CN102062773A - 一种实验室土壤溶质运移模拟方法 - Google Patents

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赵成义
盛钰
李新
张楠楠
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Abstract

本发明涉及一种实验室土壤溶质运移模拟方法，该方法所涉及装置为土柱固定环、溢流槽、万向快插接头、陶土板、透水滤膜、万向调节脚、采样瓶、抽气管、分支头、缓冲瓶、可调负压泵、数据采集控制器、信号电缆、样品瓶、土壤溶液取样器、透明PVC土柱和土壤三参数传感器组成，该方法通过控制土柱内土壤水势的变化，促使土壤溶质迁移，从而实现土壤溶质迁移过程快速观测，为土壤溶质运移模型建立提供了参数优化手段，缩短了试验周期，提高了试验精度，研究结果更科学可靠，是进行土壤水的流动性、能量平衡、土壤污染物迁移等实验研究的试验校准工具。

Description

一种实验室土壤溶质运移模拟方法
技术领域
本发明涉及一种实验室土壤溶质运移模拟方法。
背景技术
随着土壤和水体污染的日益严重，土壤溶质运移过程与转化规律，特别是污染物的运移与转化机理研究成为土壤学和环境科学的研究热点与难点，与此相关的土壤溶质运移技术推动了土壤物理学、环境科学和农业灌溉学的发展。
传统方法土柱下方设有自由渗漏的孔，土壤水饱和后，开始向下渗漏，下渗完全依靠土壤水的重力势。传统方法进行溶质运移实验，进度非常缓慢，实验室内和野外差异大，无法考虑蒸发量影响，试验精度差。为了解决这种弊端，有研究者提出在土柱的中央垂直埋设一个沙柱来实现溶质的快速下渗来控制实验进度，但溶质完全靠重力势向下迁移，且有很大的不均一性，实验结果不准确。
传统的土柱只能做土壤饱和水溶质运移试验，靠自由水摆脱土壤的束缚开始迁移，大部分溶质也依靠水分子携带运移。因此，传统方法导致类似实验结果不科学，且实验周期长，不利于实验室模拟研究。
传统的土柱下方装入一层砂子让自由水下渗，当达到田持后，水分无法继续下渗，其上表面在室内无法达到较强的蒸发，导致土柱内的水分含量和土壤的张力维持在一个值附近。研究证明，土壤溶质是随水分子一起迁移的，在饱和含水的土柱里，其溶质仅靠重力缓慢迁移，这是和自然界不相符的。
以上方法都是基于土壤饱和含水量的情况下进行的，实际野外大田的水势往往都是蒸发多于降雨，如不进行控制，实验则不能真实反映自然界的运行规律。实验的真实性及准确性无法验证。
发明内容
本发明目的在于，提供一种实验室土壤溶质运移模拟方法，该方法所涉及装置为土柱固定环、溢流槽、万向快插接头、陶土板、透水滤膜、万向调节脚、采样瓶、抽气管、分支头、缓冲瓶、可调负压泵、数据采集控制器、信号电缆、样品瓶、土壤溶液取样器、透明PVC土柱和土壤三参数传感器组成，该方法通过控制土柱内土壤水势的变化，促使土壤溶质迁移，从而实现土壤溶质迁移过程快速观测，为土壤溶质运移模型建立提供了参数优化手段，缩短了试验周期，提高了试验精度，研究结果更科学可靠，是进行土壤水的流动性、能量平衡、土壤污染物迁移等实验研究的试验校准工具。
本发明所述的一种实验室土壤溶质运移模拟方法，该方法通过控制土柱内土壤水势的变化，促使土壤溶质迁移，从而实现土壤溶质迁移过程快速观测，所涉及装置为土柱固定环、溢流槽、万向快插接头、陶土板、透水滤膜、万向调节脚、采样瓶、抽气管、分支头、缓冲瓶、可调负压泵、数据采集控制器、信号电缆、样品瓶、土壤溶液取样器、透明PVC土柱和土壤三参数传感器组成，具体操作按下列步骤进行：
a、从野外大田目标地取土样装入到透明PVC土柱(16)中，土柱(16)的底部为陶土板(4)和渗透膜(5)粘合成的底盘，将取土样装入到土柱(16)中，使土柱(16)中的土壤与底盘上的渗透膜(5)充分接触，紧密结合在一起，土柱(16)中的土壤装填好后，开始淋洒注水，使土柱(16)内的土壤达到饱和含水；
b、启动可调负压泵(11)，对底盘进行抽气，当负压克服陶土板(4)和渗透膜(5)的气孔张力后，土壤中的水和其他溶质流入到溢流槽(2)，经过万向快插接头(3)和溢流管进入到采样瓶(7)中，土柱中的溶质从上而下开始迁移，以达到平衡；
c、可调负压泵(11)产生的负压经过缓冲瓶(10)和分支头(9)，分配到每个溶液取样瓶(14)，取样瓶(14)内的负压通过土壤溶液取样器(15)对土柱(16)中土壤溶液抽取，抽取到的溶液保留在采样瓶(14)中；
d、土柱(16)中插入的传感器(17)的信号经信号电缆(13)连接到数据采集控制器(12)，数据采集控制器(12)根据传感器(17)的数据对可调负压泵(11)的工作状态进行调节，实现分阶段自动水势控制和溶液抽取。
步骤d中的传感器(17)为土壤水分传感器、电导率传感器和基质势传感器。
所述方法中涉及的装置各部件的设置为：土柱(16)镶嵌在土柱固定环(1)中，在土柱固定环(1)的底部设有溢流槽(2)、万向快插接头(3)和万向调节脚(6)，万向快插接头(3)通过溢流管与采样瓶(7)连接，采样瓶(7)通过抽气管(8)与分支头(9)连接；土柱(16)的底部为陶土板(4)和渗透膜(5)粘合成的底盘，底盘下方有一个抽气孔，在土柱(16)的一侧固定若干个均等排列的土壤溶液取样器(15)，另一侧固定若干个均等排列的传感器(17)，样品瓶(14)分别通过溢流管与取样器(15)和分支头(9)连接连接，缓冲瓶(10)分别与分支头(9)和可调负压泵(11)连接，数据采集控制器(12)一端与可调负压泵(11)连接，另一端通过信号电缆(13)与传感器(17)连接。
本发明所述的一种实验室土壤溶质运移模拟方法，从野外大田目标地取土样装入到土柱中，土柱的底部是一个陶土板和渗透膜粘合成的底盘，土柱中的土壤与底盘上的渗透膜充分接触，紧密结合在一起。土柱中的土壤装填好后，开始淋洒注水，使土柱内的土壤达到饱和含水，通过调节负压泵，对底盘抽气，当负压克服陶土板和渗透膜的气孔张力后，土壤水分就会被抽出，通过调节负压泵压力，可实现底盘向外抽水能力的控制，土柱中的溶质开始迁移，并达到平衡状态，通过调控土柱内的土壤水势值变化，实现非饱和条件下土壤溶质运移的准确分析，达到试验可控性和提高试验的进度。土柱采用透明的PVC圆管制成，它与土壤接触有很大的磨擦系数，除了可以观测内部土壤，还能有效地降低土壤中的水分沿内壁向下流动。
土柱管壁上开有传感器插入孔和溶液取样孔，孔外侧有一个内螺纹的基座，插入传感器或溶液取样器后，通过螺纹和密封圈锁紧以防漏水。传感器可以是土壤水分传感器，电导率传感器，基质势传感器，传感器输出信号连接到数据采集控制器上，数据采集控制器可以定时的读取和记录传感器的数据；当垂直方向上的传感器数据趋于一致或达到一致时，数据采集控制器认为土壤水势达到平衡，控制负压泵，对每个溶液取样器进行抽取，抽取到的溶液流入到采样瓶中。数据采集器可以按实验要求，通过控制负压泵，对土柱内的水势进行分阶段控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图
具体实施方式
实施例
以下结合附图进一步描述。
本发明所述的一种实验室土壤溶质运移模拟方法，该方法所涉及的装置为土柱固定环、溢流槽、万向快插接头、陶土板、透水滤膜、万向调节脚、采样瓶、抽气管、分支头、缓冲瓶、可调负压泵、数据采集控制器、信号电缆、样品瓶、土壤溶液取样器、透明PVC土柱和土壤三参数传感器组成，土柱16镶嵌在土柱固定环1中，在土柱固定环1的底部设有溢流槽2、万向快插接头3和万向调节脚6，万向快插接头3通过溢流管与采样瓶7连接，采样瓶7通过抽气管8与分支头9连接；土柱16的底部为陶土板4和渗透膜5粘合成的底盘，底盘下方有一个抽气孔，在土柱16的一侧固定若干个均等排列的土壤溶液取样器15，另一侧固定若干个均等排列的传感器17，样品瓶14分别通过溢流管与取样器15和分支头9连接连接，缓冲瓶(10)分别与分支头9和可调负压泵11连接，数据采集控制器12一端与可调负压泵11连接，另一端通过信号电缆13与传感器17连接。使用时，具体操作按下列步骤进行：
从野外大田目标地取土样装入到透明PVC土柱16中，土柱16的底部为陶土板4和渗透膜5粘合成的底盘，将取土样装入到土柱16中，使土柱16中的土壤与底盘上的渗透膜5充分接触，紧密结合在一起，土柱16中的土壤装填好后，开始淋洒注水，使土柱16内的土壤达到饱和含水；
启动可调负压泵11，对底盘进行抽气，当负压克服陶土板4和渗透膜5的气孔张力后，土壤中的水和其他溶质流入到溢流槽2，经过万向快插接头3和溢流管进入到采样瓶7中，土柱中的溶质从上而下开始迁移，以达到平衡；
可调负压泵11产生的负压经过缓冲瓶10和分支头9，分配到每个溶液取样瓶14，取样瓶14内的负压通过土壤溶液取样器15对土柱16中土壤溶液抽取，抽取到的溶液保留在采样瓶14中；
土柱16中插入的传感器17为土壤水分传感器、电导率传感器和基质势传感器，传感器17的信号经信号电缆13连接到数据采集控制器12，数据采集控制器12根据传感器17的数据对可调负压泵11的工作状态进行调节，实现分阶段自动水势控制和溶液抽取。

Claims (3)

1.一种实验室土壤溶质运移模拟方法，其特征在于该方法通过控制土柱内土壤水势的变化，促使土壤溶质迁移，从而实现土壤溶质迁移过程快速观测，所涉及装置为土柱固定环、溢流槽、万向快插接头、陶土板、透水滤膜、万向调节脚、采样瓶、抽气管、分支头、缓冲瓶、可调负压泵、数据采集控制器、信号电缆、样品瓶、土壤溶液取样器、透明PVC土柱和土壤三参数传感器组成，具体操作按下列步骤进行：
a、从野外大田目标地取土样装入到透明PVC土柱(16)中，土柱(16)的底部为陶土板(4)和渗透膜(5)粘合成的底盘，将取土样装入到土柱(16)中，使土柱(16)中的土壤与底盘上的渗透膜(5)充分接触，紧密结合在一起，土柱(16)中的土壤装填好后，开始淋洒注水，使土柱(16)内的土壤达到饱和含水；
b、启动可调负压泵(11)，对底盘进行抽气，当负压克服陶土板(4)和渗透膜(5)的气孔张力后，土壤中的水和其他溶质流入到溢流槽(2)，经过万向快插接头(3)和溢流管进入到采样瓶(7)中，土柱中的溶质从上而下开始迁移，以达到平衡；
c、可调负压泵(11)产生的负压经过缓冲瓶(10)和分支头(9)，分配到每个溶液取样瓶(14)，取样瓶(14)内的负压通过土壤溶液取样器(15)对土柱(16)中土壤溶液抽取，抽取到的溶液保留在采样瓶(14)中；
d、土柱(16)中插入的传感器(17)的信号经信号电缆(13)连接到数据采集控制器(12)，数据采集控制器(12)根据传感器(17)的数据对可调负压泵(11)的工作状态进行调节，实现分阶段自动水势控制和溶液抽取。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d中的传感器(17)为土壤水分传感器、电导率传感器和基质势传感器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法中涉及的装置各部件的设置为：土柱(16)镶嵌在土柱固定环(1)中，在土柱固定环(1)的底部设有溢流槽(2)、万向快插接头(3)和万向调节脚(6)，万向快插接头(3)通过溢流管与采样瓶(7)连接，采样瓶(7)通过抽气管(8)与分支头(9)连接；土柱(16)的底部为陶土板(4)和渗透膜(5)粘合成的底盘，底盘下方有一个抽气孔，在土柱(16)的一侧固定若干个均等排列的土壤溶液取样器(15)，另一侧固定若干个均等排列的传感器(17)，样品瓶(14)分别通过溢流管与取样器(15)和分支头(9)连接连接，缓冲瓶(10)分别与分支头(9)和可调负压泵(11)连接，数据采集控制器(12)一端与可调负压泵(11)连接，另一端通过信号电缆(13)与传感器(17)连接。
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