ENVIdata-Redox 土壤pH氧化還原監(jiān)測系統(tǒng)

應(yīng)用：

測定土壤的氧化還原電位，有助于了解土壤的通氣、還原程度，為種植農(nóng)作物種類起到重要的指導(dǎo)作用。土壤pH值和氧化還原特性也是濕地凈化功能的特征指標。

然而，長期、原位野外連續(xù)測量pH值和氧化還原電位一直是應(yīng)用領(lǐng)域的瓶頸。本文介紹的直接埋設(shè)于土壤中、連續(xù)監(jiān)測的pH值和氧化還原電極來自德國科隆大學(xué)和德國巴伐利亞環(huán)境保護局的研制和應(yīng)用，參見后附文獻。

特點：

長期、原位測量土壤pH，抗凍、耐用、維護少。氧化還原電極用于測量土壤的Redox potential (EH),實驗室和大田均可使用

測量原理：

土壤pH 電極是一個雙電極設(shè)計，一個作為參比（Ag/AgCl）電極。為了防止電解液流失導(dǎo)致的老化加速，將參比電極放入含KCl的鹽橋中，鹽橋與土壤有電連接。該電極與氧化還原電極的電路相同，可接入同一個模塊。

土壤的氧化還原電位是mv級變化量。與鉑金頭接觸的很少量土壤即可完成測量，此鉑金頭直徑只有1mm，長5mm。參比電極是由鹽橋連接的Ag/AgCl，可用V級電壓表或輸入阻抗高的數(shù)采進行測量。

技術(shù)指標：

pH電極：

輸出-175 … + 175 mV 等于 pH10 … pH 4 (pH 7 ? 0 mV)

直徑：6mm

管長：80mm

保護套管：直徑20mm

保護套管長：最長1m

纜線：2米，可定制

參比電極：

電解質(zhì)電極：3 M KCl

陶瓷隔膜

PVC管

尺寸:

大田：直徑12mm,長：110mm，鹽橋直徑25mm，鹽橋長400mm

室內(nèi): 直徑6mm,長：80mm，鹽橋直徑12mm，鹽橋長120mm

氧化還原電極：

mV級信號

鉑金頭：直徑1mm，長度5mm

管：碳纖維，直徑6mm

Redox 參比電極直徑12mm，管長120mm

Redox控制模塊：

范圍：+/- 1250 mV

分辨率：0.1 mV

精度：3mV

系統(tǒng)布設(shè)：

數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是一款堅固、獨立、低能耗的數(shù)據(jù)采集器，具有支持U盤、18位分辨率、通訊性能可擴展及內(nèi)嵌顯示屏等特性。雙通道隔離概念可同時使用多達10個隔離或15個共用參考模擬輸入，配置擴展模塊后最多可通道可擴展至600個。

數(shù)據(jù)支持SDI-12傳感器組網(wǎng)，支持SCADA系統(tǒng)的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V電源為傳感器供電。工作溫度可達-45℃。

最大掃描速率：25Hz

處理器：采用18位A/D轉(zhuǎn)換器,精度±0.025%

存儲：128Mb可無限擴展，內(nèi)存可存儲130,000個讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲65,000個讀數(shù)）

U盤存儲：兼容USB1.1或USB2.0驅(qū)動，每兆約90,000采集數(shù)字點

LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行

通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等

采樣間隔：10ms至天，可自定義

輸出值種類：平均值, 最大值, 最小值, 取樣值 (Sample), 向量值, 累計值 ( Totalize )等

工作溫度范圍-45~70℃

時鐘精準度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃

供電電壓：10~30VDC

工作濕度85%（無水汽凝結(jié)）

DT80：

模擬輸入：15個單端通道（10個差分）

脈沖通道：12個

數(shù)字I/O口：8個

SDI12口：4個

DT82E：

模擬輸入：6個單端通道（4個差分）

脈沖通道：8個

數(shù)字I/O口：4個

SDI12:1個

RS232:1個

DT82I：

模擬輸入：6個單端通道（4個差分）

脈沖通道：8個

數(shù)字I/O口：4個

RS232:1個

RS485/422/232:1個

DT85：

模擬輸入：48個單端通道（32個差分）

脈沖通道：15個

數(shù)字I/O口：8個

RS232/422/485:1個

RS232:1個

支架

兩種支架可供選擇，三角支架（圖一）和十字底座支架（圖二）

建議根據(jù)場地條件選擇：

1、 三角支架，整體比較大氣、平穩(wěn)，適合安裝在平整的場地中，整體高度約2.3米；

2、 十字底座支架，占地范圍更小，適宜安裝在林地或有坡度的場地中。

圖一：                                          圖二：

ENVIdata數(shù)據(jù)傳輸和管理

該系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)傳送到(中國生態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)站上，通過對監(jiān)測的生態(tài)環(huán)境因子的時序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測對象的狀態(tài)發(fā)展。

ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨立的應(yīng)用軟件，運行在用戶的服務(wù)器上；也可以運行在澳作公司安全的服務(wù)器上，為多個用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，同時幫助用戶監(jiān)控野外測點硬件系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

澳作公司ENVIdata系列生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)成功獲得 ISO9001國際質(zhì)量體系認證，于2010年獲得 ISO9001 質(zhì)量認證書，至今全部通過專家的年度復(fù)核，確保系統(tǒng)集成的品質(zhì)

用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網(wǎng)，就能瀏覽實時和歷史數(shù)據(jù)

特點：

1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時間間隔 （分鐘、每小時、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實時數(shù)據(jù)。

3） 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多參數(shù)、實時或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5） 系統(tǒng)提供多站點地圖顯示

ENVIdata 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺已為國內(nèi)的客戶服務(wù)多年，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

應(yīng)用：

一、在各種水分條件下土壤氧化還原電位對砷降解中其釋放及形態(tài)的研究

Arsenic release and speciation in a degraded fen as affected by soil redox potential at varied moisture regime

H. Weigand a,, T. Mansfeldt b, R. B?umler c, D. Schneckenburger d,1, S. Wessel-Bothe e, C. Marb f

a University of Applied Sciences Giessen-Friedberg, Department KMUB, 35390 Giessen, Germany

b Department of Geography, University of Cologne, 50923 Cologne, Germany

c Department of Geography, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nürnberg, 91054 Erlangen, Germany

d Institute for Geography, University of Augsburg, 86159 Augsburg, Germany

e ecoTech Umweltme?systeme GmbH, 53129 Bonn, Germany

f Bavarian Environment Agency, Josef-Vogl-Technology-Centre, 86167 Augsburg, Germany

摘要：土壤調(diào)查顯示，在德國BavarianMolasse basin盆地，土壤表層的As含量高達1600 mg kg-1。來自三級含水層（the Tertiary aquifer）的地下水似乎是As的主要來源。然而，其表層積累的原因尚不清楚。

本文著重研究了氧化還原過程對As再分配過程的影響。并且，進行了土壤柱實驗——A（716 mg As kg-1），Ag（293 mg As kg-1）和2Ag（37 mg As kg-1）。樣品土樣的PH值為7.2。固定土柱配備了氧化還原電極和溶液取樣器，并進行飽和及排水循環(huán)。采用施加壓力的方法，對柱體下層進行模擬水位變化。這個過程是通過數(shù)字真空系統(tǒng)進行控制的。

在土壤水飽和后，氧化還原電位（EH）下降到值——A/Ag為0mV，2Ag水平為-400mV。土壤排水導(dǎo)致氧化條件迅速恢復(fù)。 在A和Ag水平上，As總濃度低（約為20μgl-1），與EH無關(guān)。相比之下，2Ag水平的As濃度在5和140μg/ l之間，并在EH降低時反而增加。

然而，由于As（III）和As（V）在還原條件下都被檢測到，所以As各種形態(tài)的分布沒有顯示與EH的趨勢相關(guān)。在2Ag水平中As的高釋放與Fe（hydr）氧化物中的低含量一致。在A和Ag層面，倍半氧化物的富集導(dǎo)致了EH對水飽和度的相對較低的敏感性，并加大了As的留存。因此，在2Ag層次中，As在飽和條件的通過毛細管上升的釋放，可能在表土中是穩(wěn)定的。因此，表層土既可以作為過去和現(xiàn)在的As的研究樣本。

參考文獻：

Mansfeldt, T. (2003): In situ long-term redox potential measurements in a diked marsh soil; J. Plant Nutr. Soil Sci., 166, 210-219.

Mansfeldt, T. (2004): Redox potential of bulk soil and soil solution concentration of nitrate, manganese, iron, and sulfate in two Gleysols; J. Plant Nutr. Soil Sci., 167, 7-16.

Weigand H., T. Mansfeldt, S. Wessel-Bothe & C. Marb (2005): Bulk soil redox potential and arsenic speciation in the pore water of fen soils; in W. Skierucha & R.T. Walcak (eds.): Monitoring and modelling the properties of soil as a porous medium: the role of soil use; International conference, Lublin; 44-46.

二、沼澤土壤中氧化還原電位的動態(tài)比較研究

—— 1990-1993  Vs  2011-2014

研究背景

確定土壤的氧化還原狀態(tài)，并且識別氧化還原過程是一直以來的研究熱點，已經(jīng)持續(xù)了80多年（1920開始，Gillespie）。我們可以通過在土壤中安裝惰性金屬電極（例如鉑，Pt）和參比電極（例如銀/氯化銀，Ag / AgCl），來評估現(xiàn)場氧化還原的空間和時間分布。然后可以使用電位器來確定電極之間的電位差，用以產(chǎn)生以mV為單位的讀數(shù)（Patrick et al。，1996）。這個讀數(shù)稱為氧化還原電位（EH）。EH值，影響著有效溫室氣體釋放的過程，控制營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的遷移，并改變土壤形成。因此，對臨時水飽和土壤中的EH動力學(xué)的研究，對于相關(guān)從業(yè)者來說是重要的，例如處理濕地重建或評估相關(guān)的生物地球化學(xué)過程。

在本研究中，我們在德國北部Polder Speicherkoog進行試驗。1989年11月至1993年10月，每周進行的手動EH讀數(shù)。2010年11月至2014年10月，按小時進行自動的EH讀數(shù)。每個讀數(shù)都是從安裝的Pt電極獲得的。我們對兩次測量試驗進行了對比研究，并都測量了土壤化學(xué)和物理性質(zhì)。本文的研究目標為：1）評估土壤（24年內(nèi)形成史）的EH動態(tài)變化；2）高頻率監(jiān)測EH值的益處；3）通過對2100年氣候水平衡（CWB）的預(yù)測，來應(yīng)對氣候變化的影響，以評估這些沿海沼澤地區(qū)的土壤以及EH動態(tài)變化的未來情況。

結(jié)論

要對土壤生物地球化學(xué)過程的全面了解，這意味著需要有對氧化還原狀態(tài)的認識。土壤化學(xué)（OC含量，FeS，pH）和物理性質(zhì)（體積密度，孔隙度），被認為是動態(tài)沼澤生態(tài)系統(tǒng)中的瞬態(tài)。通過這個研究，顯而易見的是，只有當Pt電極放置在土壤中，才能得到EH的動態(tài)變化；才可以區(qū)分EH的動態(tài)變化是由電極的重新安裝，還是土壤性質(zhì)的變化引起的。氧化還原電位，以間隔hour和day的測量結(jié)果，均勻地描述了氧化還原類分布。但是week和month的間隔測量，出現(xiàn)了信息丟失。研究結(jié)果表明，需要以hour的測量間隔，來測量計算EH。這是因為24小時內(nèi)的三個氧化還原階段的波動是明顯的。根據(jù)氣象預(yù)報，增加蒸散量會導(dǎo)致夏季水位下降，同時也延長了土壤通氣時間，延長了土壤條件氧化的時間和程度。這有利于和加速沼澤生態(tài)系統(tǒng)中的表土壓實，并且對對氧化敏感的亞穩(wěn)態(tài)礦物具有影響。

參考文獻

1、Blume, H. P., Mu¨ ller-Thomsen, U. (2007): A field experiment on the influence of the postulated global climatic change on coastal marshland soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 170, 145–156

2、Cornell, R. M., Schwertmann, U. (2003): The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurences and Uses. Wiley-VCH, Weinheim, Germany.

3、Dorau, K., Gelhausen, H., Esplo¨ r, D., Mansfeldt, T. (2015): Wetland restoration management under the aspect of climate change at a mesotrophic fen in Northern Germany. Ecol. Eng. 84, 84–91.

4、Fiedler, S. (2000): In Situ Long-Term-Measurement of Redox Potential in Redoximorphic Soils, in Schu¨ ring, J., Schulz, H. D., Fischer, W. R., Bo¨ ttcher, J., Duijnisveld, W. H. M. (eds.): Redox: Fundamentals, Processes and Applications. Springer, Heidelberg, Germany.

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6、Fiedler, S., Vepraskas, M. J., Richardson, J. L. (2007): Soil Redox Potential: Importance, Field Measurements and Observations, in Sparks, D. L. (ed.): Advances in Agronomy. Elsevier Academic Press Inc, San Diego, USA, pp. 1–54.

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8、IUSS Working Group WRB (2014): World Reference Base for Soil Resources 2014. World Soil Resources Reports. 106, FAO, Rome, Italy.

9、Mansfeldt, T. (2003): In situ long-term redox potential measurements in a dyked marsh soil. J. Plant Nutr. Soil Sci. 166, 210–219.

10、Mansfeldt, T. (2004): Redox potential of bulk soil and soil solution concentration of nitrate, manganese, iron and sulfate in two Gleysols. J. Plant Nutr. Soil Sci. 167, 7–16.