一种采集与构建土壤芯式渗漏仪的方案

摘要

本文详细演示了一种完整的土壤芯渗漏水收集器的提取与组装方法，并展示了其在研究地表施用家禽粪便后淋滤液及伴随养分流失方面的应用。

摘要

农业中施用的肥料和粪肥中的养分淋失可导致地表水加速富营养化。由于地形具有复杂多样的土壤形态，渗滤液在土壤大孔隙和基质结构中的流动路径也存在相应差异。这些路径中的水流速率还受到前期土壤湿度的影响。渗漏计（lysimeters）可用于量化水流速率、渗漏水体积以及养分向下迁移的浓度。尽管存在多种渗漏计设计，但要准确测定渗漏水体积和养分的质量平衡，最佳方法是使用能够保持自然土壤结构完整的有界渗漏计（bounded lysimeters）。

本文介绍了一种详细的土壤芯渗漏计提取与构建方法，该渗漏计在5 cm和25 cm深度处配备了土壤水分传感器。从德拉维尔半岛（Delmarva Peninsula）采集了四种不同沿海平原土壤（Bojac、Evesboro、Quindocqua和Sassafras）的渗漏计，并转移至室内气候可控的实验设施中。每周灌溉一次，水量相当于2 cm降雨，以降低土壤硝态氮（nitrate-N）浓度。在淋洗降低阶段结束后，施用家禽粪肥（162 kg TN ha^-1），随后继续淋洗五周。所施灌溉水的总回收率介于71%至85%之间。在整个研究过程中，硝态氮浓度从施用粪肥前平均27.1 mg L^-1上升至施用后平均40.3 mg L^-1。虽然以粗砂为主的土壤（Sassafras）中养分通量最大，但具有显著大孔隙结构的最细质地土壤（Quindocqua）则表现出最大的即时通量。

引言

德尔马瓦半岛位于切萨皮克湾的东岸，是美国最大的家禽养殖区之一。每年，这些家禽的生产大约产生6亿只鸡和约75万吨粪便¹。大部分粪便在当地用作农田的肥料改良剂。由于历史上粪便施用量较高，氮和磷等养分已在土壤中累积，现容易通过地下淋溶发生异地流失²。大部分地下水流动朝向一个庞大的沟渠网络，最终排入切萨皮克湾³。输送至海湾的养分与海湾因富营养化导致的生态健康状况下降密切相关⁴。

将养分管理与养分的异地流失联系起来，需要专门的工具来监测水文流动及其相关的养分迁移过程。渗漏计（lysimeters）是一类用于表征和量化养分在土壤中迁移的重要仪器。渗漏计在监测渗滤水中养分流动方面已有长期应用历史^5-7，包括张力渗漏计和零张力渗漏计：前者可通过调节以抵消土壤基质势，从而更准确地估算植物可利用水分；后者则更能代表自由排水条件下的自然过程。所有渗漏计方法均存在固有的偏差。例如，某些渗漏计尺寸过小，无法充分反映自然土壤中空间上复杂的水文过程；而另一些则因尺寸过大、成本过高，难以在空间异质性强的土壤中实现良好的统计重复⁸。此外，集水盘式渗漏计（pan lysimeters）需要其上方土壤达到饱和才能收集淋出液，与张力渗漏计相比，在测量基质流方面效率较低⁹。

封闭式渗滤液收集系统（如零张力土柱渗滤液收集器，也称为土体单体渗滤液收集器）可显著提高对水分平衡及相关的污染物平衡（例如，养分平衡）评估的可靠性¹⁰。当这些渗滤液收集器包含完整的土壤土柱时，最具代表性；而填充重装土壤的渗滤液收集器无法保持原有的土壤结构、发生层以及影响溶质和颗粒态化合物迁移的大孔隙连接^11,12。从实验角度来看，能够更好地重复模拟原位土壤条件的方法具有优势，因为土壤的物理和化学性质本身具有空间变异性¹³。

收集完整土柱渗漏计的两种常用方法为落锤法和切割头法。其中，落锤法更为常见，因其可使用简单的工具（如大锤）完成（适用于较小的渗漏计）。若操作得当，落锤法取土柱的成本相对较低，尤其与其他取芯技术相比具有优势。然而，将渗漏计套管强行打入地下所产生的巨大作用力可能导致土壤涂抹和压实，从而在渗漏计内部形成不能代表原位土壤状况的条件，甚至可能促进某些类型的水分运移（例如，优先流或沿土柱边缘的侧向流）。因此，一些研究人员更倾向于使用钻探装置或其他挖掘设备，通过切割方式获取保持完整的土壤样品⁵。

多种材料已被用作土壤芯渗漏计的外壳。钢管和箱体相对成本较低、耐用且易于获取，由于其强度较高，可用于采集较大的渗漏计^14-17。然而，尽管钢适用于评估硝酸盐等相对惰性化合物的淋溶，但钢中的铁会与磷酸盐发生反应，因此在研究磷淋溶时必须对钢进行涂层处理或其他处理。通常使用塑料外壳来研究磷的淋溶，例如厚壁（80级）聚氯乙烯（PVC）管，这种材料能够承受落锤（若使用）的冲击，并在获取较大直径土壤芯（例如，≥30 cm）时保持结构完整^18-22。

通常，土柱渗漏计在野外采集后进行原位外（ex situ）分析。采集后，土柱渗漏计可安装于室外的"渗漏计试验场"，其周围土壤和地表气候条件可模拟自然田间环境。例如，在瑞典，瑞典农业大学在过去三十年中建立了三个独立的渗漏计试验场，用于研究农药的归趋与迁移、长期土壤肥力试验，以及可推广至直径30 cm完整土柱的管理措施²³。土柱渗漏计也常用于室内淋溶实验，以便更精确地控制气候条件^24,25。Liu 等采用降雨模拟器，对多种覆盖作物下的土柱渗漏计进行定期灌溉²⁶。Kibet 和 Kun 则采用人工灌溉方法，研究砷和养分在土柱中的淋失过程^27,28。

通过土壤芯体渗漏计可以推断多种土壤和水文过程。Kun et al.（2015）采用直径30 cm的PVC柱状渗漏计研究尿素施用后的氮素淋失情况²⁸。通过在灌溉事件后不同时间间隔收集淋出液，他们能够区分快速流和渐进流：前者被认为主要由大孔隙流主导，后者则被认为主要由基质流主导。由于尿素在接触土壤后易于水解，他们将尿素施用后短时间内收集的淋出液中出现较高浓度尿素的现象解释为大孔隙运输绕过土壤基质的证据。随着时间推移，他们在淋出液中检测到不同形态氮的浓度升高，反映了施入的尿素经初步水解转化为铵态氮，随后通过硝化作用进一步转化为硝态氮的过程。

为说明在设计、实施和解读土壤芯渗漏计实验时需考虑的因素，我们对美国中大西洋沿海平原地区的四种不同土壤开展了研究。该研究测量了施用干家禽粪肥前后硝酸盐的淋溶浓度和流失量即，家禽 "胎仔")²⁸家禽粪肥施用于土壤所导致的养分流失是影响切萨皮克湾健康的关键问题，有必要深入了解施用家禽粪肥与农业土壤性质之间的相互作用，以改进养分管理建议。本文介绍了一种详细的方法，用于提取完整的土壤整段柱渗滤装置、监测土壤水分，并解析这些土壤中硝酸盐淋失的差异。

本实验是为评估美国德尔马瓦半岛农业土壤养分淋失而开展的一项更大规模研究的一部分^27,28。2010年，研究人员从特拉华州、马里兰州和弗吉尼亚州的采样点采集了土柱渗滤仪样品。本文展示了这些研究中尚未发表的结果。尽管最初的实验旨在评估磷的淋失情况，但也同时监测了这些土壤中硝酸盐的淋失。

采集了切萨皮克湾流域大西洋沿岸平原的四种常见农业土壤：Bojac（粗质-壤质，混合型，半活性，热性典型始育土）；Evesboro（冷性，具涂层层状石英贫瘠土）；Quindocqua（细质-壤质，混合型，活性，冷性典型内水湿土）；Sassafras（细质-壤质，硅质，半活性，冷性典型始育土）。针对每种土壤，均根据土柱挖掘所暴露的剖面描述其土层形态（表1）。这些土壤的表层质地范围从砂土（Evesboro）到壤质细砂土/砂质壤土（Bojac 和 Sassafras），再到粉砂质壤土（Quindocqua）。尽管所有土壤在历史上均施用过家禽粪肥，但在本研究开始前10个月内均未再次施肥。在采集土壤原状芯渗漏计之前，所有土壤至少经历了一个生长季的免耕玉米种植。

采集后，土壤原状土柱渗滤器被运送至宾夕法尼亚州州立学院的美国农业部农业研究服务局（USDA-ARS）模拟设施。在该设施内，对土柱进行室内灌溉实验（22–26 °C），以评估与家禽粪肥施用相关的养分淋失情况。具体而言，每周对渗滤器进行2 cm的灌溉，持续8周，直至各土壤渗出液中的硝酸盐达到平衡状态。随后，将家禽粪肥（干燥的家禽粪便）以每公顷162 kg总氮（kg ha^-1 N）的施用量均匀施用于所有土壤表面，并继续灌溉5周。在整个灌溉与淋溶过程中，水分传感器持续以每5分钟一次的频率记录体积含水量。淋出液分别在灌溉后24小时以及下一次灌溉前7天再次收集。

采用简单的描述性统计方法分析土壤柱状渗滤仪的渗滤液数据，以说明不同土壤之间以及凋落物施用前后渗滤液数量和质量的差异。由于仅在每种土壤（Evesboro、Bojac、Sassafras、Quindocqua）的两个重复土壤柱状渗滤仪中安装了土壤水分传感器，因此土壤含水量的统计基于 N = 2，而渗滤液深度、硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮通量的统计则分别来自 Evesboro、Bojac 和 Sassafras 的 10 个土壤柱状渗滤仪以及 Quindocqua 的 5 个土壤柱状渗滤仪。为评估土壤内重复设置的重要性，计算了不同重复数量下渗滤液深度的变异系数（CV）。采用蒙特卡洛模拟方法，从每组土壤的总重复数中（Evesboro、Bojac、Sassafras 为 10 个，Quindocqua 为 5 个）反复随机抽取子集（N = 3）进行分析。

方案

1. 准备材料

1. 使用内径（ID；标称）为 30.5 cm（12 英寸）的 80 号 PVC 管材切割溶出仪主体，其壁厚为 1.9 cm（0.75 英寸）（图 1a）。根据待研究的土层厚度确定溶出仪主体的长度；此处使用长度为 53 cm（21 英寸）的主体。在溶出仪底端内壁周围加工一个深 0.63 cm、45° 的斜面，形成锋利的前缘，以利于切割土壤。
2. 改造一个内径为 34.5 cm 的平底 PVC 封头，将一段高 15.3 cm、内径为 30.5 cm 的 80 号 PVC 管环用胶粘接至封头内部，以实现水分自由排水，并在收集前提供淋溶液储存空间（图 1b）。该管环应与主体使用相同材料切割而成，作为连接封头与主体的套管。封头与主体之间通过柔性套管和软管夹连接（图 1c 和 1d）。通过钻一个直径为 1.27 cm 的孔，并使用 1.27 cm 14 NPT 管螺纹丝锥攻丝，安装一个采样口；将一个 1.27 cm 尼龙带倒刺的外螺纹接头（图 1e）旋入封头侧壁与底面交界处的外缘。
3. 使用厚度为 1.27 cm 的平板 PVC 材料切割一个直径为 34 cm 的圆盘，用于覆盖溶出仪底部（图 1g）。在圆盘上均匀钻出 180 个直径为 0.32 cm 的孔，以允许装满土壤的溶出仪底部排水进入封头。在圆盘一侧粘贴滤布或其他过滤织物，防止淋溶过程中土壤颗粒穿过底部圆盘。
4. 使用 2.5 cm 宽的扁铁和 2.5 cm 直径的水管制作提升剪叉装置（图 2）。将两段 2.5 cm 宽的扁铁各切割为 50.0 cm 长，并以溶出仪主体外壁为模板弯曲成半圆形。在每个半圆形扁铁的两端各焊接一段 5 cm 长的扁铁。用铰链销将各扁铁段连接起来。在相对位置的扁铁外圈对称焊接水管。

2. 使用落锤将渗滤仪套管打入土壤

1. 清除采样区域的地表植被、石块及其他杂物。将两个渗漏水收集管装置放置在待取样区域的平坦地面上（图3a）。确保渗漏水收集管处于水平状态，以使管内土壤深度均匀一致。
2. 使用专门设计的、安装在拖车上的落锤装置，将其就位至渗漏水收集管装置上方。当落锤就位后，启动液压支撑腿，使钢制底板与地面及渗漏水收集管顶部保持水平。支撑腿还可为落锤提供稳定性（图3b）。
3. 借助机械绞车，将一块厚10.2 cm、尺寸为1.52 m × 1.52 m、重1,180 kg的方形钢板部分提升至3 m高的塔架上（图3b）。随后释放钢板，使其下落冲击，将收集管柱体打入土壤中。
4. 重复步骤2.3多次，直至柱体边缘高出土壤表面2 cm为止（图3c）。
5. 通过测量柱体内、外土壤深度，检查渗漏水收集管内部是否存在土壤压实现象。若柱体内土壤深度比柱体外土壤深度低超过1 cm，则表明土壤已发生压实，不适合用于研究。

3. 移除土壤芯

1. 在柱体上方放置一个带孔的PVC圆盘（图1c）和柔性管道接头（图1d），以防止在挖掘过程中土壤和其他碎屑污染柱体。
2. 使用反铲在土芯旁边挖掘一条沟槽，深度略深于柱体底部（图4a）。
3. 用铲子或镐扩大孔洞（图4b），并尽可能暴露柱体外壁的更多部分。
4. 沿柱体侧面全长将一根重型金属掘土杆向下插入，使其位于土壤与柱体外壁之间（图4c）。
5. 来回撬动掘土杆，直至柱体底部的土壤界面被破坏。
6. 将提升剪叉架固定在溶出仪顶部（如图2所示），为取出土芯做准备。由两人分别握住剪叉架的两端，向上拉动，直至剪叉架紧密夹住柱体，然后将溶出仪从孔中提起。将溶出仪放置在平坦的工作面上，例如一块胶合板上。

4. 准备土壤芯以组装溶出装置

1. 将土壤柱翻转，使底部朝上。步骤 3.1 中安装的木质胶合板圆盘将固定住土壤。
2. 用直边工具轻轻将土壤表面整平至与 PVC 管边缘齐平（图 5a）。使用笔形刀或螺丝刀去除突出于边缘平面以上的石块。
3. 用化学惰性的彩砂填充任何孔隙，并轻轻压实（图 5b）。
4. 用直边工具将砂层与柱体底部齐平，并清除多余的砂粒（图 5c 和 d）。
5. 用刷子清理渗漏计边缘及外侧壁上的土壤，或轻轻吹去边缘残留物，确保边缘清洁，以便粘合剂有效粘接，并保证盖帽紧密贴合。

5. 装配溶滤计

1. 在溶质渗漏计的边缘周围挤出一条连续的圆形透明硅酮密封胶（图6a）。密封胶应足够厚，以确保将带孔圆盘底部与渗漏计密封，防止泄漏。
2. 将带孔圆盘（图1c）放置在边缘上，使滤膜朝向砂层，并用力按压，以确保圆盘与渗漏计之间良好接触。
3. 在圆盘边缘均匀钻八个导向孔，并使用电钻驱动器将1.0英寸的不锈钢螺钉将带孔圆盘固定（图6b）。
4. 将柔性管接头套入渗漏计底部，使接头约有2 cm部分突出于渗漏计边缘之上（图5c）。
5. 将改装后的PVC盖插入柔性管接头（图6c），并将盖子向下推，直至其与渗漏计本体接触。在盖子顶部放置一块木块，用木槌轻轻敲击，使盖子就位。
6. 将紧固带放入接头的凹槽中，轻轻固定，不要压紧接头。使用手持式1/4英寸六角扳手拧紧接头周围的金属部分，直至渗漏计盖牢固固定。渗漏计现已准备就绪，可翻转并运送至气候可控的设施中。

6. 安装湿度传感器

1. 在渗滤仪壁上分别于5 cm和25 cm深度处划一条5 cm长的水平线。测量时应从土壤表面开始测量，而非从渗滤仪边缘开始。
2. 在标记线两端的渗滤仪壁上各钻一个直径为1.0 cm的孔。
3. 使用旋转切割工具将钻孔之间剩余的3 cm塑料部分切除。
4. 用凿子在土壤中开凿一条宽1 cm、长5 cm的狭缝，以容纳水分传感器（例如，Decagon）的外壳。
5. 将水分传感器推入清理好的狭缝中，直至传感器探针完全牢固地埋入土壤，仅导线部分从渗滤仪中伸出。
6. 用刷子或布将狭缝壁上的土壤清理干净。
7. 在狭缝中涂抹一圈较厚的硅胶密封胶，以防止水分泄漏。待密封胶干燥后，再进行第二次涂抹，确保传感器周围孔洞中的所有缝隙均被完全密封。

7. 准备渗滤液收集用的渗滤计

1. 使用密封胶密封土壤与渗漏计壁之间的缝隙，以减少水分沿渗漏计内壁优先下渗的风险。
   1. 刺穿一支透明硅酮密封胶管，并将其装入标准的打胶枪中。
   2. 将胶管尖端插入待填充的土壤空隙与渗漏计内壁之间，将打胶枪的尖端推入土壤下方约 2 cm 处。挤压胶枪，使密封胶填满空隙并渗出至土壤表面。
2. 将渗漏计放置在实验台或坚固的水平表面上，确保该表面能够承受多个渗漏计的重量，并具有足够高度，以便水分可自由排入一个 4.0 L 的收集瓶中（图 7）。
3. 使用小型（15 cm）水平尺检查土壤柱渗漏计在各个方向是否水平。如有必要，在渗漏计下方垫入垫片，直至土壤表面完全水平。
4. 在螺纹尼龙管接头（0.5 in NPT）上缠绕生料带，顺时针方向将接头旋入盖帽中。使用可调扳手拧紧接头，直至完全看不到螺纹。
5. 将一段 0.5 英寸的软管套在尼龙接头的带刺端，并剪裁软管长度，使其插入收集瓶口约 4.0 cm。
6. 将收集容器置于渗漏计下方，并将软管放入收集瓶内。

8. 淋溶装置的灌溉与淋出液的收集

1. 用纱布或其他可渗透、化学惰性的织物覆盖土壤表面，以保护和维持土壤团聚体及地表残留物。
2. 用量筒量取 1,450 ml 去离子水，倒入配有淋浴式喷头的浇水壶中。以不扰动土壤表面的速度，将水均匀轻柔地洒在织物上。
3. 等待一段时间，使水渗入并穿过土柱，流入接头和收集容器中。
4. 将溶出液收集器（lysimeter）向出水孔方向倾斜，直至溶出液收集器储水帽中的所有水均排入收集容器。
5. 用天平称量所收集的淋出液质量，并将克重转换为毫升（假设 1.0 g 水相当于 1.0 ml）。将淋出液样品倒入 350 ml 无菌塑料样品瓶中。立即使用配备 0.45 µm 滤膜的抽滤漏斗过滤 50 ml 样品，用于后续通过流动注射分析法进行比色硝酸盐测定³¹。
6. 将过滤和未过滤的样品部分储存于冰箱中，保持 4 °C，直至分析。

结果

土壤含水量、淋溶液深度和淋溶液化学性质均表现出不同土壤之间的差异性，尽管同一种土壤的重复土壤芯渗漏计之间存在内部变异，但仍能揭示出与土壤特性相关的差异。从实验设计的角度来看，后一点尤其值得注意，因为土壤含水量和淋溶过程本身具有变异性，需要进行大量重复实验，以尽量减少Ⅱ型统计误差。在本研究中，所有土壤的变异系数（CV）范围分别为：土壤含水量0.02至0.38，淋溶液深度0.02至0.06，硝态氮浓度0.22至0.55，硝态氮淋失通量0.23至0.54。

通过采集不同土壤（Bojac、Evesboro、Sassafras、Quindocqua）重复样中的淋溶液数据，可以说明溶质渗滤仪重复次数对变异性的影 响，结果显示某些变量受重复次数的影响更为显著。总体而言，当溶质渗滤仪的重复数从3个增加到10个（或对于Quindocqua土壤，从3个增加到5个）时，变异系数（CV）明显降低。对于淋溶液深度，Bojac土壤的CV从0.14降至0.06，Evesboro土壤...

讨论

蒸渗仪采集的重要步骤

淋溶研究揭示了土壤性质和粪肥管理对氮素向浅层地下水流失的影响。土壤质地、团聚体结构和容重等土壤物理性质会影响水分和溶质的渗透。准确测定淋出液的体积和溶质浓度，依赖于在使用渗漏计采集过程中遵循以下关键步骤，以保持这些土壤物理性质的完整性：1）在将渗漏计柱体打入土壤时，渗漏计和落锤必须始终保持水平；2）必须检查渗漏计内部土壤是否存在压实现象；3）在安装排水帽之前，必须将土壤柱底部整平，并用惰性沙子填充空隙；4）所有缝隙，包括渗漏计壁与土壤之间的缝隙，必须用硅胶密封，以防止侧壁优先流或水分传感器端口发生泄漏。

保持土壤结构的重要性

淋溶研究需要准确反映流经土壤剖面的水量，以有效确定溶质的质量损失。本研究中四种土壤的平均灌溉水回收量为施加水量的79%。以往类似研究报道，未束缚的零张力盘式渗漏计的平均灌溉水收集效率分别为56% 和58%^29,10。尽管前述研究中所用土壤与本研究不同，但我们认为灌溉水回收效率的提高归因...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
80级PVC管	Fry's Plastic	Call	以10英尺长度出售
Fernco管件	Fry's Plastic	Call	12英寸直径
用于穿孔圆盘的II型PVC板	AIN Plastic	Call	以4英尺×8英尺的PVC II Vintec II板材形式出售
40级PVC封头	Fry's Plastic	Call	12英寸直径
不锈钢螺钉	Fastenal	135716	#8喇叭头十字驱动尖端18-8级不锈钢螺钉
II型硅酮密封胶	Lowe's	447488
尼龙管接头	United State's Plastic Corp.	61137	0.5英寸NPT
食品级软管	Lowe's	443209	0.5英寸乙烯基