CN102608291A - 一种模拟大田土壤溶质运移系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大田土壤溶质运移系统，公开了一种用于研究田间灌溉条件下溶质在土壤中的淋溶、迁移和转化情况的模拟系统，该系统包括土槽、供水系统、取样系统、数据采集系统和淋洗液收集系统，所述土槽的内壁和底部设有防水层，所述土槽的内部填入土壤；所述供水系统用于对土槽供水；所述取样系统用于对土槽中土壤所含的溶液进行取样；所述数据采集系统用于定时监测土槽中不同深度土壤的含水量；所述淋洗液收集系统用于收集土槽底部的淋洗液。本发明可对田间灌溉条件下溶质在土壤中的淋溶、迁移和转化情况进行一一监测，缩短了试验周期，减少了边界效应，提高了试验精度；进一步，采用蒸发系统，解决了室内蒸发量小，与田间情况不符的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种大田土壤溶质运移系统，特别是涉及一种用于研究田间灌溉条件下溶质在土壤中的淋溶、迁移和转化情况的模拟系统。
背景技术
随着水资源短缺形势的日趋严峻，农业上再生水、微成水等非常规水的使用越来越广泛。但在实际农业生产上，由于灌溉现场缺乏连续观测数据，很难通过调查反映和定量田间长期灌溉导致的土壤环境风险。如何科学地利用非常规水灌溉，确保农田灌溉用水的需求和土壤环境的安全已成为农田灌溉主要的研究方向。目前一般采用大田试验或室内土柱模拟农田灌溉下土壤溶质运移系统，以得到溶质在土壤中的淋溶、迁移和转化情况，根据试验情况得出最优的灌溉方案后运用到实际农田灌溉中去。两种传统的试验方法存在的缺点描述以下。
田间试验存在如下缺点：(1)只能研究自然条件下某种人工措施(如盐碱地改良)引起的综合土壤溶质动态变化规律，而不能研究单一因素的影响；(2)田间土壤质地和本底值的不均一性，需布设足够的试验点和多次重复试验，试验工作量大；(3)试验周期即为作物生长周期，不能在短期时间内研究长期的累积影响。
室内土柱存在的缺点：(1)土柱直径较小(国内土柱直径一般小于50cm)，边界效应的影响降低了土柱模拟的精度；(2)室内蒸发量小，土柱中水分下渗完全依靠重力，而土壤溶质随水分一起下渗，即溶质完全依靠重力势向下迁移，这与实际田间情况不相符。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种模拟大田土壤溶质运移系统，以研究田间灌溉条件下溶质在土壤中的淋溶、迁移和转化情况，缩短试验周期，提高试验精度，同时可减少边界效应。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种模拟大田土壤溶质运移系统，包括土槽、供水系统、取样系统、数据采集系统和淋洗液收集系统；
所述土槽的内壁和底部设有防水层，所述土槽的内部填入土壤；
所述供水系统位于所述土槽的外部，对土槽供水；
所述取样系统安装在所述土槽的侧壁上，对土槽中土壤所含的溶液进行取样；
所述数据采集系统安装在所述土槽的侧壁上，用于定时监测土槽中不同深度土壤的含水量；
所述淋洗液收集系统位于所述土槽的底部，用于收集土槽淋洗液。
其中，所述土槽的底部具有一斜坡，所述底部上依次设有反滤层和透水布，所述透水层位于所述反滤层的上方，所述反滤层由石英砂制成。
其中，所述供水系统包括水箱，所述水箱通过供水管对土槽从上往下供水，所述水箱与供水管的连接处设有出水阀。
其中，所述取样系统包括土壤溶液提取器、真空泵、取样瓶和开设在土槽侧壁上的取样口，所述土壤溶液提取器穿过所述取样口提取土壤中的溶液，并通过取样管将提取的溶液收集到取样瓶中，所述真空泵与所述取样管相连。
其中，所述取样口具有多个，分别位于土槽侧壁的不同高度。
其中，所述数据采集系统包括土壤水分传感器、数据采集器和开设在土槽侧壁上的测样口，所述土壤水分传感器穿过所述测样口对土壤进行检测，并通过数据信号电缆将检测信号发送到数据采集器。
其中，所述测样口具有多个，分别位于土槽侧壁的不同高度。
其中，所述淋洗液收集系统包括集水管和淋洗液承接器，所述集水管设在所述土槽的底部，所述集水管朝向土槽内部的管壁上开有多个集水孔，所述集水管与设置在土槽外部的淋洗液承接器连接。
其中，还包括蒸发系统，所述蒸发系统设在土槽的上方。
其中，所述蒸发系统包括第一支架、风扇、配电箱、控制器、第二支架以及安装在第二支架上的红外线灯，所述第一支架架设在所述土槽的上方，所述风扇吊挂在所述第一支架上，所述第二支架固定在第一支架上且位于所述风扇的下方；所述风扇和红外线灯分别通过电线与所述配电箱连接，所述配电箱通过信号电缆与控制器连接。
(三)有益效果
上述技术方案提供的一种模拟大田土壤溶质运移系统，采用土槽进行填充土壤，并同时采用取样系统、数据采集系统和淋洗液收集系统，可对溶质在土壤中的淋溶、迁移和转化情况进行一一监测，缩短了试验周期，减少了边界效应，提高了试验精度；进一步地，采用蒸发系统，解决了室内蒸发量小，与田间情况不符的问题。
附图说明
图1是本发明模拟大田土壤溶质运移系统的平面结构示意图；
图2是本发明模拟大田土壤溶质运移系统的立体结构示意图。
其中，1、土槽；1-1、斜坡；1-2、反滤层；1-3、透水布；2-1、水箱；2-2、供水管；2-3、出水阀；3-1、取样口；3-2、土壤溶液提取器；3-3、真空泵；3-4、取样瓶；3-5、取样管；4-1、测样口；4-2、土壤水分传感器；4-3、数据采集器；4-4、数据信号电缆；5-1、第一支架；5-2、风扇；5-3、第二支架；5-4、红外线灯；5-5、配电箱；5-6、控制器；6-1、集水管；6-2、淋洗液承接器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明一种模拟大田土壤溶质运移系统，包括土槽1、供水系统、取样系统、数据采集系统和淋洗液收集系统；土槽1的内壁和底部设有防水层，在土槽1的内部填入土壤；供水系统位于土槽1的外部，对土槽1进行从上往下地供水；取样系统安装在土槽1的侧壁上，用于对土槽1中土壤所含的溶液进行取样；数据采集系统安装在土槽1的侧壁上，用于定时监测土槽1中不同深度土壤的含水量；淋洗液收集系统位于土槽1的底部，用于收集土槽1的淋洗液。
土槽1可采用采用粘土砌成，并在其四个侧壁涂抹水泥，该土槽1的尺寸可为：长度1.2m，宽度1.2m，高度1.5m，该土槽1的内壁和底部分别采用防水胶涂覆而形成防水层，土槽1的底部为具有5％坡度的斜坡1-1，该底部上依次设有反滤层1-2和透水布1-3，透水布1-3位于反滤层1-2的上方，反滤层1-2由石英砂制成，反滤层的作用是防止渗滤液携带土壤流出土槽1。在反滤层1-2和透水布1-3铺设完成后，以田间实际土壤的容重在土槽1的内部填入土壤。
供水系统包括水箱2-1，该水箱2-1通过供水管2-2对土槽1从上往下供水，该水箱2-1的一侧为透明设置，在其透明处标有体积刻度，水箱2-1与供水管2-2的连接处设有出水阀2-3。在水箱2-1中注入再生水，打开出水阀2-3，水箱2-1中的再生水将经供水管2-2流入土槽1中，当达到每次的灌水量后关闭该出水阀2-3即可停止水箱2-1对土槽1的灌水。
取样系统包括土壤溶液提取器3-2、真空泵3-3、取样瓶3-4和开设在土槽侧壁上的取样口3-1，该取样口3-1具有多个，分别位于土槽1侧壁上的不同高度，如图2，取样口3-1分成两竖排列，图中未标出真空泵3-3和取样瓶3-4。土壤溶液提取器3-2穿过取样口3-1提取土壤中的溶液，并通过取样管3-5将提取的溶液收集到取样瓶3-4中，真空泵3-4与取样管3-5连接，如图1所示。通过真空泵3-4使土壤溶液提取器3-2中的负压增加至0.06MPa～0.08MPa，使得土壤溶液经取样管流至取样瓶3-4中，之后，可根据试验需要对溶液样本进行化学分析，以便记录溶质在土壤中的转化情况。
数据采集系统包括土壤水分传感器4-2、数据采集器4-3和开设在土槽侧壁上的测样口4-1，该测样口4-1开设在位于取样口3-1的另一侧壁上，该测样口4-1具有多个，分别位于土槽1的侧壁上的不同高度，可形成一竖排列，如图2中所示。土壤水分传感器4-2穿过测样口4-1对土壤进行检测，并通过数据信号电缆4-4将检测信号发送到数据采集器4-3。该数据采集系统可定时读取和记录传感器的数据，以便观察和记录溶质在土壤中的迁移情况。
淋洗液收集系统包括集水管6-1和淋洗液承接器6-2，集水管6-1设在土槽1的底部，位于坡度1-1上，且依次覆盖有反滤层1-2和透水布1-3，该集水管6-1朝向土槽内部的管壁上开有多个集水孔，集水管6-1与设置在土槽外部的淋洗液承接器6-2连接。该淋洗液收集系统的作用是：测定每次灌水后至下一次灌水前淋洗液的体积，以便记录溶质在土壤中的淋溶情况，同时可取该淋洗液承接器6-2中水样进行化学分析，以定量计算灌溉前后试验土体溶质平衡。
如图2，该模拟大田土壤溶质运移系统还包括蒸发系统，蒸发系统设在土壤的上方，用于蒸发土槽中土壤所含的水分。该蒸发系统包括第一支架5-1、风扇5-2、配电箱5-5、控制器5-6、第二支架5-3以及安装在第二支架5-3上的红外线灯5-4，其中，第一支架5-1架设在土槽1的上方，风扇5-2吊挂在第一支架5-1上，第二支架5-3固定在第一支架5-1上，位于风扇5-2的下方；风扇5-2和红外线灯5-4分别通过电线与配电箱5-5连接，配电箱5-5通过信号电缆与控制器5-6连接。为了确保光线均匀照射到土壤表面，可设置多排第二支架5-3，每排第二支架5-3上设有多个红外线灯5-4。
以上技术方案所提供的一种模拟大田土壤溶质运移系统的工作过程为：先将所需研究区的田间土壤经风干、筛分后，以田间实际土壤容重填入土槽1中，填装土壤前土槽1底部已设有10cm厚的反滤层1-2、透水布1-3和集水管6-1；待土壤装填完成后，再向水箱2-1中灌入再生水，打开出水阀2-3，水流经供水管流入土槽1中，当达到每次灌水量后关闭出水阀2-3；通过土壤水分传感器4-2检测含水量，检测信号经数据信号电缆4-4连接到数据采集器4-3，就可获取土壤水分入渗过程中各层土壤的含水量；在灌水后第2天启动蒸发系统，该蒸发系统每天控制达一定蒸发量后停止工作，通过蒸发系统蒸发后土壤表层含水量为土壤田间持水量的65％时，利用真空泵3-3使土壤溶液提取器3-2中负压增加来提取土壤溶液；同时土槽底部渗流液经集水管6-1流入淋洗液承接器6-2，测定每次灌水后至下一次灌水前淋洗液的体积，并取水样进行化学分析。待土壤溶液提取结束后，进行下一次灌水重复以上步骤。
对于劣质水、降雨、施肥等处理对土壤的影响等相关试验均可参照上述试验步骤进行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，包括土槽、供水系统、取样系统、数据采集系统和淋洗液收集系统；
所述土槽的内壁和底部设有防水层，所述土槽的内部填入土壤；
所述供水系统位于所述土槽的外部，对土槽供水；
所述取样系统安装在所述土槽的侧壁上，对土槽中土壤所含的溶液进行取样；
所述数据采集系统安装在所述土槽的侧壁上，用于定时监测土槽中不同深度土壤的含水量；
所述淋洗液收集系统位于所述土槽的底部，用于收集土槽淋洗液。
2.如权利要求1所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述土槽的底部具有一斜坡，所述底部上依次设有反滤层和透水布，所述透水层位于所述反滤层的上方，所述反滤层由石英砂制成。
3.如权利要求1所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述供水系统包括水箱，所述水箱通过供水管对土槽从上往下供水，所述水箱与供水管的连接处设有出水阀。
4.如权利要求1所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述取样系统包括土壤溶液提取器、真空泵、取样瓶和开设在土槽侧壁上的取样口，所述土壤溶液提取器穿过所述取样口提取土壤中的溶液，并通过取样管将提取的溶液收集到取样瓶中，所述真空泵与所述取样管相连。
5.如权利要求4所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述取样口具有多个，分别位于土槽侧壁的不同高度。
6.如权利要求1所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述数据采集系统包括土壤水分传感器、数据采集器和开设在土槽侧壁上的测样口，所述土壤水分传感器穿过所述测样口对土壤进行检测，并通过数据信号电缆将检测信号发送到数据采集器。
7.如权利要求6所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述测样口具有多个，分别位于土槽侧壁的不同高度。
8.如权利要求1所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述淋洗液收集系统包括集水管和淋洗液承接器，所述集水管设在所述土槽的底部，所述集水管朝向土槽内部的管壁上开有多个集水孔，所述集水管与设置在土槽外部的淋洗液承接器连接。
9.如权利要求1所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，还包括蒸发系统，所述蒸发系统设在土槽的上方。
10.如权利要求9所述的模拟大田土壤溶质运移系统，其特征在于，所述蒸发系统包括第一支架、风扇、配电箱、控制器、第二支架以及安装在第二支架上的红外线灯，所述第一支架架设在所述土槽的上方，所述风扇吊挂在所述第一支架上，所述第二支架固定在第一支架上且位于所述风扇的下方；所述风扇和红外线灯分别通过电线与所述配电箱连接，所述配电箱通过信号电缆与控制器连接。
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