CN102759463B

CN102759463B - 一种用于土壤溶液取样的系统与方法

Info

Publication number: CN102759463B
Application number: CN201210276150.6A
Authority: CN
Inventors: 陈锡云
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: CN102759463A

Abstract

本发明实施例提供了一种抗寒冷冻胀与融缩的土壤溶液取样系统与方法，可用于高寒地区冬季冻胀和春季融缩时的土壤溶液连续取样。其中，本发明实施例提供的一种土壤溶液取样装置系统，包括：取样器、样品收集管、集液瓶；其中，所述取样器由质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料构成，在使用时，取样器掩埋在土壤内，通过样品收集管与地表上的集液瓶连接。

Description

一种用于土壤溶液取样的系统与方法

技术领域

本发明涉及土壤环境监测与污染物迁移转化领域，特别是涉及一种用于土壤溶液取样的系统与方法。

技术背景

土壤是由固相(矿物质、有机质)、液相(土壤水分)、气相(土壤空气)等三相物质组成的有机整体。土壤溶液是土壤水分及其所含溶质的总称。土壤溶液在重力、分子引力、毛管力等作用下，存在不同的形态和运动形式，包括固态(冰)、汽态、束缚态和自由态等几种类型。其中的自由态溶液包括毛管力吸持和重力作用下自由运动的水分。一般情况下，土壤中存在的水分(溶液)大部分为毛管力吸持的水分，在环境监测过程中，需要采集的深层土壤水主要是毛管力吸持的水分。

土壤溶液的组成变化有一定规律，它反映土壤类型、季节性动态、农用情况及受污染状况。土壤溶液组成成分包含无机离子、有机离子和聚合离子以及他们的盐类。土壤中的水分主要来自大气降水、灌溉水、地下水。这些不同来源的水分之间是相互联系，相互转化的。在进入土壤前所溶解的各种组分都会寄居在土壤中，加上土壤中原来已经有的各种可溶性物质后形成土壤溶液的组分。因此土壤溶液是土壤类型、地表可溶性物质、农田化肥与农药及各种污染物的汇聚体。土壤是联系陆地生态系统中的水、岩石、大气与生物的中心，各种组分不但在土壤内进行交换与循环，而且与水域、大气和生物之间也不断进行物质交换，一旦土壤发生污染，三者之间就会有污染物质的相互传递。因此，土壤溶液收集取样是环境研究与监测的重要内容。

最传统的土壤溶液取样是在野外采集土壤样品后，利用浸泡土壤获取溶液，这种做法工作量大且不能定点、实时的监测土壤溶质的动态变化。

后来利用陶土材料可透过水和多种溶质的性质，形成了陶土探头土壤溶液取样器，使用中把陶土探头埋入设定深度土壤中，可长期保持并用于定点定位连续采集土壤溶液，监测土壤溶质变化规律。这种方法已经在土肥研究、土壤污染、水环境监测等领域得到广泛的应用。

然而在高寒地区，冬季土壤结冻后会产生胀压作用，春季解冻后土壤会有一定的缩减。而陶土探头耐压性能较差，冻胀容易使多孔陶土探头破碎，而土壤融缩时又容易使陶土探头与周围土壤接触不实，更换和维护采样器的过程繁琐且影响取样的持续进行。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于土壤溶液取样的系统与方法，可用于高寒地区冬季冻胀和春季融缩时的土壤溶液连续取样。

其中，本发明实施例提供的一种用于土壤溶液取样装置，包括：取样器、样品收集管、集液瓶；其中，所述取样器由质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料构成，在使用时，掩埋在土壤内，通过样品收集管与地表上集液瓶连接。

其中，本发明实施例提供的一种用于土壤溶液连续取样的方法，包括：

在土壤中钻取一定直径且到达设定取样深度的孔穴；

将连接了样品收集管和集液瓶的取样器用空钻头送入孔穴；其中，所述取样器由质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料构成；所述集液瓶位于地表上；

固定所述取样器，保证所述取样器与土壤毛细管的接触。

利用本发明实施例提供的一种用于土壤溶液连续取样的装置与方法，取样器探头、样品收集管和集液瓶内可保持一定的吸力条件，抽取取样器探头周围一定范围土壤中的溶液。特别地，该取样器探头由不污染土壤溶液、质地坚硬、具有导水与溶质性能的材料构成，既使在高寒地区冬季冻胀和春季融缩的时候，也可以连续使用。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种用于土壤溶液取样装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中的一种用于土壤溶液取样方法的流程图。

图3是本发明实施例中的一种用于土壤溶液取样的系统在使用过程中的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例公开了一种用于土壤溶液取样的系统和方法，该土壤溶液取样系统和方法利用负压渗透法用于在土壤剖面收集不同土壤深度的溶液样品，供理化分析监测使用，特别的，该土壤溶液取样系统和方法适应高寒地区作业。

图1是本发明实施例中的一种用于土壤溶液取样系统的结构示意图。如图1所示，该系统由取样器①和集液瓶③组成，其中，取样器①和集液瓶③之间通过样品收集管②连接。具体来说，在取样器①一端留有接口，供安装时联接样品收集管②。在使用时，取样器①掩埋在土壤内，通过样品收集管②与地表上的集液瓶③连接，

该取样器①由质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料构成，可适合不同土壤深度和不同土壤类型的土壤溶液取样使用。在本发明一实施例中，取样器①由聚四氟乙烯(PTFE)构成，或者由聚四氟乙烯(PTFE)与其他材料的混合物构成。在本发明一实施例中，该聚四氟乙烯混合物包括聚四氟乙烯和石英粉或不锈钢粉按符合水与溶质渗透及粘合固结的要求的比例混合制成。

样品收集管②采取FEP材料，具有柔软，耐受温度范围广等特点，适合长期在野外土壤中埋设。由于在使用过程中，样品收集管②部分会埋设在土壤内，因此采用可弯曲的软管作为样品收集管②可以避免降雨或灌溉时水沿硬管快速入渗的边缘效应。另外，利用FEP材料制成样品收集管②，可避免了冻融的影响与破坏，延长土壤溶液取样系统的使用寿命，更重要的是避免频繁更换设备对取样过程的影响。

集液瓶③可以采用常用的小口玻璃瓶，配密封性很好且可以不断更新的橡皮塞。

在本发明一实施例中，本系统还可以包括抽气管④和真空泵⑥，真空泵⑥通过抽气管④与集液瓶③连接。使用中，可以通过真空泵⑥和抽气管④抽空集液瓶③、样品收集管②和取样器①中的空气，从而使得土壤与土壤溶液取样系统之间形成高负压差，进而使得取样器①周围的土壤溶液快速渗透到取样器①中，同时土壤溶液在真空吸力作用下通过样品收集管②汇聚到集液瓶③中。在本发明一实施例中，该抽气管④可以与样品收集管②采取完全相同的材料，也可以采取其他耐受温度范围广的材料。在实际应用中，可选用常用且容易获得的医用真空泵。

在本发明一实施例中，本系统还可以包括抽水管⑦，该抽水管⑦在使用时一端放置在取样器周围的土壤中，一端引出地面；在冬季来临前，利用抽水管⑦抽提取样器周围土壤中过多水分，防止过大的冻胀与次年春季的融缩破坏取样器探头。该抽水管⑦可以与样品收集管②采取完全相同的材料，也可以采取其他耐受温度范围广的材料。

在本发明另一实施例中，该系统还进一步包含开关阀⑤a，⑤b，⑤c。该开关阀分别用于控制样品收集管②、抽气管④、抽水管⑦的开关，当某一部分不使用时，即可以通过开关阀来堵塞该管。在本开关阀⑤a发明一实施例中，该抽气管④用耐寒材料沟通，可以是不锈钢制阀门。

本领域技术人员可以理解，以上所有实施例公开的土壤溶液取样系统的组成部分还可以相互组合，形成各种土壤溶液取样系统，并在本发明保护范围内。比如，除了包含取样器①、样品收集管②和集液瓶③外，该土壤溶液取样系统还可以仅包含开关阀⑤a；或者仅包含抽气管④、真空泵⑥和开关阀⑤b；或者仅包含抽水管⑦和开关阀⑤c。

在实际应用中，取样器被固定埋设在不同深度的土壤层中，经过一段时间的适应之后，在不扰动土壤的情况下按照一定的取样周期采集土壤剖面不同深度处的溶液，供理化分析,监测污染物或化学物质在土壤中的存在状态、迁移转化等。

以下实施例将描述如何使用土壤溶液取样系统。图2是本发明实施例中的一种用于土壤溶液取样方法的流程图。如图2所述，该方法包括如下步骤：

步骤201：用取样钻在土壤中钻取一定直径且到达设定取样深度的孔穴。

步骤202：将连接了样品收集管和集液瓶的取样器用空钻头送入孔穴；

在该步骤中，将空钻头送入孔穴前可先在孔穴底放入适量的耐胀缩材料；其中，耐胀缩材料可以选用不污染土壤溶液的石英砂或者石棉粉。

步骤203：固定取样器，保证探头与土壤毛细管良好接触。在该步骤中，可(用带有漏斗的塑料管)往孔穴中注入一定量耐胀缩材料石英粉浆，以完全固定取样器。

步骤204：在取样器周围的土壤中(当取样器周围固定有耐胀缩材料时，则在取样器周围的耐胀缩材料中)装入一根抽水管，一端到达地面；其中，地面一端初始可密闭。冬季来临前，利用抽水管抽提取样器周围土壤中过多水分，这样可以防止冬季土壤中的过多水分结冻后对取样探头的伤害。

步骤205：利用抽气管和真空泵将集液瓶抽成真空，形成-30~-80KPA的负压，将样品收集管通过针插入集液瓶橡皮塞。

也可以根据实际情况把备用集液瓶在室内抽为真空后，带到野外，与样品收集管相连，之后留在野外持续收集样品。不用带真空泵去野外。也可以带集液瓶和泵去野外，现场抽真空。

安装完成后的土壤溶液取样系统的使用示意图如图3所示。

一段时间后，土壤中可自由移动的水分透过取样器探头进入样品收集管中，最终流入集液瓶中，然后把集液瓶带回实验室分析土壤溶液成分。

在该实施例中，在将取样器放置入土壤中时，进一步使用了耐胀缩材料来保护取样器探头，达到在高寒地区持续采集土壤溶液的目的，减少冻融挤压损坏采样设备核心器件的可能；同时利用耐胀缩材料的缓冲特性，减小探头在周围土壤冻胀与融化缩减时所受周围土壤的挤压力，并且能够在春季融解后保持与周围土壤的紧密接触。

当然，本领域技术人员也可以理解，在某些实施例中，将取样器放置在土壤内部时，也可以不采取耐胀缩材料进行保护，甚至也可以不连接抽水管也可是实现本发明的部分发明目的，但效果会有下降。

在本发明一实施例中，本领域技术人员可以根据环境温度、实验进度等外部情况，通过调节开关阀⑤a，⑤b，⑤c来控制样品的抽取、抽真空以及抽水的开关。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于土壤溶液取样的系统，其特征在于，包括取样器、样品收集管、集液瓶和抽水管，其中，

所述取样器由质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料构成，在使用时，掩埋在土壤内，通过样品收集管与地表上的集液瓶连接；

所述抽水管一端放置在取样器周围的土壤中，一端伸出地表。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：第一开关阀，用于控制样品收集管的开关。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：抽气管和真空泵；

所述抽气管连接真空泵与集液瓶；

所述真空泵用于抽取所述集液瓶内的空气，形成真空吸力。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，进一步包括：第二开关阀，用于控制抽气管的开关。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括:第三开关阀，用于控制抽水管的开关。

6.如权利要求1、2、3、4任一所述的系统，其特征在于，所述质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料为聚四氟乙烯或其混合物。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述聚四氟乙烯混合物为聚四氟乙烯和石英粉或不锈钢粉按符合水与溶质渗透及粘合固结的要求的比例混合制成。

8.一种用于土壤溶液取样的方法，其特征在于，包括：

在土壤中钻取一定直径且到达设定取样深度的孔穴；

固定所述取样器，保证所述取样器与土壤毛细管的接触；

在取样器周围装入一根抽水管，一端到达地面；其中，地面一端初始密闭。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述将连接了样品收集管和集液瓶的取样器用空钻头送入孔穴前，进一步包括：

在孔穴底放入适量的耐胀缩材料。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述固定所述取样器包括：

往孔穴中注入一定量耐胀缩材料，以完全固定取样器。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述集液瓶进一步通过抽气管与真空泵相连，所述方法进一步包括：

利用抽气管与真空泵将集液瓶抽成真空。

12.如权利要求8至11任一所述的方法，其特征在于，所述质地坚硬、水与溶质透过性能良好的材料为聚四氟乙烯或其混合物。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯混合物为聚四氟乙烯和石英粉或不锈钢粉按符合水与溶质渗透及粘合固结的要求的比例混合制成。