在智感土壤 / 沉積物檢測方案中，一系列先進的采樣與分析設(shè)備為準確獲取土壤和沉積物中的關(guān)鍵信息提供了保障。
高分辨孔隙水采樣器（HR-Peeper）是一款用于原位、快速收集土壤和沉積物孔隙水中溶解性污染物和關(guān)鍵元素樣本的裝置。其核心優(yōu)勢在于高時間分辨率和高空間分辨率，通常在沉積物中平衡較短時間（如 2 天）后即可達到所需數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)方法大幅縮短了采樣時間。其高空間分辨率可達 5mm，能夠提供詳盡的土壤剖面信息，有助于深入了解土壤的垂直變化和評估土壤肥力 。該采樣器在沉積物研究中應用廣泛，例如在研究沉積物中氮的遷移和釋放潛力時，可與薄膜擴散梯度技術(shù)（DGT）聯(lián)合使用。在對中國呼倫湖盆地的烏蘭諾爾濕地沉積物的研究中，科研人員通過將 DGT 探針插入沉積物柱狀樣品，一段時間后取出進行薄膜切片處理，測定銨態(tài)氮（NH?? -N）和硝態(tài)氮（NO?? -N）的濃度，同時利用 HR-Peeper 設(shè)備提取沉積物 - 水界面處孔隙水中的 NH?? -N 和 NO?? -N 并測定其濃度，為冷干旱地區(qū)湖泊沉積物 - 水界面氮遷移和轉(zhuǎn)化特性的研究提供了重要數(shù)據(jù)。
抽濾式孔隙水采樣器通過在土壤或沉積物中插入微孔濾管，利用負壓抽濾將孔隙水吸入采樣器，并通過濾膜過濾去除顆粒雜質(zhì)，從而獲取溶解態(tài)的孔隙水樣品。該采樣器的濾管通常采用經(jīng)過特殊親水化處理的聚偏氟乙烯（PVDF）微孔濾膜，孔徑嚴格控制在 0.40 - 0.45μm，能高效截留大分子有機物、細菌和懸浮顆粒，確保采集到的樣品為純凈的溶解態(tài)溶液 。為防止采樣過程中氧氣對樣品的氧化干擾，還配備了全路徑防氧化保護單元，采樣前先用高純氮氣沖洗并排空整個管路內(nèi)的空氣，然后在持續(xù)惰性氣體氛圍下進行負壓抽濾。在農(nóng)業(yè)與農(nóng)田生態(tài)領(lǐng)域，可在農(nóng)田土壤中布設(shè)抽濾式采樣器，定期采集不同深度的土壤孔隙水，分析其中的養(yǎng)分（如銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷等）和污染物濃度，有助于研究土壤養(yǎng)分的淋溶遷移規(guī)律，評估施肥效果并指導精準農(nóng)業(yè)管理。
微電極分析系統(tǒng)則是基于電化學原理，利用直徑僅幾十微米至幾百微米的微型電極（如玻璃毛細管微電極、碳纖維微電極等），插入土壤或沉積物的微域空間，通過測定電極表面的電化學信號（如電位、電流、阻抗等），實現(xiàn)對目標物的高分辨檢測。該系統(tǒng)具有高空間分辨率，其微米級的探頭尺寸能夠在微觀尺度上對土壤與沉積物進行精確測量，捕捉到傳統(tǒng)方法難以檢測到的物質(zhì)濃度梯度變化；響應速度快，能夠?qū)崟r監(jiān)測物質(zhì)濃度的動態(tài)變化，對于研究快速發(fā)生的界面過程至關(guān)重要；還可以進行原位測量，避免了樣品采集和處理過程中可能引入的誤差，保證了數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。在研究土壤與沉積物監(jiān)測領(lǐng)域中的界面過程時，微電極可用于測量氧氣、硫化氫等物質(zhì)在沉積物 - 水界面的擴散通量。通過精確測量沉積物 - 水界面不同深度處的氧氣濃度，結(jié)合菲克擴散定律，可準確計算出氧氣的擴散通量，為深入理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氧氣循環(huán)機制提供重要數(shù)據(jù)支持。
這些設(shè)備對于生態(tài)系統(tǒng)研究具有深遠意義，它們從多個維度助力科學家們深入理解生態(tài)系統(tǒng)的運行機制。
在物質(zhì)循環(huán)研究方面，高分辨孔隙水采樣器能夠監(jiān)測到土壤和沉積物中關(guān)鍵元素如氮、磷、鉀等的動態(tài)變化，這些元素是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要組成部分，它們的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。通過監(jiān)測這些元素的含量和分布，科研人員可以揭示出它們在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移路徑和轉(zhuǎn)化機制，從而深入理解生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程。抽濾式孔隙水采樣器采集的孔隙水樣品，可用于分析其中的營養(yǎng)鹽、重金屬等物質(zhì)，有助于研究這些物質(zhì)在土壤和沉積物中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，進一步完善對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的認識。
從能量流動角度來看，生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動是通過食物鏈和食物網(wǎng)來實現(xiàn)的，而食物鏈和食物網(wǎng)的構(gòu)成和穩(wěn)定性則取決于生物體的營養(yǎng)需求和攝食行為。孔隙水中的溶解性有機物和無機物是生物體的主要食物來源，微電極分析系統(tǒng)通過監(jiān)測這些物質(zhì)的含量和變化，科研人員可以評估生物體的營養(yǎng)狀況和能量流動的效率，進而判斷生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。例如，通過監(jiān)測土壤孔隙水中溶解氧的濃度變化，可了解微生物的呼吸作用強度，間接反映能量在生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化情況。
對于生態(tài)平衡的研究，這些設(shè)備也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。生態(tài)平衡涉及生物多樣性、生物群落結(jié)構(gòu)和生物間相互作用等多個方面。高分辨孔隙水采樣器和抽濾式孔隙水采樣器通過監(jiān)測孔隙水中的關(guān)鍵元素和化合物的動態(tài)變化，科研人員可以揭示出生物群落對環(huán)境變化的響應和適應機制，從而評估生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。微電極分析系統(tǒng)能夠提供微觀尺度下的生態(tài)信息，幫助研究人員了解土壤和沉積物中微生物的活動情況，以及它們與其他生物之間的相互關(guān)系，為維護生態(tài)平衡提供科學依據(jù)。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，通過這些設(shè)備監(jiān)測沉積物孔隙水中營養(yǎng)鹽和污染物的濃度變化，可及時發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的異常情況，采取相應的保護措施，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的平衡。
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