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土壤研究
多孔陶瓷杯在不饱和带取样土壤孔隙水中的应用

多孔陶瓷杯在不饱和带取样土壤孔隙水中的应用
E. M.Curley,M.G. O`Flynn和K.P.麦克唐纳
摘要
        获得溶质浓度和运动的知识是理解农业生态系统对潜在污染物的响应的众多关键之一。监测整个非饱和区污染物的浸出情况是识别地下水污染潜力的重要手段。水溶质监测和数据收集目前可通过原位溶质收集或通过地球物理测量获得。由于从后者收集的数据通常需要从使用原位溶质收集收集的知识的支持,该评论评估了最常用的原位溶质萃取 - 陶瓷杯法。陶瓷杯被广泛用于提取土壤孔隙水以监测溶质运输和浓度。这种方法可以同时对土壤剖面中不同深度的土壤水进行采样,以记录溶质进展顺序。与其他采样技术相比,将陶瓷杯采样器安装到土壤剖面上相对容易,并且对土壤的扰动只有微不足道的影响,并且具有成本效益,所获得的知识使其成为最普遍使用的提取土壤水分的技术。但是,这个系统的使用并非没有问题。被调查物业的空间变异往往被低估,需要通过复制来澄清。对于优先监测剖面大孔中营养物质组成和土壤水分流动的内在偏见问题已得到公认,并且可能出现水样的变化。本研究回顾了陶瓷杯的适用性,作为用于分析土壤溶液样品的回收实验以及与其使用相关的问题。
介绍

        了解土壤溶液化学动力学是解决许多环境问题的先决条件(Lentz,2006)。土壤溶液适应大多数发生在土壤中的化学反应。这与研究土壤发生和生态系统功能有关,因为这是土壤形成过程的位置,并且根系从土壤中吸收养分(Marques et al。,1996),不同于代表土壤 - 成土过程,土壤溶液提供了关于当前土壤动力学的最佳信息。
收集和分析原位土壤溶液对于研究土壤过程,环境质量监测和养分循环(Zabowski和Ugolini,1990)非常重要。土壤溶液测量与植物吸收和营养物质可利用性问题有关,需要从生态系统中估算溶液通量以平衡生态系统养分预算和解决通过浸出解决元素损失的研究问题(Lajtha et al。,1999)。

        通过采集田间湿润的土壤并在实验室中提取溶液或通常通过使用溶液采样器(例如陶瓷杯)在田间采集土壤溶液来测量土壤溶液。布里格斯和麦考尔(Briggs and McCall,1904)首次描述了陶瓷杯法的原理。从那时起,这些采样器已经发展得很好,并且在许多学科中被广泛使用,既为了分析目的收集土壤水,又实用和科学。
        陶瓷杯法是农业和自然环境中常用的许多系统之一,通过直接接触和收集周围土壤溶液来提取土壤水。这种取样方法允许以高时间和空间分辨率监测溶质运动(Weihermuller等,2007)。安装简便,成本低,收集的大量信息使得该系统成为土壤溶液原位监测中最常用的一种(Creasey和Dreiss,1988; Lajtha等,1999)。采样器可以从土芯中安装,因此不需要大的土壤坑,因此土壤扰动被最小化。但是,使用这些采样器需要采样器上方的一些土壤干扰。尽管可以调节收集土壤水的深度,但是在使用这些采样器的地方还不清楚土壤的哪个区域正在被采样。
        在这项研究中,将讨论这种方法的实际方面以及取样系统及其用途。还描述了使用这种方法产生的问题,包括优先流动和溶液样品的改变。

陶瓷杯法

        许多作者已经描述了陶瓷杯取样方法的变化;然而,在大多数情况下,所有采样器都由三个功能单元组成(图1):陶瓷杯和PVC管,采样瓶和抽吸容器(Grossman和Udluft,1991)。市场上最常见的采样器由PVC或其他长度可变的惰性材料管组成,底部有一个圆底陶瓷杯,用作土壤水的过滤膜(Lajtha等,1999)。陶瓷杯通过环氧树脂粘合到PVC管上,粘合到塑料和陶瓷上,形成两种材料之间的良好密封(Mitchell et al。,2001)。通过橡胶塞装入PVC管中的氯丁橡胶接入管延伸到土壤表面上方并连接到用于收集水的真空源(Lajtha等,1999)。
        陶瓷杯可以购买,采样器可以根据具体应用进行定制(Stone和Robl,1996)。不同的陶瓷材料,烧结材料和膜被用作杯子材料(Dorrance等,1991; Lajtha等,1999)。最常用的材料是陶瓷;然而,其他比陶瓷更惰性的材料已经用于取样器,可以使用由氧化铝,玻璃烧结,尼龙,PVC,PP和PVDF制成的杯子(Creasey和Dreiss,1988)。 Teflon也被用于建造一些杯子取样器,以确保没有多孔介质的污染(Mitchell et al。,2001; Creasey and Dreiss,1988)。 Mitchell等人(2001年)也提到使用不锈钢渗漏计用于在已污染区域内寻找污染物。这些材料的使用解决了作为采样器材料的多孔陶瓷的化学惰性问题(McGuire等,1992)。
多孔陶瓷杯在不饱和带取样土壤孔隙水中的应用 
 
图1:陶瓷杯取样系统
        用于土壤界面的材料必须是亲水的,以保持必要的毛细张力以保持雨事件之间的张力。如果采样器材料是疏水性的,则采样器可以涂覆亲水材料,例如二氧化硅粉(Lajtha等,1999)。就其性质而言,这些材料在一定程度上与通过它们的解决方案相互作用。 Litaor(1988),Grossman和Udluft(1991)以及McGuire等人(1992)提供了对各种类型采样器化学相互作用的全面综述,并得出结论,结果根据接触时间,有关离子和土壤特性而大不相同。
        一般来说,与安装其他土壤水采样系统相比,安装杯子采样器相对简单。文献介绍了陶瓷杯组件的四种可能的安装模式:水平,垂直无轴,垂直和垂直45°(图2)。
        在Grossman和Udluft(1991)的水平组装中,描述了用于产生吸力的悬挂式水柱。这种吸力受到水柱最大长度的限制,并且气泡会妨碍溶质提取。采样器周围的保护管道有助于轻松安装设备。产生的样品收集在外部容器中。垂直无轴布置用于安装在可耕地上。为了确保采样器不在培养设备的路径中,陶瓷杯部件安装时不需要轴。取样管从杯子延伸通过再填充的土壤到地面水平以适应土壤溶液的提取。样品收集在外部容器中。随着杯子上方的水柱增加并且样品的体积增加,吸力减小。安装可以是水平或垂直的(Grossman和Udluft,1991; Lajtha等,1999)。垂直安装的采样器收集杯和管中的孔隙水。随着杯子上方的水柱增加并且样品的体积增加,吸力减小。正如Mitchell等人所述,Grossman和Udluft(1991)垂直安装组件的另一种安排是以45°角安装的垂直采样器。 (2001年)。再次,将样品收集在杯和管中,吸力随着杯上方的水柱增加并且样品的体积增加而减小。但是,完整的组件与地面成45°角安装,以进一步减少优先流量的发生。使用垂直安装的陶瓷杯(3)时,可在采样器轴周围使用套环,以最大限度地减少由于采样器周围受到干扰而导致的向下流动。
 
多孔陶瓷杯在不饱和带取样土壤孔隙水中的图像 
图2:陶瓷杯安装的变化
 
 
多孔陶瓷杯在不饱和带取样土壤孔隙水中的操作说明 
图3:安装的陶瓷杯取样系统
 
        每个陶瓷杯取样器内部都有一个取样管,用于取出提取的土壤溶液。在将采样系统安装到土壤中之前,将其插入采样器。如果在冷冻条件下进行采样,则此管道保持柔韧至关重要。因此,对于较冷的温度,Mitchell et al。 (2001)建议使用硅橡胶管而不是聚氯乙烯(PVC)管。
        即使采样器安装在板式采样器的土壤坑中,或者通过陶瓷杯采样器中的土壤核心进行,也会造成一定程度的土壤扰动(图3)。这种干扰会导致硝酸盐和/或二氧化碳碳酸氢盐浓度不规则地升高(Litaor,1988; Lajtha等,1995)。 Lajtha等人(1999)认为解释这种影响的最好方法是简单地等待一个大型数据集,从中可以观察到规律的季节性模式,从而可以识别出不规则性。这个等待期可以从2-4个月到2年不等。约翰逊(1995)发现一个非常大的硝酸盐脉冲在采样器安装在森林土壤后持续一年以上。安装后,所有采样器应在开始化学分析收集溶液前重复清空(Grossman和Udluft,1991; Hendershot和Courchesne,1991; Weihermuller等,2005)。此外,每种情况下都应拒绝第一批样品,并且必须检查测量系列的第一批结果的可信度(Curley等,2010a)。
        陶瓷杯可以从多个制造商(例如,SDEC France-ZI de la Gare-37 310-Reignac sur Indre(法国)-EUROPE,(http://www.sdec-france.com)美国加利福尼亚州圣巴巴拉Soilmoisture Equipment Corporation公司(http://www.soilmoisture.com)

陶瓷杯法的原理

        布里格斯和麦考尔(Briggs and McCall,1904)描述的陶瓷杯系统的原理,尽管建筑材料和设备的布置有很多变化,但并没有明显改变。 1904年,作者将该设备描述为由一个密实的未上釉瓷管组成,一端封闭,另一端设有一根管子,通过该管子可将其连接至排气接收器。 100年后的经营原则几乎完全相同。 Grossman和Udluft(1991)将陶瓷杯描述为由具有细孔的亲水材料构成。当在取样系统内产生抽吸时,水从杯的孔向内吸入,直到孔中出现相应的毛细管压力。如果陶瓷杯中的毛细压力低于土壤中的毛细压力,则水从土壤流入杯中,直到吸杯中和土壤中的毛细压力相等。
        为了操作杯子取样器,必须通过使用真空系统对杯子施加抽吸来施加负压(Weihermuller等人,2007; Curley等人,2010a)。使用简单的泵,可以产生低至-0.09MPa的吸力(Grossman和Udluft,1991)。为了在采样系统中实现这种抽吸,没有空气必须通过杯子的孔隙。为此,最大孔的直径不得超过一定的尺寸。陶瓷吸盘的孔径为3μm,空气进入量低(0.1 MPa),采样流量高,使其成为采样的合适成分(http://www.sdec-france.com)。
        采样系统中产生的吸力会在陶瓷杯周围形成一个电位梯度。因此,渗流水从特定的空间流入采样器(Grossman和Udluft,1991)。陶瓷杯周围的这种势能场已经测量并确定在非均匀土壤中延伸到1米以上。然而,实际补给面积(水流向杯子的面积)要小得多,并且取决于许多因素,包括土壤中的毛细压力,杯中的吸力,杯直径和孔尺寸以及安装深度和地下水位的位置(Grossman和Udluft,1991)。一般来说,应用于陶瓷杯的吸力取决于许多因素,例如土壤类型,分析所需的特定水量,实际土壤含水量和施加吸力的时间(Warrick和Amoozegar-Fard,1977; Weihermuller等,2005)。应该记住,不同的吸力水平将吸取不同来源的土壤水,对化学分析有潜在的影响(Lajtha等,1999)。由于施加了吸力,因此不能认为陶瓷杯采样器收集的水在化学性质上等同于浸透土壤剖面的水。

陶瓷杯采样器的操作

        对于土壤溶液提取,使用陶瓷杯方法有两种程序;连续提取或不连续提取。
        通过连续萃取,施加电位梯度,这取决于由张力计测量的原状土壤中的实际压头(Weihermuller等,2007)。一般来说,连续提取方法用于确定浓度变化。这种操作模式的优点是永久收集土壤水分,随后对排水模式进行合理准确的评估(Magid等,1992; McGuire和Lowery,1994)。 Grossman和Udluft(1991)在用陶瓷杯法提取土壤水的综合研究中指出,从土壤系统中取水会造成严重的干扰。然而,当使用连续操作模式时,在单位时间内抽取的少量水将对土壤水的自然流动模式产生最小的影响,并因此减少干扰,从而允许数据可靠性。 Weihermuller等人。 (2005)在回顾土壤水分提取技术时报道说,连续的水流也会减少杯子材料中的吸附过程,并且低电位梯度对于收集足够量的水用于化学分析是必要的。作者还指出了这个系统的主要缺点;因为它可以启动到杯子的优先流动路径的创建。此外,该系统的大量维护是必要的,并且最重要的是,取出之前在取样器中储存期间提取的水样品的组成可以改变。

        使用不连续的提取,在选定的短时间间隔内进行水收集,通常用于确定特定时间或事件期间土壤的状态(Weihermuller等,2007)。也就是说,这个程序可以用来表明特定时间溶质的存在(Linden,1977)。这种操作模式的主要优点是对自然流场的最小时间干扰(Jury and Fluhler,1992)。此外,这个系统几乎没有维护。这种方法的主要缺点是通过杯状物质的非永久性流动会导致高吸附性,因此建议丢弃第一个水样。此外,由于强降雨和优先流动造成的临时性行动,例如快速变化的溶质浓度可能没有被充分记录(Jury and Fluhler,1992)。
Lajtha等人(1999)指出,采样器设置在恒定的真空下;几乎总是低估或高估土壤水分通量,因为采样器的真空度通常与土壤的真空度不同,因为土壤的真空度会发生变化。这有时被称为coning。如果真空度太低,水将在采样器周围移动并流过土壤,因为土壤基质中有不饱和流动。

准备和安装采样器

        采样器的准备:在准备新的采样器时,彻底清洗是必要的,以去除生产过程中遗留的污染物(Grossman和Udluft,1991)。因此,建议新的采样器在使用前用稀酸冲洗(Litaor,1988)并用去离子水反复清洗(Hendershot和Courchesne,1991; Curley等,2010a)。
为了避免新采样器在安装后的第一次采样期间可能显示的潜在吸附效应,特别是在微量物质的情况下,Grossman和Udluft(1991)指出陶瓷杯的表面应该预处理,即用溶液平衡或多或少的土壤溶液的组成。作者讨论了两种可能的调理方法:
•在安装之前,陶瓷杯可以用类似于预期土壤溶液的溶液冲洗
•在必要的稳定阶段进行安装后,可以通过反复进行水采样来进行调节

        从文献中可以明显看出,在安装完所有取样器后,所有取样器都要留在现场并在开始进行化学分析(Grossman和Udluft,1991; Hendershot和Courchesne,1991; Weihermuller等,2005)的采集前重复清空。此外,每种情况下都应拒绝第一批样品,并且必须检查测量系列的第一批结果的可信度。
        采样器的安装:安装陶瓷杯采样器时,采样器与环境土壤之间良好的液压接触是至关重要的(Lord和Shepherd,2006; Weihermuller等,2007)。为确保这一点,在安装时,应将取样器插入钻孔中,钻孔的直径与采样器直径相似,注意防止上层的土壤物质落入孔中(Grossman和Udluft,1991)。为了进一步确保良好的土壤采样器接触,Barbee和Brown(1986)建议在安装前将泥土从孔中取出并倒入孔中,以确保与采样器良好的土壤接触。粗砂和砾石部分通过筛分从用作浆料的材料中除去。当采样器就位时,浆液开始在采样器和预钻孔之间向上移动,从而填充任何间隙。
        许多研究人员已经讨论过使用二氧化硅粉(精细石英粉),一种选定的二氧化硅含量超过99%的硅砂,用于改善陶瓷杯与土壤之间的接触(Barbee and Brown,1986; Smith and Carsel, 1986; Weihermuller等,2007; Curley等,2010a)。将石英粉的水悬浮液注入为安装取样器而创建的钻孔中。在安装过程中应该小心,以确保水不会从表面向下渗透通过预钻孔,从而形成优先流动的通道(Lord和Shepherd,2006)。为了尽量减少这种风险,采样器可以完全沉入土壤中(Grossman和Udluft,1991),或者可以在采样器的轴周围创建一个套环。 Rhoades和Oster(1986)描述了使用湿膨润土防止通过回填孔过度渗透。
钠膨润土:粘土矿物的表面改性受到了很多关注,因为这个过程允许创建新材料和新应用(De Paiva等人,2008)。粘土表面改性的主要焦点是材料科学,如土壤,水和空气中有机污染物的吸附剂(Beall and Goss,2004)。

        以这种方式使用的粘土的适用性取决于其性质,例如可塑性和内聚力,膨胀,收缩,分散和絮凝(Brady和Weil,2002)。具有不同类型粘土矿物的某些粘土组在润湿时体积膨胀。这些溶胀型粘土,特别是蒙脱石(膨润土)的物理和化学性质使它们成为防止由于高阳离子交换容量,膨胀行为,吸附性能和大表面积而导致的水和水污染物的不希望的移动的有用工具( Vougaris和Petridis,2002年)。这种粘土广泛用于建造密封池塘,污水泻湖,工业废水泻湖和垃圾填埋场的衬垫。放置在池塘或泻湖底部和侧面上的蒙脱石层在润湿时膨胀,并且不仅对水而且对水中所含的有机和无机污染物的运动形成相对不可渗透的屏障(Brady和Weil,2002)。这些污染物保存在收容区域内,并防止其向下进入地下水。
        膨润土通过作为密封剂起作用以防止重新填充的钻孔中的优先流动。在回填填料的钻孔中,将10-15厘米的粒状风干膨润土轻敲到位,然后润湿。当润湿的粘土膨胀时,它紧紧地缠绕在PVC管和井壁上(Rhoades和Oster,1986; Curley等,2010a)。膨润土塞保护取样器免受化学物质从土壤表面冲走的可能性,因此被误认为是地下水污染。

样品的溶解响应 - 组成

        一些研究人员已经研究了陶瓷杯取样器对提取水化学的影响。关于营养物质,特别是硝酸盐,硝酸根离子(NO3-)的特征是与大多数物质的相互作用较低(Weihermuller et al。,2007)。研究表明,用排水良好的壤土砂和砂质壤土用陶瓷杯测定硝酸盐通量是很好的(Webster等,1993; Curley等,2009)。但是,氨会受到阳离子交换过程的影响。氨和硝酸盐浓度很容易被生物过程改变(例如硝化)。 Wagner(1962),Hansen和Harris(1975),Nagpal(1982)和Poss等人。 (1995)在实验室研究中注意到,置于溶液中的多孔陶瓷杯所吸收的NO3-N是最小的。
        虽然有几项研究发现用陶瓷杯采样器采集的土壤溶液的浓度较高,正如人们所预期的那样,因为它们应该收集土壤水分更紧密的一部分,这取决于所检查的离子和土壤的位置(拉赫特等人,1999)。在由Marques等人开展的一项研究中。 (1996)对零压板渗漏计和陶瓷杯采样器收集的土壤溶液的化学组成进行了研究,作者总结认为有机物对两种采样器中的溶液化学都有很大影响。而且,就氨而言,张力溶解仪溶液/陶瓷杯采样器对于该参数更加集中。因此,短采样间隔(<2周)结合冷却,黑暗的样品储存是必要的(Weihermuller等,2007)。
通过陶瓷杯法获得的样品溶液也可以通过向提取的土壤水中添加酸(HCl)来稳定,只要该作用不影响其他目标数据例如pH的检测和分析(Weihermuller等,2007 )。

大气和优先流量

        根据定义,大孔隙是大的土壤孔隙,通常具有大于0.06mm的直径,通过重力容易排出水(Brady和Weil,2002)。这些孔隙不仅适应空气和水的运动,而且它们也足够大以促进植物根部和居住在土壤中的各种生物体。大孔可以发生在许多地方,在粗质地土壤中的单个沙粒之间或在桩之间的良好结构化土壤(夹层孔隙)之间。由根,蚯蚓和其他生物构成的大孔构成了一种非常重要的被称为生物孔的孔隙类型(Brady和Weil,2002)。
        大孔和陶瓷杯采样器之间的关系不容易表示。在强降雨事件中,结构良好的土壤通过大孔隙或高渗透率的土壤部分快速通水,这意味着如果陶瓷杯不与大孔直接接触,渗水可能会绕过陶瓷杯(Grossman和Udluft,1991年) 。本质上,虽然陶瓷杯采样器可以相对容易地在各种土壤张力下收集土壤溶液,但它们不能测量大孔流量(Barzegar等,2004)。这个现象已经被许多作者讨论过,并被Shaffer等人总结。 (1979),他指出,在结构化土壤中,陶瓷杯取样器可能完全通过水和化学物质通过间隙孔道来避开。陶瓷杯取样器在优先流动发生率高的土壤中可能不可靠,因此记录旁路流量可能是取样器的根本弱点,或者由于采样器数量不足以对流动系统进行取样(Jury and Fluhler,1992) 。
        Brady和Weil(2002)将优先流描述为水和其溶质沿着某些通路(通常是大孔)通过土壤的不均匀运动。作者继续指出,任何刺激大孔连续向下形成大孔的过程都会鼓励优先流动。穴居动物以及腐烂的植物根部会留下水流迅速流动的管状通道,以适应陶瓷杯的液压短路。

SAMPLER故障

        尽管在准备和安装过程中进行了适当的程序,但一些作者已经记录了采样器故障的发生率。安装后最显着的失败原因是小动物造成的损害(Mitchell et al。,2001)。需要定期检查采样器是否受到动物的伤害,因为它们倾向于咀嚼管道和设备的任何地上部件。这位作者的经验是,小动物(例如兔子和野兔)对采样器造成的损害可能会造成极大的破坏性,导致其无法使用。

结论

        陶瓷杯法广泛用于提取土壤溶液以监测和分析溶质运移(Curley等,2010b)。这种方法公认的好处是安装方便,土壤扰动最小,因此自然渗滤活动的变化可以忽略不计。然而,也已经发现这种取样方法在优先监测较大土壤孔隙中溶质的化学组成方面存在偏见,并损害了较细孔隙的解决方案。此外,文献中确定的一个严重限制是事实上,采样期间自然流动的基元潜力的强制变化尚不清楚。同样,取样系统对土壤溶液化学的影响尚不清楚。
        在没有绝对的证据表明陶瓷杯法对溶液化学有影响的情况下,研究人员在规划实验和监测程序时可以自由选择最适合研究要求和限制的装置类型(Hendershot和Courchesne,1991年)。然而,从文献中可以清楚地看出,在研究植物养分吸收和土壤溶液化学之间的关系时,用陶瓷杯法得到的土壤溶液样品更有用。

 

 

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