大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置及樣品采集與檢測方法
【專利摘要】本發明公開了大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置，通過雨水傳感器根據降水狀況控制多連桿支架傳動裝置。下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋滑動至干沉降桶上方；雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋傳動至濕沉降桶。本發明采用下墊面替代法區分式收集大氣氮沉降，可以通過稀釋收集方式大幅消減因降水較少而受風干作用影響造成的樣品損耗，避免因雜物干擾影響傳統的滑動式蓋板開閉，同時在干沉降收集中可以被動式收集下墊面與大氣界面的可溶性氣態氮。本發明還優化出一套大氣氮素干濕沉降樣品前處理與分析測試系統方法。本發明適用于對大氣氮沉降進行收集與分析，可靠易行，在環保【技術領域】具有較好的應用前景。
【專利說明】大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置及樣品采集與檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及取樣裝置，具體涉及大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置與樣品檢測方法。
【背景技術】
[0002]大氣氮沉降是氮素循環的重要組成，近年來在自然和人為的雙重影響下已發生了較為深刻的變化。20世紀中葉以來，隨著化石燃料高速消耗、化學氮肥使用量大幅增長，以及畜牧業迅猛發展等，人類活動誘導的活性氮排放激增，而大氣氮沉降與活性氮排放線性相關。隨著人類活動強度的不斷增大，活性氮排放必將大幅升高，而大氣氮沉降也相應增加。
[0003]大氣氮沉降的增加，對不同生態系統的物質循環及其結構、功能等方面都有重大影響(Galloway et al., 2008; Canfield et al.，2010)。因此，定量研究大氣氮沉降對揭示其對生態系統氮循環的貢獻具有十分重要的意義。大氣氮沉降定量化研究是開展生態環境響應評估和制定應對措施的前提，有關大氣氮沉降的測定方法和聯網監測近年來受到廣泛關注。早在19世紀50年代英國洛桑試驗站就開始了對大氣氮沉降的收集和監測工作，但主要收集通過降水產生的濕沉降(Liu et al.，2011)。而干沉降的監測相對于濕沉降具有很高的難度和挑戰性，其研究起步可以追溯到20世紀60年代，而20世紀80年代歐共體NITREX項目和美國大氣沉降研究網絡計劃實施才標志著大氣干沉降系統化、網絡化研究的開始(Wesely and Hicks，2000)。目前，大氣氮沉降的研究方法通常有直接和間接兩種。直接法采用野外觀測，其中干沉降可采用渦漩相關法、濃度梯度法、下墊面替代法和Bowen比法進行測定，濕沉降可以采用雨量器法和通降法等，通過收集雨水并測定其含氮化合物濃度而獲得(Xie et al., 2008; He et al.，2011)。間接法采用數值模型實現對干沉降速率、濕沉降速率和氣態物、氣溶膠、雨水中離子濃度的模擬，定量估算干沉降量(Wesely andHicks, 2000; Shen et al.，2011)。同時，隨著自動化技術的廣泛應用，一些干沉降自動收集儀也開始應用于大氣氮素沉降的研究中。基于15N同位素稀釋技術的ITNKInteral TotalNitrogen Input)盆栽系統,也可以直接測定大氣氮沉降的總量(Weigel et al.，2000)。然而，采用不同的監測方法獲取的結果往往相差較大。當降水較少(低于2_)，或風夾細雨時，濕沉降樣品可能會受風干作用的影響，造成誤差；而當特大暴雨發生時(高于200_)，樣品可能從容器中溢出，引起測定誤差；而采用主動采集器難以實時模擬實際風場狀況，同時由于風場與大氣含氮物質擴散呈非線性變化，分段采樣無法獲取全時間序列的連續數據，對大氣氮沉降估算帶來不確定性；而且目前市場上流通的收集裝置只能將氮沉降分為干顆粒態、降水結合態與氣態分別收集，由于樣品采集方式的差異往往帶來較大的系統誤差，而且難以實現同步監測；干濕沉降轉換大多采用常規的水平滑動裝置，降塵等雜物往往干擾桶蓋的滑動，從而影響干濕沉降區分；目前尚無統一的樣品前處理與分析檢測方法，且不同的前處理方式和檢測手段，大氣氮沉降結果差別往往較大。
【發明內容】
[0004]有鑒于此，本發明的目的是提供了一種具有干濕氮沉降同步監測功能的一體化裝置，實現樣品采集的自動化分離與混勻攪拌；同時配套樣品的前處理及檢測方法。
[0005]本發明的目的之一是通過這樣的技術方案實現的，大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置，包括沉降桶蓋、用于支撐并控制沉降桶蓋的多連桿支架傳動裝置、沉降桶盛放室和設置在沉降桶盛放室頂部的雨水傳感器，所述沉降桶盛放室內并列設置有干沉降桶和濕沉降桶，所述干沉降桶和濕沉降桶中分別設置有攪拌器；所述雨水傳感器根據下雨與否，控制多連桿支架傳動裝置，下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋傳動至干沉降桶上方，雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋傳動至濕沉降桶。
[0006]進一步，沿干沉降桶或/和濕沉降桶桶口邊緣設置有一圈密封圈。
[0007]進一步，還包括濾網，所述濾網覆蓋在沉降桶盛放室的上方。
[0008]本發明的目的之二是通過以下技術方案來實現的，大氣氮素樣品采集與檢測方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一.干、濕沉降樣品采集
[0010]在進行樣品采集前，分別在干、濕沉降桶內倒入一定量的一級水，下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳 至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋滑動至干沉降桶上方，開始濕沉降樣品收集；雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋滑動至濕沉降桶，收集干沉降樣品;
[0011]步驟二.干、濕沉降樣品收集與保存
[0012]步驟1.每次降水結束后第一時間將沉降桶內樣品混勻，取樣品200mL置于收集瓶內并超聲振蕩，
[0013]步驟2.抽濾樣品，獲得濾液，
[0014]步驟3.取150mL的濾液盛放于收集瓶內，并保存在冰箱中以備分析測定；
[0015]步驟三?對干、濕沉降樣品分析
[0016]將樣品從冰箱取出解凍到與室溫一致，振蕩樣品l_2min以混勻樣品，測定樣品中陰陽離子濃度，測定樣品中總氮、無機碳、總碳和有機碳含量，測定樣品中銨態氮和硝態氮含量。
[0017]進一步，在步驟二中對樣品進行超聲振蕩的時間為25_35min。
[0018]進一步，對樣品進彳丁超聲振湯的時間為30min。
[0019]進一步，在進行干沉降樣品收集時，每3-5天打開干沉降桶取樣一次。
[0020]進一步，樣品收集前加入干、濕沉降桶內一級水的體積為1500_3000mL ;濕沉降樣品采集完成后，在濕沉降桶內倒入1000mL的一級水，對濕沉降桶進行至少三次潤洗。
[0021]進一步，采用離子色譜法測定樣品中陰陽離子濃度，采用總有機碳分析儀測定樣品總氮、無機碳、總碳和有機碳含量，采用流動注射分析儀或離子色譜法測定銨態氮和硝態氮含量。
[0022]進一步，抽濾時采用0.45 ii m纖維膜抽濾。
[0023]由于采用了上述技術方案，本發明具有如下的優點:
[0024]1、采用下墊面替代法區分式收集大氣氮沉降，可以通過稀釋收集的方式大幅消減因降水較少而受風干作用影響造成的樣品損耗，同時在干沉降收集中可以被動式收集下墊面與大氣界面的可溶性氣態氮。
[0025]2、采用區分式干濕沉降連續監測、定期采樣的方式確保全時間序列樣品收集，避免分段式集中采樣給大氣氮沉降估算帶來的不確定性。
[0026]3、不同形態氮沉降(包括顆粒態、水溶態和氣態等)同步收集，再根據研究目的采用相應的技術手段進行分離的途徑，減少非同步性監測帶來的重復性誤差。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0028]圖1為本以明的大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置結構圖。
[0029]圖中，1、濾網；2、雨水傳感器；3、干沉降桶；4、攪拌器；5、濕沉降桶；6、多連桿支架傳動裝置；7、沉降桶蓋；8、沉降桶盛放室。
【具體實施方式】
[0030]以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
[0031]如圖1所示，大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置，包括沉降桶蓋7、用于支撐并控制沉降桶蓋的多連桿支架傳動裝置6、沉降桶盛放室8和設置在沉降桶盛放室頂部的雨水傳感器2，所述沉降桶盛放室內并列設置有干沉降桶3和濕沉降桶5，所述干沉降桶和濕沉降桶中分別設置有攪拌器4 ;所述雨水傳感器根據下雨與否，控制多連桿支架傳動裝置，下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋傳動至干沉降桶上方，雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋傳動至濕沉降桶。
[0032]在干沉降桶或/和濕沉降桶桶口設置密封圈，可以減少應樣品蒸發帶來的誤差。
[0033]本發明的采集裝置還包括濾網1，所述濾網覆蓋在沉降桶盛放室的上方，用于防止外界的樹葉或渣滓或其它污染物進入到沉降桶內。
[0034]大氣氮素樣品檢測方法，包括以下步驟:
[0035]步驟一.干、濕沉降樣品采集
[0036]在進行樣品采集前，分別在干、濕沉降桶(內徑50cm，高40cm)內倒入一定量的一級水(18.2MQcm)，下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋傳動至干沉降桶上方，開始濕沉降樣品收集；雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋傳動至濕沉降桶，收集干沉降樣品；
[0037]步驟二.濕沉降樣品收集與保存
[0038]步驟1.每次降水結束后第一時間將濕沉降桶內樣品混勻，取樣品200mL置于收集瓶內并超聲振蕩25-35min，優選為30min;
[0039]步驟2.抽濾樣品，獲得濾液。抽濾時采用0.45 ii m纖維膜抽濾(負壓低于40KPa，抽濾裝置小于250mL)，濾膜上的顆粒沉降物根據實驗目的進行處理；
[0040]步驟3.取150mL的濾液盛放于收集瓶內，并保存在冰箱中以備分析測定；冰箱的
溫度在4°C左右。
[0041]在進行干沉降時(取樣步驟與保存方式與濕沉降一致)，每隔3-5天打開干沉降桶進行取樣，將樣品收集后保存一個月；即冬季(日平均氣溫低于I(TC)如果期間無降水過程，干沉降取樣間隔一般為5天，其他季節均為3天，同時采樣時定期清潔保養降水傳感器。
[0042]步驟三.對干、濕沉降樣品檢測分析
[0043]首先將樣品從冰箱取出解凍到與室溫一致，超聲振蕩樣品l_2min，測定樣品中陰陽離子濃度，測定樣品中總氮、無機碳、總碳和有機碳含量，測定樣品中銨態氮和硝態氮含量。
[0044]樣品收集前加入干、濕沉降桶內一級水的體積為1500_3000mL，其中6_9月，干沉降桶倒入約5000mL,濕沉降桶倒入約1500mL。
[0045]濕沉降樣品采集完成后，在濕沉降桶內倒入1000mL的一級水，打開攪拌器約2min，對濕沉降桶進行至少三次潤洗。減少沉降桶內的殘留污染物，提高樣品收集與測量精度。
[0046]采用離子色譜法測定樣品中陰陽離子濃度，采用總有機碳分析儀測定樣品總氮、無機碳、總碳和有機碳含量，采用流動注射分析儀或離子色譜儀測定銨態氮和硝態氮含量。
[0047]表1不同前處理方法對主要氮素組分沉降總量的影響
【權利要求】
1.大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置，其特征在于:包括沉降桶蓋、用于支撐并控制沉降桶蓋的多連桿支架傳動裝置、沉降桶盛放室和設置在沉降桶盛放室頂部的雨水傳感器，所述沉降桶盛放室內并列設置有干沉降桶和濕沉降桶，所述干沉降桶和濕沉降桶中分別設置有攪拌器；所述雨水傳感器根據下雨與否，控制多連桿支架傳動裝置，下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋傳動至干沉降桶上方，雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋傳動至濕沉降桶。
2.根據權利要求1所述的大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置，其特征在于:沿干沉降桶或/和濕沉降桶桶口邊緣設置有一圈密封圈。
3.根據權利要求1所述的大氣氮素干濕沉降全自動收集裝置，其特征在于:還包括濾網，所述濾網覆蓋在沉降桶盛放室的上方。
4.大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一 ?干、濕沉降樣品采集 在進行樣品采集前，分別在干、濕沉降桶內倒入一定量的一級水， 下雨時，雨水傳感器開始工作，電信號傳至多連桿支架傳動裝置，將沉降桶蓋滑動至干沉降桶上方，開始濕沉降樣品收集；雨停時，多連桿支架傳動裝置將沉降桶蓋滑動至濕沉降桶，收集干沉降樣品； 步驟二.干、濕沉降樣品收集與保存 步驟1.每次降水結束后第一時間將沉降桶內樣品混勻，取樣品200mL置于收集瓶內并超聲振蕩， 步驟2.抽濾樣品，獲得濾液 步驟3.取150mL的濾液盛放于收集瓶內，并保存在冰箱中以備分析測定； 步驟三.對干、濕沉降樣品分析 將樣品從冰箱取出解凍到與室溫一致，振蕩樣品l_2min以混勻樣品，測定樣品中陰陽離子濃度，測定樣品中總氮、無機碳、總碳和有機碳含量，測定樣品中銨態氮和硝態氮含量。
5.根據權利要求4所述的大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:步驟二中，對樣品進行超聲振蕩的時間為25-35min。
6.根據權利要求5所述的大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:對樣品進行超聲振蕩的時間為30min。
7.根據權利要求4所述的大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:在進行干沉降樣品收集時，每3-5天打開干沉降桶取樣一次。
8.根據權利要求4所述的大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:樣品收集前加入干、濕沉降桶內一級水的體積為1500-3000mL ;濕沉降樣品采集完成后，在濕沉降桶內倒A 1000mL的一級水，對濕沉降桶進行至少三次潤洗。
9.根據權利要求4所述的大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:采用離子色譜法測定樣品中陰陽離子濃度，采用總有機碳分析儀測定樣品總氮、無機碳、總碳和有機碳含量，采用流動注射分析儀或離子色譜法測定銨態氮和硝態氮含量。
10.根據權利要求4所述的大氣氮素樣品采集與檢測方法，其特征在于:抽濾時采用.0.45 u m纖維膜抽濾。
【文檔編號】G01N1/28GK103558063SQ201310600833
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】黃平, 董陽, 劉志梅, 吳勝軍, 楊杉 申請人:重慶綠色智能技術研究院