基于ISE的土壤硝态氮多参数检测仪研究

电极法检测土壤硝态氮时,共存氯离子是影响检测精度的重要因素。针对当前检测仪为单一离子离线检测的问题,设计了基于嵌入式开发的ISE土壤硝态氮多参数检测仪。仪器嵌入BP神经网络模型,实现土壤硝态氮的在线实时检测。针对BP算法收敛速度慢、易陷入局部极小值的缺点,采用5种方法进行改进;采用两个校正方法校准检测仪检测结果;采用稳定判断程序提高电势采集的稳定性。开展标准溶液检测试验,验证检测仪检测精度;开展土壤硝态氮检测试验,并将检测结果与传统的一元线性模型结果和光学法检测结果进行对比,验证检测仪排除氯离子干扰的效果及检测土壤硝态氮的准确性。结果表明,检测仪对离子的检测结果与离子计检测结果误差不超过1.0mV,满足精度要求;检测仪对土壤硝态氮含量的检测结果与光学法检测结果的平均相对误差为8.83%,低于一元线性模型与光学法检测结果的平均相对误差12.17%,拟合系数R2均大于0.97。基于ISE的土壤硝态氮多参数检测仪可有效减小氯离子干扰,准确性高,可用于土壤硝态氮的在线检测。     

基于多参数融合的土壤硝态氮检测方法

针对土壤悬液组分复杂以及单输入变量时电极预测精准度有限的问题,以提高离子选择电极预测土壤硝态氮含量精准度为目标,建立基于多参数融合的支持向量机(SVM)土壤硝态氮预测模型。采用灰色关联分析法对影响电极法测定土壤硝态氮的主要干扰因素进行排序,建立以主干扰因素及硝酸根电极检测电势的多参数融合SVM预测模型,并与传统Nernst模型和干扰因素全输入下的SVM模型作对比验证算法可行性。实验结果表明,土壤电导率、温度与Cl -电极检测电势为影响电极预测硝态氮精准度的主要干扰因素;输入参数为硝态氮电极检测电势、土壤电导率、温度与Cl -电极检测电势时,SVM土壤硝态氮预测模型效果最优,与光学法测定结果回归方程的调整决定系数为0.98,平均绝对偏差为3.38 mg/L,均方根误差为4.51 mg/L,基于多参数融合的SVM预测模型可显著提高电极法硝态氮检测精准度。     

暗管控制排水条件下土壤硝态氮运移转化规律的试验研究

为研究控制排水措施对土壤硝态氮运移和转化的影响,通过测坑试验分析了不同控制排水位下土壤不同深度硝态氮的含量和分布。结果表明:①控制与非控制排水条件下土壤剖面硝态氮分布规律相似,硝态氮含量集中在0～40 cm土层,深层土壤中硝态氮浓度很小在1 mg/kg左右,不会污染地下水;②排水结束后至降雨前,表层至40 cm土壤剖面硝态氮浓度变化率和各田硝态氮含量的增大率与控制排水出口的高度成负相关,降雨至排水结束后,表层硝态氮的浓度均减小,表层以下硝态氮浓度变化与地下水埋深有关,地下水位以上硝态氮浓度一般增大,地下水位以下硝态氮浓度一般减小。结论为控制排水措施减小了深层土壤硝态氮含量,且大大减少了土壤中硝态氮的含量,且控制排水能有效减少硝态氮的流失量。     

电极法测定土壤硝态氮精度的提高方法

离子选择性电极为土壤硝态氮含量分析提供了一种快速、低成本的技术方案。以提高基于电极法的土壤硝态氮检测精度为目的,探讨了电极信号特点与环境因素对检测精度的影响;从硬件电路和软件测量模型两方面研究减少误差、提高精度的方法;进行了有、无阻抗变换-滤波模块电极电势信号采集的对比实验,并通过软件编程将不同测量模型(线性回归模型与温度校正模型)嵌入到检测仪表,进行了温度变化时土壤硝态氮检测的对比实验。结果表明,设计的硬件抗干扰电路可以使测量仪表准确采集混杂在高频噪声中的离子选择性电极电势信号(误差和波动均小于1 m V),具有良好的准确度和抗干扰能力;当温度变化时,嵌入温度校正模型时仪表测量的相对误差不大于8.20%,与离子色谱法(参考值)进行相关性分析的相关系数R达到0.998 6,可有效减小由温度变化引起的电极测量误差,提高检测精度。     

渗灌管埋深对土壤硝态氮含量的影响

以番茄为供试作物,通过观测渗灌灌水前和灌水后土壤水分剖面以及硝态氮含量的变化．研究了保护地渗灌及其渗灌管埋深对土壤硝态氮运移及积累过程的影响。试验结果表明,在渗灌管埋深为20～40cm范围内,保护地渗灌灌水后土壤硝态氮均表现出明显的表聚特性;土壤含水量与土层深度乘积与土壤硝态氮含量之间存在着极显著相关关系。在不同渗灌管埋深处理中以30cm埋深且渗灌管下有防渗槽的处理,其硝态氮在表层积累最少。     

膜孔灌玉米农田尿素转化和分布特性研究

为了研究膜孔灌玉米农田尿素转化和分布特性,在测坑中进行了膜孔灌和畦灌施尿素试验,分析测定了施尿素后不同时间的土壤铵态氮和硝态氮含量。研究表明：膜孔灌尿素转化完全后,土壤中氮素的主要形态为硝态氮,可作为膜孔灌农田氮素水平评价的指标;基施尿素下,土壤中的硝态氮含量逐渐增大,分布范围以施肥点为中心呈大致成半圆形;灌水方式对尿...     

降雨与施肥对夏玉米土壤硝态氮分布影响的田间试验研究

通过在北京顺义区进行模拟降雨田间试验,研究了不同降雨与施肥水平对夏玉米土壤硝态氮分布与累积的影响。结果表明,当土壤质地相同时,土壤硝态氮含量与降雨强度、施氮量关系密切,土壤中硝态氮浓度变化随降雨强度的增加而增大,当降雨强度达到40~70 mm/h时,硝态氮会淋溶到土壤剖面110 cm以下;随着施氮量增加,各层土壤硝态氮含量也均呈升高的趋势,并向下层土壤快速移动,造成对浅层地下水的污染。     

不同深度土壤中氮素的空间变异研究

对供试区分析土壤中的氨态氮和硝态氮含量,用区域化变量理论和半方差函数分析,研究结果表明不同深度土壤中氨态氮和硝态氮含量具有空间变异性,均属于中等程度变异.通过对其半方差函授进行拟合,其变异程度主要由土壤本身的空间结构引起,不同深度土壤中氨态氮和硝态氮含量的空间相关尺度不同.     

玉米膜孔灌苗期不同灌水量对水氮分布的影响

通过室外田间试验,分析了膜孔灌玉米苗期不同灌水量对土壤水氮分布的影响.灌水量越大,土壤含水率越大,分布范围越广,土壤表层硝态氮含量越小,对深层80～100 cm硝态氮含量影响越大;随灌水量的增加,硝态氮累积峰越靠下,增加了硝态氮的淋失.     

灌水量与施氮量对不同类型土壤中硝酸盐运移的影响

为研究一维条件下灌水量与硝酸盐淋溶损失的关系,采集宁夏日光温室条件下两种类型的土壤(灌淤土、灰钙土)做成1 m土柱,设置两个灌水量(T1:2.25×10~3 t/hm~2、T2:4.50×10~3 t/hm~2)和两个施氮量(N1:450 kg/hm~2、N2:675 kg/hm~2),测定不同处理后土壤剖面水分和硝态氮含量、计算表层累积量及深层淋溶量,并测定不同处理淋溶液硝态氮浓度及其他化学性质。结果表明:①不同土壤类型和施氮量对土壤剖面质量含水量有显著影响。②灌淤土硝态氮含量高于灰钙土;T2处理各层土壤硝态氮含量低于T1处理。4个处理相比,硝态氮的峰值均出现在60～80 cm处,土壤硝态氮含量表层、深层T2N1处理均最低而T1N2处理最高。③T1、T2处理硝态氮累积量相比, T2较T1表层累积量减少33.5%,深层减少17.14%; N1、 N2处理相比,N2较N1表层累积增加48.72%,深层增加28.8%。④土壤类型、灌水、施肥对淋溶液中硝态氮及其他化学性质均有显著影响。由此可见,土壤类型、灌水量及施氮量均对土壤中氮素的累积及损失有显著影响,相比之下影响程度为施氮量灌水量土壤类型。     

微喷灌施肥对三七土壤氮素运移转化试验研究

为探明微喷灌施肥对三七土壤氮素运移转化影响,2017—2020年在泸西县大栗树村三七种植基地设置3个灌水水平0.4FC(W1),0.6FC(W2),0.8FC(W3),4个施肥水平3.20(F1),4.80(F2),6.20(F3)和120.00 kg/ha(F4),CK为对照,共13个处理.研究微喷灌施肥条件下不同灌水及施肥对三七土壤全氮、硝态氮和铵态氮运移转化影响.结果表明:不同灌水施肥全氮质量比随时间增加先增大后减小,硝态氮质量比随时间增加先减小后增大,铵态氮质量比随时间增加逐渐减小,8月W2F3全氮质量比最大,9月W2F4硝态氮质量比最大,6月W2F4铵态氮质量比最大.全氮和铵态氮质量比随土层深度增加逐渐减小,硝态氮质量比随土层深度增加先减小后增大,全氮、硝态氮和铵态氮聚集在土层0~10 cm,W2F3土壤全氮和硝态氮质量比最大,W2F4铵态氮质量比最大.灌水量与硝态氮和铵态氮相关性具有统计学意义(P<0.01),与全氮呈负相关且相关性具有统计学意义(P<0.05),施肥量与硝态氮呈正相关且相关性具有统计学意义(P<0.01),与铵态氮相关性具有统计学意义(P<0.05).该研究明确灌溉施肥可调控酸性红壤土三七氮素运移转化特性,改善农田微生态环境,提高水氮利用效率,为有效防治病虫害提供技术支持和理论依据.     

蓄水坑灌体系温度对土壤氮素运移转化影响

通过研究体系温度对蓄水坑灌施条件下土壤水分及氮素运移转化的影响,明确蓄水坑灌土壤水氮时空分布特征,探究土壤水氮运移迁移转化机理,以期为水肥合理灌施提供理论基础。通过模拟构建蓄水坑灌模型,以大型控温箱精确控制土壤温度,采用克里克空间插值法分析了蓄水坑灌条件不同体系温度下的水分、硝态氮、铵态氮时空分布特征,结果显示7 h左右土壤水分、养分完成入渗进入再分布阶段,土壤水分随着时间的推移其垂向和径向迁移距离均逐渐增大,同一时刻,温度越高其横向与径向迁移距离越大,且靠近蓄水坑壁区域的土壤含水率相对越低;土壤中铵态氮含量在不同温度下随时间推移均呈现先增后减的现象,低温下第15 d时土壤养分再分布核心区出现下降趋势,中、高温第10 d时已出现下降趋势,且其迁移距离远低于水分、硝态氮的迁移距离;土壤中硝态氮含量在10℃下第10 d时出现增高现象,而20、25、35℃下第5 d时已出现增高现象,由蓄水坑周边至湿润体边缘呈现"低-高-低"的分布态势。表明再分布阶段温度升高能提高水分的再分布速率,提高脲酶活性加快尿素水解转化为铵态氮,同时促进硝化反应进程抑制铵态氮在土壤中的积累,当土壤含水量过高时,会抑制土壤中氮素的硝化作用。     

灌水施氮方式对玉米生育期土壤NO3--N时空分布的影响

在干旱区大田条件下,以制种玉米"金西北22号"为供试材料,采用交替灌水、固定灌水、均匀灌水和交替施氮、固定施氮、均匀施氮二因素三水平的完全组合方案,在拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期对0~100 cm土层分层监测植株正下方、植株正南侧和植株正北侧的土壤NO_3~--N含量。结果表明:监测时期内,植株南、北两侧较植株下和0~40 cm土层较40~100 cm土层的土壤NO_3~--N含量时空分布受灌水施氮方式影响更大。固定灌水固定施氮下,水氮同区时土壤NO_3~--N在施氮侧下移,而水氮异区时土壤NO_3~--N在施氮侧累积。灌浆期,40~80 cm土层的植株下,与均匀灌水相比,交替灌水下不同施氮方式的土壤NO_3~--N含量减少9.9%~14.4%。交替灌水均匀施氮或交替灌水交替施氮使得土壤NO_3~--N在较长时间内维持在0~40 cm土层周围,成熟期二者0~100 cm土层的土壤NO_3~--N残留量相近,但较其他处理减少11.7%~27.3%。综上,交替灌水均匀施氮或交替灌水交替施氮使玉米生育期土壤NO_3~--N含量时空分布比较合理,成熟期土壤NO_3~--N残留量较低。     

三峡库区小流域工程措施对农业非点源氮磷的截留效应

为研究工程措施对小流域农业面源污染的综合治理作用,在三峡库区典型小流域内进行土地整理方面的工程布设,研究了工程措施对农业非点源氮磷的截留效应。结果表明:工程措施能够对三峡库区小流域内氮磷的流失起到截留作用,对径流和泥沙中全氮和总磷的截留作用显著。工程措施对径流全氮的截留强度为3.43 kghm2,总磷的截留强度为0.098 kghm2;对泥沙全氮的截留强度为6.73 ghm2,总磷的截留强度为1.24 ghm2。工程措施对氮的截留效果好于磷。研究结果为从工程方面治理三峡库区小流域农业面源污染提供了理论依据。      

杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响

为探究杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响,明晰其吸附机理,选取杨木炭和壤质、砂质两种黑土,以活性炭作为标准比较炭,系统研究活性炭、杨木炭的粒径及添加比例、初始质量浓度、振荡时间、温度对黑土吸附、解吸猪粪沼液中氨态氮、硝态氮特性的影响规律,并拟合等温吸附模型和吸附动力学模型。结果表明:黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力随着活性炭和杨木炭粒径的减小、添加比例的增加而显著增加;当粒径为0. 25 mm、添加比例10%时,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土的氨态氮、硝态氮的吸附量为224. 8、107 mg/kg和212. 4、104 mg/kg,比空白纯黑壤土和黑砂土提高388. 7%、296. 3%和453. 13%、333. 33%,比添加活性炭的黑壤土和黑砂土降低19. 71%、10. 08%和12. 38%、7. 14%,但添加杨木炭比添加活性炭对吸附平衡后沼液中氨态氮、硝态氮浓度变化影响的差异均不超过2. 5%;添加活性炭黑土、杨木炭黑土、空白纯黑土和纯炭对猪粪沼液中氨态氮的吸附过程为吸热反应,而对硝态氮的吸附过程为放热反应,且所有吸附过程均经历快速、缓慢、趋于平衡3个阶段,硝态氮快速吸附的时间更短; Freundlich、Langmuir模型和准二级模型均能较好描述其等温吸附过程和吸附动力学过程,Freundlich模型比Langmuir模型相对更优,吸附反应过程同时存在不均匀的多分子层表面物理吸附和均匀的单分子层化学吸附;添加活性炭、杨木炭黑土对沼液中氨态氮、硝态氮的吸附量越大,解吸率也越大,但解吸量远小于有效吸附量,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土对氨态氮、硝态氮的有效吸附量比添加活性炭的黑壤土和黑砂土减少14. 57%、9. 19%和5. 34%、5. 74%。杨木炭在提高黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力、减少猪粪沼液氮素损失方面的效果优良,可为杨木炭和猪粪沼液在东北黑土改良方面的深入研究提供理论依据。     

猪场废水灌溉对土壤氮素时空变化与氮平衡的影响

利用地中渗透仪测坑开展了田间灌溉试验,研究了猪场废水和等氮投入清水处理土壤铵态氮、硝态氮含量在时间、剖面上的变化规律,根据氮平衡原理对不同处理氮输入和氮输出项进行对比分析,估算了不同处理的氮矿化量。结果表明:各处理土壤铵态氮和硝态氮含量在时间上的变化规律基本一致,表现为追肥期出现峰值,随后下降的趋势;土壤铵态氮含量随土层深度的增加而迅速下降,土壤硝态氮含量随土层深度的增加变化规律不明显,且易淋移至下层土壤并累积。PWH(猪场废水高氮)处理土壤铵态氮、硝态氮含量在追肥期出现峰值后下降的幅度较慢,而CKH(清水高氮)处理下降的幅度较快。猪场废水高氮处理PWH作物吸氮量及氮矿化量比等氮清水处理CKH分别高6.91%和21.29%,表明该处理有利于土壤有机氮的矿化,但同时硝态氮深层淋溶量也较大,比CKH高出11.82%。     

规模化牛场废水灌溉对冬小麦土壤速效氮迁移的影响

研究了牛场废水灌溉冬小麦土壤速效氮迁移特征。结果表明,冬小麦全生育期灌溉2次或3次牛场废水是较优灌溉模式,小麦收获后不会造成土壤硝态氮过量积累。在小麦生育期内,1m土壤剖面上含硝态氮量整体呈"哑铃"形,含铵态氮量随土壤深度增加逐渐降低;牛场废水灌溉下部土层含硝态氮量比正常施肥处理低,说明牛场废水灌溉土壤硝态氮淋溶下渗强度小;但因牛场废水中铵态氮质量浓度较高,牛场废水灌溉处理土壤含铵态氮量在1m土壤剖面高于正常施肥处理。     

阳极溶出伏安法快速测定谷物中的镉含量

建立了一种阳极溶出伏安法快速测定谷物中的镉含量。样品经微波消解后,采用玻碳电极为工作电极,AgAgCl电极为参比电极,铂电极为对电极,测定谷物中镉含量,其检出限为0.4 μgL。采用标准加入法,平均回收率100%～104%;某一浓度样品同时测定6次,其变异系数2.43%。该方法稳定、快速和准确,可广泛用于粮食的安全事件应急监测。      

滴灌施肥下水肥用量对温室土壤硝态氮残留的影响

【目的】通过水肥管理达到减少温室土壤硝态氮残留、维持土壤质量的目的,探求温室土壤硝态氮残留与水肥用量的关系。【方法】在滴灌施肥条件下,以灌水量和氮、磷、钾及有机肥用量为试验因素,根据当地日光温室番茄长季节栽培实际中的水肥用量,设计各试验因子的水肥水平,采用五元二次通用旋转组合设计进行试验。拉秧后测定耕层土壤硝态氮量,建立土壤硝态氮量与水肥因子间的数学模型,据此分析了各单因子效应及二因素的耦合效应。【结果】施氮量对土壤硝态氮残留量影响最大,施磷量、灌水量和施钾量次之,有机肥用量最小。当其他因子为0水平时,土壤硝态氮残留量随氮肥用量的增多而增加,随施磷量呈开口向上的抛物线变化,随灌水量、施钾量以及有机肥用量呈开口向下的抛物线变化。灌水量及氮、磷、钾和有机肥用量对土壤硝态氮残留产生的影响程度随其他因子的水平而变,存在明显交互作用。模型寻优显示:灌水量455.1～471.5 mm,施氮量532.3～586.5 kg/hm2,施磷量420.8～466.4 kg/hm2,施钾量646.1～723.5 kg/hm2,有机肥用量25.6～27.9 t/hm2,耕层土壤硝态氮量可维持在100～150 mg/kg的较低水平。【结论】温室菜地土壤硝态氮残留量相对较大,可以通过优化水肥用量来减少土壤硝态氮的残留,故在滴灌施肥条件下仍需严格控制水肥用量。