CN105464656A - 一种原状土柱取样器 - Google Patents

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鲁旭阳
霍常富
赵晓敏
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/02—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by mechanically taking samples of the soil
    • E21B49/06—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by mechanically taking samples of the soil using side-wall drilling tools pressing or scrapers

Abstract

本发明公开了一种原状土柱取样器，所述取样器由钻头、钻筒、手柄组成，所述钻筒内置有内衬管、挡塞，所述内衬管置于钻头、挡塞之间，所述内衬管的外径等于钻筒的内径；挡塞的直径等于钻筒的内径；所述挡塞中心有透气孔。与现有技术相比，本发明适用性较广，除一般取样器适用的农田和草地土壤外，尤其适用于多石砾和根系的森林中原状根系土柱样品的采集；且本发明操作简单，结构简洁有效，携带方便，坚固耐用。

Description

一种原状土柱取样器
技术领域
本发明属于陆地生态系统地下生态学领域，涉及土力学中土工试验原状土样制备装置，具体涉及一种原状土柱取样器。
背景技术
生态学一百多年的探索和发展主要集中在地上部分，对地下部分则依然了解甚少。作为地下部分主体的根系及土壤，由于受到采样困难和方法等条件的制约，发展长期滞后，因此发明或改进根系及土壤取样工具和方法，是地下生态过程研究中的一项重要技术内容。
目前，野外根系的取样方法主要有：人工挖掘法、水枪冲蚀法、取样槽法和根钻法。人工挖掘法主要指用铁锹、镐头等工具进行手工挖根，该法施工灵活多样，可挖到较大和完整的根系，但对样地破坏较大，费时费力。水枪冲蚀法利用高压水枪冲走土壤，使根系裸露，该法适用于沙质土壤效果较好，根系样品损伤小，但受水电限制应用较少。取样槽法是用锤子将一定大小的取样槽砸入土壤，然后拔出挑根的方法，该法可定量取出单位土体的根系，一般多用于样地表层土壤取根。根钻法是用加工好的根钻，采用人工或机器驱动钻取不同深度的根系样品，根钻便于携带、取样效率高以及对样地破坏小，该法广泛应用于细根生物量和生产力的研究。以上四种方法各有优缺点，需根据研究目的和研究对象进行选择，然而这些方法都不能获取原状根系土柱。
原状根系土柱是研究根系空间分布、根际微生物、根系与土壤关系、土壤物理特征以及原位土壤培养等方面重要的样品。目前，原状根系土柱的取样工具大都基于农田和草原而发明，未考虑森林土壤多根、多石砾的特征，而不适用于森林土壤的野外取样。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种既适用于农田和草地土壤取样，又易于野外森林原状根系土柱取样的一种原状土柱取样器。
为实现上述目的，本发明的原状土柱取样器，由钻头、钻筒、手柄组成，所述钻筒内置有内衬管、挡塞，所述内衬管置于钻头、挡塞之间，所述内衬管的外径等于钻筒的内径；挡塞的直径等于钻筒的内径；所述挡塞中间有透气孔。
优化的，所述钻头为缩口锯齿钻头，锯齿为三角形，齿侧壁开刃。缩口锯齿钻头一方面利于取样器钻入土地中，另一方面缩口钻头前端直径更小，使得所取土样利于进入钻筒内。
所述钻头与钻筒相接处，无缝焊接一个紧贴钻筒内壁的圆环，所述圆环的外径等于所述钻筒的内径，圆环的内径小于等于内衬管的内径。
进一步的，所述钻筒侧壁有采样过程观察窗和样品出口窗，且在其外壁刻有取样深度标识。该设计利于取样过程中观察和控制取样进度及过程。
具体的，所述内衬管为PVC材质的薄壁圆管。所述内衬管为无色透明或深色透光。所述内衬管还配有两个管帽。所述挡塞为有机硅胶材质的胶塞，所述透气孔还配有堵芯。所述内衬管配有两个管帽，使得取得土样后，将内衬管取出，配上管帽，便于储存和携带土样。
再进一步的，所述钻头、钻筒、手柄采用一体式结构；所述钻筒为上下不封口的不锈钢圆管，对外壁进行抛光处理；所述的手柄呈“一”字型垂直焊接于钻筒上端。采用一体式结构，结构简单，利于生产；抛光处理利于插入土壤内；手柄一字型方便双手握住往下压入土壤中。
具体的，所述钻筒高800mm；所述内衬管壁厚为0.5mm，长度为300mm；所述内衬管分为三段，每段100mm；所述圆环高5mm，厚1mm；所述采样过程观察窗长200mm，宽10mm；所述样品出口窗大小为长300mm，宽40mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明适用性较广，除一般取样器适用的农田和草地土壤外，尤其适用于多石砾和根系的森林中原状根系土柱样品的采集；(2)挡塞的透气孔使得在紧实土壤中，可排出气体，使得入土顺利；在疏松或砂质土壤中，提出钻筒时，堵住透气孔，使得样品柱不易滑脱，提高了采样成功率；(3)取样器的内衬管使得样品柱不易断裂和不易污染，所取样品质量可靠，并且所取样品可直接保存于内衬管内，提高了野外采样效率；(4)取样器采用一体式结构设计，结构简单有效，携带方便，坚固耐用。
附图说明
图1为本发明所述原状土柱取样器的剖面结构示意图。
图2为所述原装土柱取样器的挡塞(5)含堵芯(11)的局部放大图。
图3为所述原状土柱取样器的钻头(1)的局部放大图。
图4为所述原装土柱取样器的内衬管(4)及管帽(10)的结构图。
图中标号分别如下：
1——钻头、2——钻筒、3——采样过程观察窗、4——内衬管、5——挡塞、6——样品出口窗、7——手柄、8——透气孔、9——圆环、10——管帽、11——堵芯
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例，对本发明所述的原状土柱取样器及在在森林原状土柱取样中的应用作进一步的描述。
实施例一
如图1所示，该原状土柱取样器由钻头1、钻筒2、手柄7组成，整体上，钻头1、钻筒2、手柄7采用一体式结构；钻筒2为上下不封口的不锈钢圆管，对外壁进行抛光处理；手柄7呈“一”字型垂直焊接于钻筒上端。具体的，钻筒2内置有内衬管4、挡塞5，内衬管4置于钻头1、挡塞5之间，内衬管4的外径等于钻筒2的内径；挡塞5的直径等于钻筒2的内径；挡塞5中间有透气孔8。挡塞的透气孔使得在紧实土壤中，可排出气体，使得入土顺利；在疏松或砂质土壤中，提出钻筒时，堵住小孔，使得样品柱不易滑脱，提高了采样成功率。所述挡塞5为有机硅胶材质的胶塞，如图2所示，透气孔8配有堵芯11。
从图1中可以看出钻筒2的侧壁有采样过程观察窗3和样品出口窗6，且在其外壁刻有取样深度标识。过程观察窗3和深度标识利于观察和控制实际取样情况。
内衬管4是为了便于保存和携带原状土柱。为了使得土柱能够通过钻头后顺利进入内衬管4，如图3所示，在钻头1与钻筒2相接处，固定有一贴钻筒2内壁的圆环9，圆环9的外径等于钻筒2的内径，圆环9的内径小于等于内衬管4的内径。并且如图4所示，所述内衬管4为PVC材质的薄壁圆管，且为无色透明或深色透光，还配有两个管帽10。配合管帽10便于直接将原状土柱保存在内衬管4中，内衬管4和管帽10优选都为PVC材质，管帽10大小与内衬管4匹配，要求质地稍软，帽沿较宽，最好10毫米以上，从而利于保证良好的密闭效果，减少样品水分丧失。
为了省力地将该原状土柱取样器插入土壤中，受压强的钻头1为缩口锯齿钻头，锯齿为三角形，均匀排列，齿侧壁开刃，来增加其切割能力。该图1所示的原状土柱取样器具体的尺寸为：钻筒2高800mm；内衬管4壁厚为0.5mm，长度为300mm；内衬管4分为三段，每段100mm；圆环9高5mm，厚1mm；采样过程观察窗3长200mm，宽10mm；样品出口窗6大小为长300mm，宽40mm。
实施例二
使用本发明提供的原状土柱取样器的操作步骤如下：
①实验人员提起原状土柱取样器，装入内衬管4，塞上挡塞5以固定好内衬管4；
②对准取样点，保持钻筒2竖直，双手握住手柄7，边向下压边旋转，使钻头1和钻筒2向土壤中推进；
③通过钻筒2外壁的取样深度标示和采样过程观察窗3确定取样深度，待到指定取样深度时，停止下压；
④反向旋转几圈钻筒2，同时缓慢提出取样器：当紧实土壤中取样时，可保持党塞5上的透气孔8通畅；在疏松或砂质的土壤中，提出取样器时，使用堵芯11封闭透气孔8，然后缓慢提出取样器；
⑤提出取样器，将其平放，拔掉挡塞5，从样品出口窗6拉出内衬管4；
⑥查看内衬管4内的样品质量，原状根系土柱符合要求，便迅速用管帽10将其两端堵住，置于容器内，运回实验室待分析。
对比土钻、根钻和本发明所提供的原状土柱取样器，先后在四川贡嘎山和辽宁清原森林生态站进行取样试验：
贡嘎山冰川和泥石流迹地演替而来的森林，土壤质地多变，异质性较大，含有较多的砂和石砾，同时植物根系密集。采用土钻进行取样时，土钻经常遇到石砾和粗根阻碍，无法顺利钻进。采用根钻进行取样时，根钻虽能钻进，但由于土壤质地较粗，结构松散，仍无法获取原状根系土柱样品，其结果取样效率低，采样成功率仅30％左右，而且样品质量差，不能获取真正的原状根系土柱样品。利用本发明所提供的原状土柱取样器，在贡嘎山冰川和泥石流迹地的森林中进行试验，在演替早期的冬瓜杨样地，随机布点打钻15次，成功获取原状根系土柱11个；在演替晚期的冷杉样地，随机布点打钻30次，成功获取原状根系土柱24个，总体取样成功率约为80％。
在辽宁清原森林生态站的样地内，设计有砂柱内生长法根系试验，使用土钻或根钻，取样时样品柱很容易滑脱，尤其当土壤含水量较低时，即15％v/v以下时，成功率低至20％左右；利用本发明所提供的原状土柱取样器，成功获取原装根系砂柱196个，取样成功率98％，即使当土壤含水量较低时，即15％v/v以下时，提出钻筒时，堵住透气孔，使得样品柱不易滑脱，仍可保证90％以上的成功率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原状土柱取样器，由钻头(1)、钻筒(2)、手柄(7)组成，其特征在于：所述钻筒(2)内置有内衬管(4)、挡塞(5)，所述内衬管(4)置于钻头(1)、挡塞(5)之间，所述内衬管(4)的外径等于钻筒(2)的内径；挡塞(5)的直径等于钻筒(2)的内径；所述挡塞(5)中间有透气孔(8)。
2.根据权利要求1所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述钻头(1)为缩口锯齿钻头，锯齿为三角形，齿侧壁开刃。
3.根据权利要求2所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述钻头(1)与钻筒(2)相接处，无缝焊接一个紧贴钻筒(2)内壁的圆环(9)，所述圆环(9)的外径等于所述钻筒(2)的内径，圆环(9)的内径小于等于内衬管(4)的内径。
4.根据权利要求1、2、3任一所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述钻筒(2)侧壁有采样过程观察窗(3)和样品出口窗(6)，且在其外壁刻有取样深度标识。
5.根据权利要求4所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述内衬管(4)为PVC材质的薄壁圆管。
6.根据权利要求5所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述内衬管(4)为无色透明或深色透光。
7.根据权利要求1、2、3、5、6任一所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述内衬管(4)还配有两个管帽(10)。
8.根据权利要求1、2、3、5、6任一所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述挡塞(5)为有机硅胶材质的胶塞，所述透气孔(8)还配有堵芯(11)。
9.根据权利要求1、2、3、5、6任一所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述钻头(1)、钻筒(2)、手柄(7)为一体式结构；所述钻筒(2)为上下不封口的不锈钢圆管，对外壁进行抛光处理；所述的手柄(7)呈“一”字型垂直焊接于钻筒上端。
10.根据权利要求4所述的原状土柱取样器，其特征在于：所述钻筒(2)高800mm；所述内衬管(4)壁厚为0.5mm，长度为300mm；所述内衬管(4)分为三段，每段100mm；所述圆环(9)高5mm，厚1mm；所述采样过程观察窗(3)长200mm，宽10mm；所述样品出口窗(6)大小为长300mm，宽40mm。
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