CN110108857A - 土壤养分纵向迁移微型模拟土柱装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，属于土壤养分测量或检测分析技术领域，该装置埋设于土壤中，其包括纵向模拟土柱、同轴围设于纵向模拟土柱外侧的外管、设于纵向模拟土柱底部的养分收集管件；外管与纵向模拟土柱之间构成内外管间，内外管间内设有至少一根纵向抽水管，抽水管的上端与设于外管外部的抽水系统相连，下端与设于养分收集管件内部的不锈钢连接套相连。本发明提供的装置，可以有效解决现有技术的养分迁移分析土柱装置较为落后，实际环境情景还原度较低，测量结果与实际应用差异较大，同时安装使用不方便，测量效率低、无法快速便捷监测和检测分析的问题。
Description
技术领域
本发明属于土壤养分测量或检测分析技术领域，具体涉及一种或多种土壤养分纵向迁移模拟土柱装置和方法。
背景技术
农田在降水或灌溉时，在重力影响下土壤中的养分会发生明显的纵向迁移，这部分养分可能对地下水造成污染。因此，对其纵向养分迁移规律进行研究很有必要，现有的养分迁移模拟装置较为落后，装置设备比较繁琐，无法真正模拟土壤真实的纵向迁移情景，也不能快速有效、实时对土壤纵向养分迁移进行监测分析。因此，急需开发一种安装便捷、适时传递纵向迁移情景的新型土壤养分纵向迁移模拟土柱装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，解决现有技术的养分迁移分析土柱装置较为落后，实际环境情景还原度较低，测量结果与实际应用差异较大，同时安装使用不方便，无法快速便捷监测土柱内温度、溶液实际情况等问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，上述装置埋设于待试验土壤中并包括如下，纵向模拟土柱：其包括敞口型内管和其内装填的土壤；外管：同轴围设于上述纵向模拟土柱外侧并通过多个连接螺钉固接；养分收集管件：设于上述纵向模拟土柱底部的并与上述外管下端密封相连；抽水管：贯穿设于上述外管和内管之间，且上端与设于上述外管外部的抽水管接头相连，下端与设于上述养分收集管件内部的不锈钢连接套相连。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述内管的底部设有渗滤孔板，上述内管和上述渗滤孔板之间还分层装满有土壤。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述外管还包括顶部连接管件，上述连接管件的内径与上述内管的外径匹配。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述土壤的纵向分布与上述装置外侧的土壤纵向土壤成分分布一致，上述土壤与上述渗滤孔板之间还装有鹅卵石。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述连接管件与上述外管之间为可拆卸的卡接或者螺纹密封连接。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述养分收集管件与上述外管之间通过可拆卸的螺纹密封连接。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述外管的顶部外侧还设有指示灯，上述指示灯与设于上述外管上端内壁的第一控制器相连，上述第一控制器通过电路或电线分别连接雨量传感器或灌水传感器或浇水传感器和电源。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述养分收集管件的最下端设有膜压力传感器，用于实时测量养分收集管件内收集到的液体最大水深时候的压强，上述膜压力传感器与上述第一控制器通过电线相连。
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步优选设置为,上述养分收集管件和上述内外管间内设置有多个水位传感器，上述水位传感器与第一控制器相连；上述第一筒体的顶部还设有控制面板和控制开关，用于实时监测水位并传给第一控制器；
上述养分收集管件和上述内外管间内设置有温度传感器，上述温度传感器与第一控制器相连；用于监测环境温度；
上述养分收集管件内设置有浊度传感器，上述浊度传感器与第一控制器相连；用于监测液体的浊度。
本发明的第二目的在于提供一种土壤养分纵向迁移模拟方法，上述方法包括如下：
步骤一、装置组装；将上述装置不装土壤组装完成并密封，测试水密性，此时纵向模拟土柱内没有土壤；
步骤二、在待测量位置的待试验土壤中挖洞，并将土壤分两层挖出备用，分表层土和底层土；表层土和底层土挖完后，扩大洞的内径和深度，直至能够容纳上述装置装入；
步骤三、在纵向模拟土柱中装入鹅卵石；鹅卵石的填充高度为100mm，鹅卵石平均直径为15-30mm；
步骤四、在纵向模拟土柱中装入底层土；底层土的填充高度为100mm；并使得底层土与外部土壤中底层土保持在同一高度；
步骤五、在纵向模拟土柱中装入表层土；表层土的填充高度为100mm；；并使得表层土与外部土壤中表层土保持在同一高度；
步骤六、利用自然降雨或者人工模拟降雨或浇水或灌水，记录养分收集管件中的参数数据，完成土壤养分纵向迁移数据采集及分析。
有益效果
本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置及方法，具有以下优点：
（1）本发明的装置为主要按功能分成三部分，即：原状土柱装置柱、淋洗液的装载区和抽水管的设置，整个体系分区明确，安装方便。
（2）原状土由内筒装置，并在对底层装有鹅卵石，可以防治上层土壤随雨水淋洗进入淋溶液，而且不会增加其他养分或者元素进入淋溶液，起到了较好的过滤效果。
（3）内筒的外壁通过8颗较长的回头钉，即：上端4颗，下端4颗与外管固定，并对内筒内壁进行密封，防治淋溶液沿着内壁的钉孔缝隙流出。
（4）在内筒和外管之间有缓冲腔，既为了淋溶液的装载，也为了抽水管等其他监测设备装置布设留下了安装空间。
（5）该装置设置类外部取水管，淋溶液的收集非常便捷，只需将抽水泵和取水管连接，装置内所有淋溶液即可抽取出来。
（6）利用本装置及方法，能够最大限度的还原土壤的实际应用环境状态，情景还原度高、土壤纵向养分迁移数据更加准确和可靠，是获得土壤养分纵向迁移科研实验的有力保障。
（7）土柱装置上设有用于监控收集到的液体状态的指示灯，指示灯分为红黄蓝三种三色，分别代表不同的液位高度，使得科研人员对于土壤下部看不见的液体状态更加精确判断。
（8）第一控制器通过外接数据线与外部存储设备相连，可以将第一控制器内部存储的信息转移备用。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图。
图2是本发明第二种实施例的结构布置图。
以上图中的标示为：1、外管；2、养分收集管件； 3、连接螺钉；4、抽水管； 5、内管；6、带渗滤孔的PVC盖头；7、连接管件；8、鹅卵石；81、底层土；82、表层土；9、抽水管接头； 10、指示灯；11、第一控制器； 12、雨量传感器；13、膜压力传感器； 14、水位传感器；15、温度传感器； 16、浊度传感器；17、第一接头；18、第一PVC管； 19、第二接头； 20、PVC盖头；21、第二PVC管；22、第三接头；23、第三PVC管。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
结合图1，一种土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，该装置埋设于待试验土壤中并包括如下，纵向模拟土柱：其包括敞口型内管5和其内装填的土壤；外管1：同轴围设于纵向模拟土柱外侧并通过多个连接螺钉3固接；养分收集管件2：设于纵向模拟土柱底部的并与外管1下端密封相连；抽水管4：贯穿于外管1和内管5之间，且上端与设于外管1外部的抽水管接头9相连，下端与设于养分收集管件2内部的不锈钢连接套相连。不锈钢连接套为圆环状，套设于抽水管4一端的外部，起到利用其重量将抽水管4入水口始终保持在最低点的目的。抽水管4为普通的柔性软管。实施使用的时候，外管1通过依次连接的第一接头17（φ250*φ315mm）、第一PVC管18（φ315mm 长度350mm）、第二接头19（φ315*φ200mm），接头和管均采用普通PVC水管和接头。养分收集管件2由依次连接的第二PVC管21（φ200mm）、第三接头22（φ200*φ160mm）、第三PVC管23（φ160mm）、PVC盖头20（φ160mm）。
在本实施例中，作为一种优选实施方式，本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步设置为,模拟土柱包括敞口型内管5，内管5的底部设有渗滤孔板6，内管5和渗滤孔板6之间还分层装满有土壤。渗滤孔板6通过螺丝或其他锁紧方式与内管连接。内管5的上下两端至少通过两组螺栓或带内旋帽的螺钉固定并密封。
在本实施例中，作为一种优选实施方式，本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步设置为,外管1还包括顶部连接管件7，连接管件7的内径与内管5的外径匹配。连接管件7的作用在于防止外部水进入到缓冲腔中，以免影响实验结果。
在本实施例中，作为一种优选实施方式，本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步设置为,土壤的纵向分布与装置外侧的土壤纵向土壤成分分布一致，土壤与渗滤孔板6之间还装有鹅卵石8。也可以采用其他的防止土壤泥料下落，但能够使得水分下渗漏的材料。
在本实施例中，作为一种优选实施方式，本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步设置为,连接管件7与外管1之间为可拆卸的卡接或者螺纹密封连接。
在本实施例中，作为一种优选实施方式，本发明提供的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置进一步设置为,养分收集管件2与外管1之间通过可拆卸的螺纹密封连接。
具体实施时，按照以下方法进行：
一种土壤养分纵向迁移模拟方法，方法包括如下：
步骤一、装置组装；将装置不装土壤组装完成并密封，测试水密性，此时纵向模拟土柱内没有土壤；
步骤二、在待测量位置的待试验土壤中挖洞，并将土壤分两层挖出备用，分表层土82和底层土81；表层土82和底层土81挖完后，扩大洞的内径和深度，直至能够容纳装置装入；
步骤三、在纵向模拟土柱中装入鹅卵石8；鹅卵石8的填充高度为100mm，鹅卵石8平均直径为15-30mm；
步骤四、在纵向模拟土柱中装入底层土81；底层土81的填充高度为100mm；并使得底层土81与外部土壤中底层土81保持在同一高度；
步骤五、在纵向模拟土柱中装入表层土82；表层土82的填充高度为100mm；；并使得表层土82与外部土壤中表层土82保持在同一高度；
步骤六、利用自然降雨或者人工模拟降雨或浇水或灌水，便携式微型抽水泵连接抽水管接头9即可完成将液体抽取，记录养分收集管件2中的液体参数数据，完成土壤养分纵向迁移数据采集及分析。
实施例2
结合实施例1，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中完全为人工模拟和采集模式，本实施例中，通过增设传感器，可以实现自动化的采样和数据监测分析。除实施例1中的结构外，本发明还包括如下特征：
外管1的顶部外侧还设有指示灯10，指示灯10与设于外管1上端内壁的第一控制器11相连，第一控制器11通过电路或电线分别连接雨量传感器12或灌水传感器或浇水传感器和电源。
养分收集管件2的最下端设有膜压力传感器13，用于实时测量养分收集管件2内收集到的液体最大水深时候的压强，膜压力传感器13与第一控制器11通过电线相连；
养分收集管件2和内外管间设置有多个水位传感器14，水位传感器14与第一控制器11相连；第一筒体的顶部还设有控制面板和控制开关，用于实时监测水位并传给第一控制器11；
养分收集管件2内设置有温度传感器15，温度传感器15与第一控制器11相连；用于监测环境温度；
养分收集管件2内设置有浊度传感器16，浊度传感器16与第一控制器11相连；用于监测液体的浊度。在本实施例中指示灯包括一个浊度超标警示灯。
具体实施时，按照以下方法进行：
便携式微型抽水泵放置到装置旁并完成安装，便携式微型抽水泵（图中未画出）通过第二控制器（图中未画出）通过电线或数据线与第一控制器相连并随时监控第一控制器采集到的水位、温度、压力、浊度数据，当水位或温度或压力或浊度数据超过某一预设阈值，便携式微型抽水泵根据预设阈值，即自行启动，自动启动便携式微型抽水泵，即可完成将液体抽取到收集容器中。
Claims (10)
1.土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述装置埋设于待试验土壤中并包括如下，
纵向模拟土柱：其包括敞口型内管（5）和其内装填的土壤；
外管（1）：同轴围设于所述纵向模拟土柱外侧并通过多个连接螺钉（3）固接；
养分收集管件（2）：设于所述纵向模拟土柱底部的并与所述外管（1）下端密封相连；
抽水管（4）：贯穿设于述外管（1）和内管（5）之间，且上端与设于所述外管（1）外部的抽水管接头（9）相连，下端与设于所述养分收集管件（2）内部的不锈钢连接套相连。
2.根据权利要求1所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述内管（5）的底部设有渗滤孔板（6），所述内管（5）和所述渗滤孔板（6）之间还分层装满有所述土壤。
3.根据权利要求2所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于, 所述外管（1）还包括顶部连接管件（7），所述连接管件（7）的内径与所述内管（5）的外径匹配。
4.根据权利要求2所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述土壤的纵向分布与所述装置外侧的土壤纵向土壤成分分布一致，所述土壤与所述渗滤孔板（6）之间还装有鹅卵石（8）。
5.根据权利要求2所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述连接管件（7）与所述外管（1）之间为可拆卸的卡接或者螺纹密封连接。
6.根据权利要求2所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述养分收集管件（2）与所述外管（1）之间通过可拆卸的螺纹密封连接。
7.根据权利要求1所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述外管（1）的顶部外侧还设有指示灯（10），所述指示灯（10）与设于所述外管（1）上端内壁的第一控制器（11）相连，所述第一控制器（11）通过电路或电线分别连接雨量传感器（12）或灌水传感器或浇水传感器和电源。
8.根据权利要求7所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述养分收集管件（2）的最下端设有膜压力传感器（13），用于实时测量养分收集管件（2）内收集到的液体最大水深时候的压强，所述膜压力传感器（13）与所述第一控制器（11）通过电线相连。
9.根据权利要求8所述的土壤养分纵向迁移模拟土柱装置，其特征在于,所述养分收集管件（2）和所述内外管间（3）内设置有多个水位传感器（14），所述水位传感器（14）与第一控制器（11）相连；所述第一筒体的顶部还设有控制面板和控制开关，用于实时监测水位并传给第一控制器（11）；
所述养分收集管件（2）和所述内外管间（3）内设置有温度传感器（15），所述温度传感器（15）与第一控制器（11）相连；用于监测环境温度；
所述养分收集管件（2）内设置有浊度传感器（16），所述浊度传感器（16）与第一控制器（11）相连；用于监测液体的浊度。
10.土壤养分纵向迁移模拟方法，其特征在于, 所述方法包括如下：
步骤一、装置组装；将所述装置不装土壤组装完成并密封，测试水密性，此时纵向模拟土柱内没有土壤；
步骤二、在待测量位置的待试验土壤中挖洞，并将土壤分两层挖出备用，分表层土（82）和底层土（81）；表层土（82）和底层土（81）挖完后，扩大洞的内径和深度，直至能够容纳所述装置装入；
步骤三、在纵向模拟土柱中装入鹅卵石（8）；鹅卵石（8）的填充高度为100mm，鹅卵石（8）平均直径为15-30mm；
步骤四、在纵向模拟土柱中装入底层土（81）；底层土（81）的填充高度为100mm；并使得底层土（81）与外部土壤中底层土（81）保持在同一高度；
步骤五、在纵向模拟土柱中装入表层土（82）；表层土（82）的填充高度为100mm；；并使得表层土（82）与外部土壤中表层土（82）保持在同一高度；
步骤六、利用自然降雨或者人工模拟降雨或浇水或灌水，记录养分收集管件（2）中的参数数据，完成土壤养分纵向迁移数据采集及分析。
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