,并采用XRD分析其作用机理。

2 试验

2.1 原材料

(1)派酶-11X:上海慈基生物技术有限公司提供;

(2)土壤:土壤取自上海,属于杂填土;

(3)碎石:花岗岩碎石,5～15 mm连续级配;

(4)砂子:ISO标准砂,最大粒径5 mm,细度模数2.4。

2.2 试验方法

试验参照JTJ 0571994《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中“无机结合料稳定土的无侧限抗压强度试验方法”进行,无侧限抗压强度选用100 kN万能试验机进行测试。

试验中将派酶用水稀释,稀释比(派酶与水的质量比,下同)分别为1∶500、1∶1000、1∶2000和1∶3000。首先将素土、碎石、砂子与水(或派酶稀释液)充分拌匀,密封存放24 h后用于试件成型。试件成型采用液压千斤顶进行。成型后的试件在室内[温度(20±3)℃,相对湿度(70±5)%]养护7 d和28 d后测其表观密度和抗压强度。

将掺与不掺派酶的试件破碎后,取其内部碎片,分别在(60±5)℃下烘干后磨细,并用质量比为1∶1的无水酒精-丙酮溶液终止化学作用(如果存在化学作用的话),用于XRD分析。

2.3 配合比及试件尺寸

为对比派酶在素土和含骨料土(骨料+土)中的作用效果,试验所用试件共2类:

(1)素土试件。Φ50 mm50 mm圆柱体。成型时基准试件不加派酶,掺与不掺派酶的土壤含水率均为12%。

(2)骨料+土试件。Φ50 mm50 mm圆柱体。其中所用骨料按m(碎石)∶m(砂子)=60∶10配制而成,m(骨料)∶m(土)=70∶30。掺与不掺派酶的骨料+土试件中,土的含水率均为12%。

3 试验结果与讨论

3.1 素土试件的表观密度和无侧限抗压强度

养护好的试件先称量,测试干表观密度,然后测试无侧限抗压强度。基准试件及掺派酶-11X与水的比例分别为1∶500、1∶1000、1∶2000和1∶3000的素土试件,其干表观密度与无侧限抗压强度的比较分别见图1、图2。

从图1可见,在素土中掺加派酶可以在一定程度上增加土壤的干表观密度,而且素土28 d的干表观密度比7 d有少许增大,说明素土的结构随时间延长会更加紧密。

从图2可见,素土压实后本身具有一定强度,7 d和28 d时分别为3.33 MPa、4.23 MPa。掺加派酶后,素土强度有较大幅度增大,当派酶与水的比例分别为1∶3000、1∶2000、1∶1000和1∶500时,7 d强度与基准试件相比分别提高了8.1%、14.1%、15.3%和19.8%;28 d强度比基准试件分别提高了14.2%、21.0%、21.5%和21.5%。从中可以看出,随着派酶掺量的增加,素土的强度逐渐提高,但当派酶掺量增加到一定值时,素土强度提高的幅度很小。派酶与水的质量比为1∶2000～1∶1000时较经济合理。

3.2 骨料+土试件的表观密度和无侧限强度

当派酶-11X与水的质量比分别为1∶500、1∶1000、1∶2000和1∶3000时,掺派酶的骨料+土试件与基准试件的干表观密度、无侧限抗压强度的比较分别见图3、图4。

从图3可见,掺加派酶有助于增加骨料+土的密实度,这一方面是由于派酶的存在使素土的堆积结构更紧密,另一方面在于派酶的催化活化有助于强化砂、石骨料与黏土之间的界面粘结结构。

从图4可见,7 d和28 d时,骨料+土压实后本身的无侧限强度分别为2.50 MPa和3.05 MPa。掺加派酶后,骨料+土的强度有一定程度的增加,对于7 d龄期,当派酶与水的比例分别13000、1∶2000、1∶1000和1∶500时,试件强度比基准试件分别提高14.8%、18.0%、22.8%和25.2%;对于28 d龄期,掺派酶后强度比基准试件分别提高为26.9%、31.8%、36.1%和40.3%。从这些数据看,随着派酶掺量的增加,骨料+土试件的抗压强度逐渐增大,但当派酶与水的质量比超过1∶1000后,抗压强度提高的幅度变小。派酶与水的质量比为1∶2000～1∶1000时较经济合理。

对比图4和图2中基准试件的数据可见,对于加入骨料的压实土,其无侧限抗压强度比压实素土有所降低。本次试验采用的m(骨料)∶m(土)=70∶30,其7 d和28 d抗压强度分别比素土试件降低24.9%和27.9%。

比较派酶掺量相同情况下,对素土和骨料+土2种体系的增强效果,不难看出派酶对骨料+土体系的增强效果更加明显,这更进一步表明派酶同时能增强骨料与土之间结合界面的紧密程度。

3.3 XRD结果分析及机理探讨

对养护28 d的基准素土与掺派酶的素土试件(派酶∶水=1∶1000)分别进行XRD分析,结果见图5、图6。

比较图5和图6可以发现,2个图谱中都是在2θ为26.68°、20.9°和51.2°处有较强的衍射峰,且峰强也几乎未发生变化。这说明是否掺派酶,土壤的成分和结晶体均十分稳定,没有发生化学反应或重结晶现象。

土壤是自然界中硅酸盐岩石(主要是长石)经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密的土状或致密块状矿物,是多种微细矿物和杂质的混合体。土壤的基本化学组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO等,其矿物成分十分复杂,因土壤化学组成和生成条件而变化,主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、伊蒙混层、绿蒙混层、凹凸棒石和海泡石等。2个XRD图谱中的衍射峰即是由SiO2、Al2O3、Fe2O3和MgO组成的复杂晶体的特征峰,且从图5可以看出,土壤中大多数成分以无定形状态存在。土壤中晶体有片状、管状、球状及六角鳞片状等。将土壤与水拌合后能塑化成各种形状,水分蒸发后其形状不发生变化,且会产生一定的机械强度。采用无机矿物固化剂处理黏土,虽能较大程度提高黏土层的强度,但实际上此时黏土是被包裹在无机胶凝材料固化体中,破坏了土质。采用在黏土中掺加微量土壤酶的技术,可增加黏土的密实性和强度,但不会破坏黏土组分、矿物及结构。

派酶是土壤酶的一种,它被膨胀性和非膨胀性土壤吸附后与金属阳离子交换,从而使金属阳离子释放出来。在膨胀性的黏土结构中,酶可被吸附在结构内部,也可被吸附在外部。将派酶加入土壤,可使土壤中的三价铁还原为二价铁,使得土壤的吸水膨胀倾向消失,增强土壤的密实性。在一定压力下,派酶的存在可使这一过程快速进行。酶可以和大量有机分子结合生成中间有机物,它同土壤结构交换时破坏土壤结构并产生屏蔽作用,从而防止继续吸附水分。再者,派酶能降低水的表面张力,促使水分对土壤的渗透,使含水的微细土产生挤压作用而填充空隙,从而形成坚固、紧密、永久的土基层。

掺加派酶的骨料+土试件的无侧限抗压强度提高的幅度比素土试件更高,这是因为派酶还有助于改善骨料与土的界面区结构。

4 结语

(1)派酶已广泛用于土壤的加固,在路基工程、坑道填埋、油田钻井等工程发挥着重要的作用。

(2)当派酶∶水=1∶3000～1∶500时,掺加派酶的素土和骨料+土的干表观密度有一定程度的增大,掺加派酶的素土试件7 d和28 d无侧限强度分别比基准试件提高8.1%～19.8%和14.2%～21.5%,掺加派酶的骨料+土试件7 d和28 d无侧限强度分别比基准试件提高14.8%～25.2%和26.9%～40.3%。

(3)在实际工程应用时,可按派酶∶水=1∶2000～1∶1000的比例进行稀释,直接将稀释液喷洒到干燥的土壤中翻拌后压实,或者按比例将派酶浓缩液喷入含水率适中的湿土壤中翻拌均匀并压实。

(4)派酶的掺入对土壤的化学成分和晶体数量、晶体结构等均无影响,其作用机理在于:被土壤吸附、降低水的表面张力以及改善骨料与土的界面区结构等。

参考文献

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[2]朱瑞赓,郭见扬.派酶在垃圾和淤污泥资源化中的作用[J].土工基础,2008,22(3):91-92.

[3]程培峰,李国栋.正交设计在加固土试验研究中的应用[J].低温建筑技术,2008(3):72-73.

[4]樊恒辉,高建恩,吴普特.土壤固化剂研究现状与展望[J].西北农林科技大学学报,2006,32(2):141-146,152.

[5]王清文.土壤固化剂[J].油气田地面工程,2009,29(9):93.

酸雨胁迫对青冈土壤呼吸的影响研究 第7篇

关键词：酸雨,常绿阔叶林,土壤呼吸

1 酸雨对森林生态系统及土壤呼吸的影响

森林是陆地生态系统中最重要的组成部分。酸雨对森林生态系统的直接危害表现在对森林植被根、茎、叶的伤害。酸雨能够加速叶片老化, 使叶片枯蔫甚至凋落死亡, 并干扰植物的正常代谢过程[2~3]。其间接伤害表现在酸雨能够加速土壤酸化, 导致盐基离子大量淋失和土壤肥力下降, 使一些有害元素活化, 伤害植物根系, 并影响土壤微生物的活性以及有机物的分解。酸雨主要是迫使土壤理化性质发生改变, 进而改变土壤中生物的平衡, 并间接对树木产生影响[4]。

2 实验地自然概况及实验的材料和方法

实验地位于浙江省临安市 (E119°44′, N30°16′) , 属亚热带季风气候, 全年平均降雨量1628.6mm, 多年平均温度为28.1℃, 历年平均日照1939h, 无霜期约234d。

土壤采实验地20cm表土 (黄红壤) , 采回后经风干、磨碎、过2mm筛、保存, 放于培养苗木的盆中, 测量供试土壤理化指标。

2.1 实验温室布置

选取长势较好且基本一致的2a生青冈幼苗移栽到实验地, 取当地的黄红壤去石砾和植物根系后作为栽培土, 每个小区的面积为2.6m2, 每个小区栽植9株, 上有塑料薄膜用以遮挡自然降水, 但不影响植物的正常生长[5]。在缓苗期间, 用自来水浇灌, 经6个月恢复生长后, 进行2个不同梯度的酸雨处理 (p H2.5和4.0) 和1个对照处理 (p H5.6) (见图1) 。

2.2 酸雨配置及喷施

临安市常年酸雨p H值3.8~4.0, 酸雨频率97%。据此范围以及酸雨平均离子组成 (硫酸型为主, SO42-:NO3-体积比为8:l, 用H2SO4 (98%) 母液及HNO3 (75%) 按体积比 (V/V) 8:1配制成酸雨母液。用水将母液稀释成p H值2.5、4.0和5.6的3种酸雨溶液, 分别代表重度酸雨处理, 中度酸雨处理和对照组 (CK) 。

用喷雾器均匀喷洒不同p H值的模拟酸雨, 喷洒高度1.5m左右, 每次从叶片小心喷洒, 至其滴液并进入土壤。根据临安市多年的月均降水量, 平均每株植物每次喷淋的酸雨量约为130m L (与当地总的降雨量基本持平) , 月酸雨量分成8次均匀喷淋, 分成2~3d均喷洒完1次的喷洒量。喷淋期间适当补水, 以补足正常降雨量。

2.3 实验指标土壤呼吸速率测定

土壤呼吸测定采用动态气室法, Li-cor8100 (Li-cor., Lincoln, NE, USA) 连接短期测量叶室 (10cm) 进行测定。Li-8100温度探针及适配EC-10土壤水分探头 (Decogon, Devices, Inc., Pullman,

WA) 同步实时测定土壤表层的温度 (5cm) 和土壤体积含水量 (10cm) 。每一区组幼苗随机选取3株连续测定土壤呼吸, 要求苗木长势、土壤表层性状基本一致。

3 酸雨胁迫对土壤呼吸的影响

土壤呼吸是土壤碳库的主要输出途径和大气CO2重要的源。全球每年土壤呼吸释放的CO2量高达50~75GTC, 为化石燃料燃烧释放量的10倍以上, 因此即使是土壤呼吸的微小变化, 也将会对全球碳平衡及温室效应产生重大影响[6~7]。全球常绿阔叶林的面积约1.6~2108km2, 其土壤中的碳占全球土壤碳的43%, 常绿阔叶林土壤呼吸亦是陆地生态系统土壤呼吸的重要组成部分, 因此研究常绿阔叶林土壤呼吸对探讨全球CO2变化及其影响具有重要的意义。常绿阔叶林作为演替的顶级群落, 具有很高的生物量, 分解产生很多有机酸, 加上酸沉降的影响, 导致土壤p H值较低, 研究酸雨对常绿阔林土壤呼吸的影响具有重要的现实意义[8]。为揭示酸雨胁迫对常绿阔叶林土壤呼吸的影响, 本章选择浙江省阔叶林乔木层主要树种重要值前3位的青冈为研究对象。在酸雨大棚中, 对模拟喷施p H2.5、p H4.0的酸雨并以p H5.6为对照, 测量了土壤呼吸CO2的释放量, 揭示不同的酸雨梯度对青冈苗木土壤呼吸的影响, 为当今酸雨环境下研究亚热带常绿阔叶林土壤碳释放量的变化提供理论依据[9]。

4.1 青冈土壤呼吸的日变化

p H2.5

酸雨胁迫下青冈苗木土壤呼吸日变化, 如图2所示, 不同酸雨处理下, 青冈苗土壤呼吸速率的日变化基本上呈单峰曲线, 但不同月份土壤呼吸的变化趋势不同。在不同酸雨处理下, 青冈苗木土壤呼吸速率的峰值出现在12:00或14:00。CK处理下, 4月份的青冈土壤呼吸速率日变幅最小, 为0.48~0.67umolm-2s-1。中度酸雨处理下, 6月份的青冈土壤呼吸速率日变幅最大, 为1.73~3.24umolm-2s-1。

4.2 青冈土壤呼吸的月变化

用各月份土壤呼吸日变化的均值来表征土壤呼吸的月均值。酸雨胁迫下, 青冈苗木土壤呼吸的月动态变化显著, 在不同酸雨处理下, 青冈苗木的土壤呼吸速率的月变化均呈单峰曲线, 但峰值大小和出现的时间有所不同, 如图3所示。在CK (p H5.6) 处理下, 土壤呼吸速率的峰值均出现在7月份, 青冈土壤呼吸速率的峰值为2.30umolm-2s-1;在中度酸雨 (p H4.0) 处理下, 青冈的峰值均出现在6月份, 分别为2.30umolm-2s-1;在重度酸雨 (p H2.5) 处理下, 青冈的峰值均出现在7月份, 分别为1.67umolm-2s-1。

4.3结语

本文详细地对青冈苗木的土壤呼吸进行统计分析, 结果表明, 在实验周期内, 青冈苗木土壤呼吸均呈单峰, 最小值出现在4月份, 最大值出现在6月或7月。同一酸雨对不同树种的土壤呼吸的影响不同, 同一树种在不同酸雨胁迫土壤呼吸速率也存在明显差异。研究表明:青冈苗木土壤呼吸速率日动态变化均呈单峰, 最大值出现在12:00或14:00, 土壤呼吸速率的季节性变异显著, 最小出现在4月份, 最大值出现在6月或7月。

本研究中, 与CK (p H5.6) 处理的青冈苗木的土壤呼吸相比, 中度酸雨 (p H4.0) 对土壤呼吸起促进作用, 重度酸雨 (p H2.5) 对土壤呼吸起到抑制作用。

参考文献

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土壤呼吸强度 第8篇

1 材料与方法

1.1 材料

现场调查和取样地点在黑龙江省国营农场总局红兴隆管理局853农场二分场四队,土壤类型为岗地白浆土。土壤物理特性见表1。

1.2 方法

1.2.1 土壤剪切试验

土壤剪切试验采用日本DIK剪切试验仪[图1(a)]测定不同垂直压力下的土壤的抗剪切力和摩擦力,并计算出土壤的内摩擦角、外摩擦角。测定时,根据试验目的选择不同的环安装在仪器支架上,把环放在事先修平的土壤平面上,使环与土壤充分接触,剪切试验用有突起的剪切环[图1(b)]、摩擦试验用平面摩擦环[图1(c)]。首先在不施加压力(P=0)的状态下转动转矩扳手,纪录最大读数(T),以后每次增加5 kgcm-2压力,记录不同P值下的T值,再根据公式(1)计算出垂直应力。

undefined

其中σ为垂直应力(Pa),R1为环外径=0.05 m,R2为环内径=0.03 m

转矩扳手测得的T值可以通过公式(2)计算出剪切应力或摩擦应力。undefined

其中τ为剪切应力或摩擦应力(Pa),T为测定的转矩(N-m)(牛顿米)。

通过回归分析计算出土壤的内、外摩擦角以及土壤的内聚力和粘着力。

1.2.2 土壤脆性

采用钢材脆性试验仪[10]测定土壤脆性,其基本结构见图2,包括仪表盘、剪切锤和支架等部分。

试验时,先将供试的土壤制成不同含水量的土柱(φ2 cm5 cm,测定样品重量为M0),放在仪器台上,用剪切锤击碎土柱样品,计算击碎土样所耗能量。其计算公式为:

Ef=MpgR(cosβ-cosα) (3)

Ef为能量(N-m),G为重力加速度=9.8 ms-2,Mp为剪切锤质量=1.99 kg,R为剪切锤旋转半径=0.333 m,α为打击前剪切锤的角度(deg),β为打击后剪切锤角度(deg)。

每次打击后收集散落的土样碎块,逐一称取重量,按照重量大小分为四个级别:

碎屑:M0<0.1

小块:0.1M0<0.2

中块:0.2M0<0.3

大块:M0≥0.3

计算各分级的百分比。供试的土柱制作方法为:将风干的土壤样品加蒸馏水调至接近液限水分,搅拌后压入特制的塑料管内,取出后阴干至不同水分状态,备试验用。同一条件下的试验重复3～4次。

2 结果与分析

2.1 抗剪强度分析

表2中土壤内聚力和粘着力,是指在垂直应力等于0的条件土壤的抗剪切应力和土壤金属环之间的摩擦应力。前者反映了土壤颗粒之间的结合力,后者则反映了土壤和金属之间的粘着力。从表2可看出,白浆层土壤内聚力最大,淀积层次之,耕层最小。土壤粘着力淀积层最大,依次为白浆层、耕层。各土层内摩擦角变化在31°～46°,无规律性;土壤外摩擦角由耕层向淀积层呈逐渐增加趋势。从2次不同土壤水分条件下的测定结果看出,土壤水分升高,内聚力和内外摩擦角均有降低趋势;而土壤粘着力则相反。

2.2 破碎性分析

由图3白浆土不同层次土壤水分与消耗能量关系可看出,破碎耕层土(Ap)消耗能量最少,表明耕层土壤脆性最强,白浆层(Aw)居中,淀积层土(B)在低水分状态下较容易破碎,高水分时难以破碎,土壤脆性最弱。耕层和淀积层土壤在低于塑限含水量(Ap:PL=27.2%,B:PL=26.1%)时,消耗能量随土壤含水量增加而增加,并在塑限值附近形成峰值。超过塑限含水量,破碎土壤所消耗的能量随土壤含水量增加而降低。而白浆层(Aw:PL=18.3%)土壤却未表现出这种特点,随着土壤水分增加,消耗能量下降。表明土壤脆性随土壤含水量增加而增加。

从图4不同土层破碎后的土块组成状况可看出,各土层随土壤水分增加,破碎时所形成的大、中土块比例增加。耕层土壤在破碎时产生的大土块比例低,其次是白浆层土壤,淀积层土壤产生的土块最多。

综合图3,图4可以推论:在机械耕作深度仅限于耕层土壤时,在土壤含水量较低条件下作业,耕作阻力小,碎土效果好;以打破白浆层为目的耕作时,土壤含水量对总耕作阻力影响不明显,但是含水量低,破碎白浆层效果好;如果耕作是以混拌白浆层和淀积层为目的机械作业,土壤含水量低,耕作阻力小,碎土效果佳,混层效果好。

3 结论与讨论

在岗地白浆土进行现场剪切试验结果表明,白浆层土壤内聚力最大,淀积层次之,耕层最小。土壤粘着力淀积层最大,依次为白浆层、耕层。土壤外摩擦角由耕层向淀积层呈逐渐增加趋势。土壤水分高,内聚力和内外摩擦角均有降低趋势;而土壤粘着力则相反。

材料力学认为,钢性物体在受到外力破坏时会产生断裂或变形,前者称为材料的脆性断裂,后者称材料的为塑性屈服。切断材料的瞬间所需要的能量大小直接反映了材料脆性的强弱,脆性强的材料需要能量小,反之,需要能量大。土壤在受到外力破坏时表现脆性强度的强弱,一方面取决于土壤质地、结构和有机质含量等因素,同时也受土壤含水量大小的影响。当土壤含水量低于塑限值,表现为脆性;土壤含水量在塑限和流限之间,则表现为塑性。此外,由于土壤不是刚体,在受到破坏时,不会像普通钢体材料那样形成断裂,而是破碎成若干个小的土块。通过对土壤破碎性研究,了解机械破碎白浆土时土壤水分与消耗的能量大小以及破碎后的土块组成情况。结果表明,耕层土(Ap)最易被破碎,白浆层(Aw)居中,淀积层(B)难以破碎。耕层和淀积层土壤在含水量低于塑性界限值阶段,破碎土壤所消耗的能量随土壤含水量增加而增加,并在土壤塑限值附近形成峰值,之后随土壤含水量增加而降低。破碎白浆层土壤所消耗的能量随土壤含水量增加而降低。

各土层破坏土壤时形成的土块大小分布,随土壤水分增加,大土块比率增加。耕层土壤易破碎成较小的土块和土屑;白浆层土壤居中,淀积层不易破碎。当机械耕作深度仅限于耕层土壤时,在低土壤含水量条件下作业,耕作阻力小,碎土效果好;耕作以打破白浆层为目的时,土壤含水量对总耕作阻力影响不明显,但是含水量低,破碎白浆层效果好;如果耕作是以混拌白浆层和淀积层为目的,土壤含水量低,耕作阻力小,碎土效果佳。

参考文献

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[9]贾会彬,刘峰,赵德林,等.白浆土某些理化性状与改良的研究[J].土壤学报,1997,34(2):130-137.

土壤呼吸强度 第9篇

土壤深层呼吸是监测植物生长状况的重要依据[1],深层呼吸的状态反应了土壤碳循环的能力,对植物的生长以及土壤植被的长期发展有重要影响[2]。影响土壤呼吸的因素有温度、湿度、压力等环境条件,其中温湿度的测量是非常重要的影响因素[3]。现阶段土壤呼吸检测主要停留在土壤表面[5]的土壤呼吸状况检测上且多为离线检测[6],使得测量过程具有一定的滞后性并且不能达到长期监测[7]的目标。建立包含二氧化碳浓度、温度、湿度[8]的土壤深层呼吸状态的在线检测模型对农业生产的长期发展研究具有重要的现实意义。

现阶段,土壤呼吸检测主要方法有间接和直接测定法[9]。间接测定多受检测时间、离线分析等条件制约,难以实现在线监测[10];直接测定主要有静态气室法、动态气室法和微气象法[11]。由于静态气室测量所需的时间较长[12],微气象法对土质的一致性要求较高、适用性较差[13]。因此,系统采用动态气室实现在线检测,结合现场实际需求,提出了土壤深层多点呼吸在线检测方法。该方法采用多线程数据采集与处理,数据的可靠性通过贝叶斯[14]去噪声处理得到保证。通过对不同土质多点检测试验田长时间运行分析,该方法具有稳定性在线检测与可靠性分析较高等特点。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

土壤中呼吸状态的检测针对不同的土质和深度具有不同的特点:质地由稀到密、土壤由酸到碱等[15]。为了研究不同土质、深度的土壤呼吸状态的变化规律,预设试验田中共划分为95个检测点,分别填制5种不同性质的土壤,并在20,50,100cm深度设置采样装置。系统将底部开口、顶端装有过滤装置和气管的气室埋入待测、不同深度的土壤里面;待经过预置时间稳定后,土壤中气体散入气室;检测时,由气泵抽取进入真空容器内进行测定[16]。工控机上的检测控制软件通过PCI系统总线控制电磁阀实现多点在线测量,测量数据返回后,进行多线程同步数据分析、结果显示与存储,测量原理如图1所示。

1.2 总体设计

系统的控制中枢通过PCI系统总线进行在线采集的控制、数据采集与处理;通过把气室中气体抽入二氧化碳传感器LI-840实现气体检测,通过保护型温湿度传感器现场采集并转化成电信号传输到PCI系统总线中实现土壤温湿度检测,由中控室进行多点控制与采集,总体结构如图2所示。

根据检测面积、土质划分、测量精度要求进行土壤区域划分,在各小块种植区安装小型呼吸室,并在土壤3个不同深度(20,50,100cm)层面上测量。在工控机中设置定期测量时间与测量条件,当达到设定时间时,工控机通过PCI总线给电控柜发出检测信号,开启逐点在线测量。电控柜开启温湿度测量与气泵,气泵抽取气体后通过红外法进行二氧化碳浓度分析。检测现场使用介电常数法测量土壤湿度,使用PT100四线制法测量土壤温度,最后由电缆传入电控柜。集成电路采集到的温湿度信号通过PCI总线传入工控机并进行实时数据分析与处理。

2 关键部分设计

2.1 温湿度的测量

综合考虑测量范围、稳定性以及体积大小等因素[17],土壤湿度检测系统采用介电常数的方法进行土壤湿度的检测;针对低温度的短期内温度微小变化,选用铂电阻进行温度检测。信号传输中,系统采用四线连接及电流传输来克服测量信号因长距离传输造成的衰减。系统使用由低温漂精密电阻构建的信号变换电路实现I/U信号转换,通过多路开关电路切换实现多点测量,通过PCI总线采集转换后信号并进行实时处理,测量原理如图3所示。

2.2 二氧化碳浓度测量

由于CO2对红外线特定波长(4.26 μm)的选择性吸收明显并且与浓度成较好的线性关系[18],本在线检测方法采用单波长非色散红外分析法进行测量;然后,根据红外吸收光谱得出CO2浓度;最后,通过提取特征峰的原理实现CO2浓度的在线检测。

在检测过程中,系统采用有效低于最大值的次数作为有效判决依据,评价系数作为数据提取依据,最终提取出实测CO2浓度。测量过程中,在峰值左右均有数据且波动不大情况下,设计数据提取方法为

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式中 CCO2CO2浓度值;

HCO2CO2水分值;

N评价次数;

CICO2浓度最大值;

CI+iCO2浓度最大值位置偏移后对应的值;

NyCO2浓度最大值左右偏移总数;

I满足测量条件最大值位置;

i数据位置;

Px评价系数。

数据分析过程中,针对多数据点相对于评价系数波动较大情况,系统删除该点数据,从现有数据中找出最大值,重新转入判断处理,限定次数内找到符合情况数据,则把符合情况数据作为实测数据,完成CO2浓度测量,否则重新CO2浓度进行测量。

3 试验与结果

3.1 试验基本条件

田间性能试验在四川省绵阳市的青义镇青阳村实验地中进行。试验地为亚热带湿润季风气候,冬季半年受偏北气流控制,气候干冷少雨;夏季半年受偏南气流控制,气候炎热、多雨、潮湿。由于市境内地势北高南低,高差悬殊大,地貌由山地向丘陵过渡,形成了较为独特的气候特点。试验田内种植玉米作物。

3.2 试验结果

3.2.1 通路切换对测量的影响

切换测量点时CO2浓度随时间的关系规律,如图4所示。为了保证检测数据的可靠性,系统测量时要去除管路中残余气体,系统采用延时1s的方法消除管路残余气体影响,保证了测量数据的准确性。

3.2.2 与传统测量方法的对比研究

通过采用研制的在线检测系统与静态气室法两种方式对土壤同一位置、同一深度进行检测,试验结果如图5所示。

在试验过程中,系统运行稳定可靠,单点测量时间(从发出请求到测量完成)在8～12s之间,测量同时可以进行各种数据处理与分析操作。试验中不同CO2浓度的差别在于不同监测点的土质以及添加微生物的不同有所不同。由于静态气室法过程中人为因素较多,波动相对较大,表明基于PCI总线技术及多线程数据在线分析的土壤多点深层呼吸在线满足实现土壤多点呼吸在线检测的要求。

4 结论