CN107271473A

CN107271473A - 冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统

Info

Publication number: CN107271473A
Application number: CN201710723596.1A
Authority: CN
Inventors: 陈生云; 吴妍妍; 张钊; 李硕; 孙月娥
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: CN107271473B

Abstract

本发明提供一种冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，涉及冰冻圈科学研究技术领域。系统包括人工气候箱、土壤存储器(含土柱)、温室气体传输采集通道(含CO₂浓度传感器)、土壤温湿盐传感器和数据采集器。控制箱内温度正负波动的气候箱中分两层设置测试柜，土柱置于上层测试柜内，下层测试柜保存可定期取样分析的土壤样品。土壤温湿盐传感器与土柱密封连接，无泄漏的采集通道用于输送土柱内产生的温室气体至人工气候箱外进行定期采集及量化研究，CO₂浓度传感器能对采集通道内CO₂浓度进行实时检测，各传感器监测数据由箱外的数据采集器采集存储。系统可为冻融对土壤环境影响方面的研究提供科学技术支撑并弥补原位观测研究的不足。

Description

冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统

技术领域

本发明涉及冰冻圈科学研究技术领域，具体而言，涉及一种冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统。

背景技术

土壤冻融过程(或称冻融循环)，是由于昼夜或季节热量变化在表土及以下一定深度形成反复冻结—融化的土壤过程，该现象在中、高纬度或高海拔地区非常普遍。据研究，北半球近57％的陆地面积经历土壤冻融过程。众多已研究表明，冻融交替作用对土壤环境有着强烈影响，主要是通过改变土壤水热特性而对土壤物理特征、化学性质、微生物群落组成结构和活性及温室气体产生排放等产生效应。因此，冻融过程对土壤环境的影响过程复杂、深远而且强烈，目前正在成为一项新的国际性前沿课题和热点领域，其重视度在与日俱增。

青藏高原是土壤冻融过程频发区，土壤冻融频度和强度大，进而造成的土壤侵蚀、盐渍化、荒漠化及植被衰退等现象也非常严重，已对高原生态的可持续发展构成了巨大的环境压力。然而，由于恶劣的自然条件，开展土壤冻融过程的野外原位控制试验难度大、成本高等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其能够方便快捷模拟研究冻融过程中的土壤环境(水热盐、微生物群落结构组成与功能、碳氮储量和温室气体产生排放等)变化过程与内在机理。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的实施例提供了一种冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，包括人工气候箱、第一测试柜、第二测试柜、土柱、同所述土柱密封配合的温室气体传输采集通道、土壤温湿盐传感器和数据采集器。所述人工气候箱的内部具有空腔，所述第一测试柜和所述第二测试柜均布置于所述空腔，所述人工气候箱用于控制所述第一测试柜和所述第二测试柜内的温度第一时间高于预设值或者第二时间低于预设值，所述土柱的数量为多个且均设置于所述第一测试柜内，所述第二测试柜用于容纳需要土壤理化和微生物特征分析的土壤样品，所述土壤温湿盐传感器的数量为多个且每个所述土壤温湿盐传感器均与一个所述土柱连接且所述土壤温湿盐传感器的监测数据由所述数据采集器采集存储，所述温室气体传输采集通道包含CO₂浓度传感器，所述CO₂浓度传感器的数量为多个且每个所述CO₂浓度传感器均与一个所述土柱配合，检测所述温室气体传输采集通道中的CO₂浓度且其监测数据由所述数据采集器采集存储，所述温室气体传输采集通道能够将温室气体输送至所述人工气候箱外部。

另外，根据本发明的实施例提供的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的可选实施例中，所述第一测试柜和所述第二测试柜温度的预设值为0.0℃。

在本发明的可选实施例中，所述人工气候箱包括显示屏和调节按钮，每个所述显示屏均具有与之对应的所述调节按钮。

在本发明的可选实施例中，所述显示屏包括用于显示周期/时段的第一显示屏，用于显示时间的第二显示屏，用于显示温度的第三显示屏和用于显示湿度的第四显示屏，各项显示变量可通过调节按钮来控制。

在本发明的可选实施例中，所述冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统还包括集气瓶，所述集气瓶通过第一管道与所述土柱连通，所述CO₂浓度传感器设置于所述集气瓶且能够检测所述集气瓶内的CO₂浓度，所述集气瓶还通过用于采集气体的第二管道与外部环境连通。为了量化研究的准确性，温室气体传输采集通道需保证完全密封，以避免温室气体泄漏和污染。

在本发明的可选实施例中，所述集气瓶与外部环境的连通状态通过设置于所述人工气候箱外的三通阀控制。

在本发明的可选实施例中，所述冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统还包括与所述数据采集器连接的无线传输器，以将测量数据发送至外部接收设备。

在本发明的可选实施例中，所述冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统还包括能够给数据采集器供电的供电系统。

在本发明的可选实施例中，所述第一测试柜和所述第二测试柜之间采用铁丝网隔离。

本发明的有益效果是：

冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，使用人工气候箱来调控第一测试柜和第二测试柜的温度，通过分时段地控制温度保持0.0℃以下或者以上来模拟土壤的冻融过程，并对处于不同温度阶段的土壤样品进行各类数据相关的采集测定，如在温室气体传输采集通道内实时监测CO₂浓度，定期采集通道内的气体进行CO₂、CH₄和N₂O等的量化研究以及定期提取第二测试柜中的土壤样品进行土壤理化和微生物特征等分析。使得对于土壤冻融过程的研究更为可行，既缩短了研究时间，降低研究成本，又能取得切实的研究数据，具有很好的使用价值。并且通过在合适的场所构建这样的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，可以让研究的难度得以降低，为土壤冻融的研究提供更好的数据采集基础。实现方便快捷地进行土壤冻融过程中的土壤水热盐条件、微生物群落结构组成与功能和碳/氮储量的变化，以及温室气体(CO₂、CH₄和N₂O等)产生排放量的模拟研究，可为冻融对土壤环境影响方面的研究提供科学技术支撑并弥补原位观测研究的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例1提供的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统的第一个视角下的示意图；

图2为图1所示的A处的局部放大图；

图3为图1所示的CO₂浓度传感器等部件的示意图；

图4为图1所示的数据采集器等部件的示意图；

图5为图1所示的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统的第二个视角下的示意图；

图6为图5所示的B处的局部放大图；

图7为图1所示的C处的局部放大图；

图8为本发明的实施例1提供的第一测试柜的结构示意图；

图9为图8所示的第一测试柜的透视图；

图10为本发明的实施例1提供的第二测试柜的结构示意图；

图11为图1所示的D处的局部放大图；

图12为图1所示的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统的第三个视角下的示意图；

图13为图2所示的土壤温湿盐传感器的结构示意图；

图14为图2所示的集气瓶的示意图；

图15为图1所示的E处的局部放大图。

图标：100-冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统；10-人工气候箱；112-第一显示屏；114-第二显示屏；116-第三显示屏；118-第四显示屏；13-调节按钮；15-化霜定时器；16-电源开关；17-化霜开关；18-保险丝座；20-第一测试柜；21-箱体；212-立柱条；23-箱门；25-机柜锁；27-外接孔；30-第二测试柜；31-铝制容器；35-抽气针头；40-土柱；50-土壤温湿盐传感器；51-探针；52-传输线路；60-CO₂浓度传感器；70-数据采集器；80-集气瓶；81-橡胶塞；812-孔洞；83-第一管道；84-第二管道；90-无线传输器；95-供电系统；101-铁丝网；102-排水孔；103-三通阀；104-加湿器；1041-加湿器插座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1至图4，本实施例提供了一种冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100，这是一种研究因冻融而导致的土壤的土壤理化、微生物及温室气体变化的室内模拟系统。

包括人工气候箱10、第一测试柜20、第二测试柜30、土柱40、同土柱40密封配合的温室气体传输采集通道(含CO₂浓度传感器60)、土壤温湿盐传感器50(图13示出)和数据采集器70。

具体的，人工气候箱10的内部具有空腔，第一测试柜20和第二测试柜30均设置于空腔，第一测试柜20和第二测试柜30之间采用铁丝网101隔离。详细的，第一测试柜20和第二测试柜30均为冷轧板制作而成，在它们的侧壁开设有通孔。铁丝网101的网孔可以让人工气候箱10内进行的调节同时传递到第一测试柜20和第二测试柜30。

需要说明的是，图1中的第一测试柜20和第二测试柜30均具有门扇，为了显示人工气候箱10内结构而在图1中隐去，而在图8和图10中分别有显示。需要说明的是，在图1中有显示的土壤温湿盐传感器50的传输线路52，为了不使整个图显得杂乱，有助于辨识，在后续涉及到该线路的附图中隐去。

请参照图5和图6，人工气候箱10具有显示屏和调节按钮13，每个显示屏均有对应的位于下方的调节按钮13。

具体的，第一显示屏112用于显示周期/时段；第二显示屏114用于显示时间，调节其下方的调节按钮13即可；第三显示屏116用于显示箱内温度，并且可以根据具体实验需求来选择升温或者降温；第四显示屏118用于显示湿度，同样可以根据实验需求来选择加湿。这一系列调节，均是通过相应的调节按钮13来实现，比如温度、时间、湿度等，或者是切换调节项目。

更为详尽的，人工气候箱10的容积为450L，控温范围为-10～50℃，控湿范围为50～95％RH，温度波动度为±0.1℃，湿度波动度为±7％RH，所使用的压缩机功率为350W，加热功率为300W，电源为220V，50Hz。

人工气候箱10还有化霜定时器15，当培养长时间(大于8小时)使用0.0℃以下实验时，则打开化霜定时器15电源开关16；当使用0.0℃以上实验时，则关闭化霜定时器15电源开关16。化霜定时器15设置T1为4小时，T2为15分钟，即每隔4小时化霜15分钟。

请结合图7，人工气候箱10的电源开关16以及化霜定时器15的化霜开关17均设置于人工气候箱10的侧面，化霜开关17旁还设置有保险丝座18。上述加湿时所使用的加湿器104设置于人工气候箱10的一侧并且由人工气候箱10供电，加湿器插座1041与上述化霜开关17等位于人工气候箱10的同一侧。

此外，请结合图8至图10，第一测试柜20包括箱体21和箱门23，箱门23铰接于箱体21，箱门23通过机柜锁25实现相对于箱体21的开闭。箱体21的侧壁上还设置有用于给线缆、管道等物件通过的外接孔27，外接孔27的半径可以为22.5mm。箱体21的内部有四根立柱条212，并且配有一个不锈钢网架。不锈钢网架将箱体21内部的空间划分成两部分，不锈钢网架可以用于放置物品，使得箱体21内的空间运用得更充分。第二测试柜30同样包括箱体21和铰接于箱体21的箱门23，箱门23通过机柜锁25实现相对于箱体21的开闭。

人工气候箱10用于控制第一测试柜20和第二测试柜30的温度第一时间高于预设值或者第二时间低于预设值，考虑到研究的是土壤的冻融过程所产生的影响，第一测试柜20和第二测试柜30的温度的预设值为0.0℃。

第一测试柜20放置于人工气候箱10的上层，第二测试柜30放置于人工气候箱10的下层，采用PVC材料制作的土柱40的数量为多个且均设置于第一测试柜20内，第二测试柜30用于容纳可定期取样分析的土壤样品。

详细的，请结合图11。第二测试柜30内放置三个铝制容器31，该铝制容器31即用于存储土壤样品。可在不同温度条件下定期进行样品采集并进行土壤理化和微生物特征等分析，铝制容器31安装有抽气针头35。需要说明的是，PVC材质制成的土柱40为圆柱体，土柱40和铝制容器31均属于土壤存储器。

请结合图12，第二测试柜30的底部具有排水孔102，人工气候箱10的底部对应第二测试柜30的排水孔102的位置也开设有一个排水孔102，这是为了使加湿器104加湿后产生的液滴能够汇集并从人工气候箱10排放出去。

请结合图13，土壤温湿盐传感器50具有四个探针51，土壤温湿盐传感器50的数量为多个且每个土壤温湿盐传感器50均与一个土柱40通过探针51连接且其监测数据由数据采集器70采集存储，CO₂浓度传感器60的数量为多个且每个CO₂浓度传感器60均与一个土柱40配合且其监测数据由数据采集器70采集存储。

本实施例的土柱40为四个，因此相对应的土壤温湿盐传感器50和CO₂浓度传感器60的数量也各有四个。四个CO₂浓度传感器60检测CO₂浓度后的监测数据均由数据采集器70采集存储。

详细的，请结合图14。冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100还包括用橡胶塞81封闭的集气瓶80，橡胶塞81上有用于设置管道和器件的孔洞812。集气瓶80通过第一管道83与土柱40连通，CO₂浓度传感器60的探头设置于集气瓶80且能够检测集气瓶80内的CO₂浓度，集气瓶80还能够通过采集气体的第二管道84与外部环境连通。CO₂浓度传感器60、第一管道83、第二管道84和集气瓶80共同构成温室气体传输采集通道，由于土柱40有四个，因此，温室气体传输采集通道也有四套。

请结合图15，集气瓶80与外部环境的连通状态通过设置于人工气候箱10外的三通阀103控制。通过控制三通阀103的开闭，实验人员能够定期采集气体以便于送至实验室进行CO₂、CH₄、N₂O等温室气体的实验分析。

人工气候箱10的侧壁开设有通道，土壤温湿盐传感器50的传输线路52、CO₂浓度传感器60的数据线路，还有集气瓶80与外部环境连通的管路均可以穿过该通道，在上述线路和管道布设好之后，可以通过密封胶将通道密封，以保障人工气候箱10的正常的温湿度调控。同时，第一测试柜20中的PVC制成的圆柱形土柱40、土壤温湿盐传感器50和温室气体传输采集通道整体为一密封的体系，以确保实验的准确性。

请再结合图3和图4，冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100还包括与数据采集器70连接无线传输器90，以将测量数据发送至外部接收设备。

为了保障数据采集器70和无线传输器90的正常工作，冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100还设置有供电系统95。当遭遇停电时，供电系统95能够提供紧急供电，可防止数据丢失。

本实施例的原理是：

对于土壤冻融的研究，由于其所处的恶劣的自然环境，使得开展土壤冻融过程的研究难度很大，并且研究成本高。因此，为了更好地研究土壤冻融的过程以及冻融过程中的温室气体浓度、湿度、水热、微生物群落结构组成与功能等等，设计出本发明的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100。

将第一测试柜20和第二测试柜30都放置于人工气候箱10中，这样土柱40和第二测试柜30中的土壤样品能够同等程度地被提升或者降低温度。人工气候箱10根据研究所需，可以设置不同的温度阶段，例如，可以设为一天24小时几个小时低于0.0℃，其他时间高于0.0℃，以代表日冻融；或者，可在一段时间设为低于0.0℃，另一段时间高于0.0℃，以代表季节冻融。

研究一个温度阶段的土柱40中的土壤样品时，可以取用达到同样温度状态的第二测试柜30中的土壤样品，进行土壤理化和微生物特征等分析，完成后又能进行下一个温度阶段的研究。

由于是同处于一个人工气候箱10，所以土柱40中的土壤和第二测试柜30中的土壤是同步变化的，这样在不同的温度阶段，对于不同的微生物群落结构组成与功能、碳氮储量等的分析便能够顺利开展，保证数据的一致性。

每个温度阶段中，CO₂的浓度变化是温室气体观测的主要参数，因此，首先用CO₂浓度传感器60来对每个土柱40进行CO₂的检测，监测的数据直接由数据采集器70采集存储，同时，土壤温湿盐传感器50在每个温度阶段对于土柱40内部的土壤的监测数据也由数据采集器70采集存储，以获得最为直观的土壤冻融过程的研究数据。

除了CO₂以外，还有其他温室气体也是需要量化研究的。集气瓶80除了贮存土柱40排出的气体以外，还有第二管道84连接到人工气候箱10的外部，通过控制三通阀103，可以在不同的温度阶段定期采集集气瓶80中的气体，并将采集的气体拿去做检测研究，丰富研究数据，也提升本冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100得出的研究数据的可靠性。

在数据采集器70完成数据的采集后，还可以通过无线传输器90来将数据发送给外部接收设备，使得数据的采集和传输变得更加方便。

通过组建本实施例的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100，研究人员能够在室内或者其他一些便于开展研究的场所进行土壤冻融过程的分析研究，以便于探索出土壤冻融带来的更深层次的影响。冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100能够缩短土壤样品的冻融演化时间，在短期内获得研究所需的数据，并且降低研究的成本。

本发明的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100，使用人工气候箱10来调控第一测试柜20和第二测试柜30的温度，通过分时段地控制温度保持0.0℃以下或者以上来模拟土壤的冻融过程，并对处于不同温度阶段的土壤样品进行各类数据相关的采集测定，使得对于土壤冻融的研究更为方便可行，既缩短了研究时间，降低研究成本，又能取得切实的研究数据，具有很好的使用价值。并且通过在合适的场所构建这样的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100，可以让研究的难度得到降低，为土壤冻融的研究提供更好的数据采集基础。

综上所述，冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统100可方便快捷地进行土壤冻融过程中土壤水热盐条件、微生物群落结构组成与功能和碳/氮储量的变化，以及温室气体(CO₂、CH₄和N₂O等)产生排放量的模拟研究，可为冻融对土壤环境影响方面的研究提供科学技术支撑并弥补原位控制试验研究的不足。

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

1.一种冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，包括人工气候箱、第一测试柜、第二测试柜、土柱、同所述土柱密封配合的温室气体传输采集通道、土壤温湿盐传感器和数据采集器；

所述人工气候箱的内部具有空腔，所述第一测试柜和所述第二测试柜均布置于所述空腔，所述人工气候箱用于控制所述第一测试柜和所述第二测试柜内的温度第一时间高于预设值或者第二时间低于预设值，所述土柱的数量为多个且均设置于所述第一测试柜内，所述第二测试柜用于容纳需要土壤理化和微生物特征分析的土壤样品，所述土壤温湿盐传感器的数量为多个且每个所述土壤温湿盐传感器均与一个所述土柱连接且所述土壤温湿盐传感器的监测数据由所述数据采集器采集存储，所述温室气体传输采集通道包含CO₂浓度传感器，所述CO₂浓度传感器的数量为多个且每个所述CO₂浓度传感器均与一个所述土柱配合，检测所述温室气体传输采集通道中的CO₂浓度且其监测数据由所述数据采集器采集存储，所述温室气体传输采集通道能够将温室气体输送至所述人工气候箱外部。

2.根据权利要求1所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述第一测试柜和所述第二测试柜温度的预设值为0.0℃。

3.根据权利要求1所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述人工气候箱包括显示屏和调节按钮，每个所述显示屏均具有与之对应的所述调节按钮。

4.根据权利要求3所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述显示屏包括用于显示周期/时段的第一显示屏，用于显示时间的第二显示屏，用于显示温度的第三显示屏和用于显示湿度的第四显示屏，各项显示变量可通过所述调节按钮来控制。

5.根据权利要求1所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统还包括集气瓶，所述集气瓶通过第一管道与所述土柱连通，所述CO₂浓度传感器设置于所述集气瓶且能够检测所述集气瓶内的CO₂浓度，所述集气瓶还通过用于采集气体的第二管道与外部环境连通。

6.根据权利要求5所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述集气瓶与外部环境的连通状态通过设置于所述人工气候箱外的三通阀控制。

7.根据权利要求1所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统还包括与所述数据采集器连接的无线传输器，以将测量数据发送至外部接收设备。

8.根据权利要求1所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统还包括能够给数据采集器供电的供电系统。

9.根据权利要求1所述的冻融过程对土壤环境影响的室内模拟系统，其特征在于，所述第一测试柜和所述第二测试柜之间采用铁丝网隔离。