CN110567753A - 一种植物根际微量取土装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物根际微量取土装置，该装置主要包括微量取土针、机械伸缩臂、中控系统和滑道，其中中控系统设置在滑道上，机械伸缩臂固定在中控系统上，微量取土针设置在机械伸缩臂的端部。本发明装置用于精细化农学和植物学科学实验中采集不同位置、不同深度的微量根际土壤样品，同时最大可能保护根系健康，保留土壤结构。为精细化农学和植物学科学实验提供了较为可靠的样品采集手段。

Description

一种植物根际微量取土装置
技术领域
本发明属于农学技术领域，具体涉及一种植物根际微量取土装置。
背景技术
在农学、植物学等领域的研究中，大田试验及盆栽试验是重要的研究手段，通过分析根系与土壤之间存在的生化反应，探究植物在可控人工条件下的生长发育、代谢与分泌、物质能量交换。而在试验过程中，往往需要采集盆栽或近地表植物根际土壤样品，以供分析测试用，而样品采集问题往往是制约分析细致程度的关键，其技术难点主要有两个方面。
(一)采样扰动问题。是根际土壤样品采集需要有持续性，且不可剧烈扰动根际环境，尽量不破坏土壤孔隙结构，不伤害根系。因此采样量必须十分微小，扰动小，取样位置和深度可控，根系切割干净整洁。因此为了满足精细化的取样要求，需要对一种植物根际微量取土针1，在尽量小的扰动条件下，精确采集植物根际不同位置、不同深度的土壤样品，对研究植物生育周期内根系、土壤、微生物、水分、空气之间的物质能量交换与循环有十分重要的意义。
(二)刺入力学问题。不同于一般的土壤采集，根际土含有大量根系，生物量差异明显，根际介质的异质性大，取样针刺入过程的阻力不可直接根据土壤力学进行计算。若刺入力过小，取样针受根系阻挡无法到达指定深度，若刺入力过大，可能剧烈拉扯根系，造成根际土壤结构破坏，损伤根系组织。因此为了在满足最小扰动条件而顺利刺入指定深度进行取样，需要对刺入过程进行优化，在取样针刺入过程中受到不同类型反力作用时，使用不同组合和频率的垂向微量振动、轴向微量转动、x-y方向微量振动来辅助刺入。解决取样的刺入问题，对保护根系原有状态，保证观测的可持续性，提升试验的可复制性十分关键。
从目前土壤学、植物生理学等领域的试验方法上看，采集土壤样品的方法都过于粗放，且对原有土壤环境扰动太大，不利于持续性的观测和分析。具体表现为：
(1)直接挖掘：该方式影响的面积太大，对植物根际环境扰动过于剧烈，甚至破坏植物正常生理过程，造成该株植物无法用于持续性的观测研究。
(2)环刀采集：若直接在地表打入环刀，则取样深度不够，难以研究完整根际；若挖掘土壤剖面再打入环刀，则效率十分低下，往往为了形成1m深的纵剖面，需要开挖至少1m3的土壤，同时会大面积地破坏原有土壤结构，且对植物根际环境产生剧烈扰动。
(3)土钻采集：该方式需要垂直打下不锈钢土钻，但取样深度越深，阻力越大，时常需要用到液压机械才能完成取土；而且土钻刀口往往无法切断根系，从而拖拽根系，影响植物原有根系分布，甚至对根系造成大量断裂，伤流液浸润根际土，对下次取样带来不可预估的变量；同时，土钻拔出后，形成的空洞难以很好回填，容易在此处形成优先流，不利于保护原有根际土壤水力学条件。
因此，本发明涉及一种植物根际微量取土针，用于精细化农学和植物学科学实验中采集不同位置、不同深度的微量根际土壤样品，同时最大可能保护根系健康，保留土壤结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植物根际微量取土装置，用于精细化农学和植物学科学实验中采集不同位置、不同深度的微量根际土壤样品，同时最大可能保护根系健康，保留土壤结构。为精细化农学和植物学科学实验提供了较为可靠的样品采集手段。
为了实现上述技术目的，本发明取土装置具体通过以下技术方案实现：
一种植物根际微量取土装置，包括微量取土针，所述的微量取土针包括取土针内套和取土针外套，在取土针内套底部设置有取样仓，所述的取样仓由多个弧形取样仓门首尾贴合形成，所述的取样仓门的一端设置有活塞孔，另一端设置有仓门刀口和仓门尖舌，所述的仓门刀口和仓门尖舌呈Y型开口状，所述的取土针内套底部设置有穿刺锥和面板，所述的面板与取土针内套固定连接，所述的穿刺锥通过取样仓立柱与面板固定连接，所述的穿刺锥和面板之间设置有活塞杆，所述的活塞杆穿过取样仓门的活塞孔设置，所述的取土针外套套设在取土针内套上。
所述的取样仓立柱位于仓门刀口和仓门尖舌形成的Y型开口之间。
所述的取样仓门上靠近活塞孔的一侧设置有仓门开合限制键槽。
所述的取土针外套的外侧壁上设置有垂向齿条。
所述的取土针内套顶端设置有内套旋转键槽。
所述的取土装置还包括机械伸缩臂、中控系统和滑道，所述的中控系统设置在滑道上，所述的机械伸缩臂固定在中控系统上，所述的微量取土针设置在机械伸缩臂的端部。
所述的机械伸缩臂上分别设置有径向自动马达和垂向自动马达，所述的径向自动马达通过软性转轴与内套旋转键槽连接，所述的垂向自动马达通过垂向齿条与取土针外套啮合并传递垂向位移。
所述的滑道两端设置有支撑柱，用于取土装置的支撑。
本发明的有益效果为：
1)可以最大可能保护根系健康，保留土壤结构。在取样过程中，通过穿刺的方法扎入土壤指定深度，取样量微小，几乎不破坏土壤稳定性，不会引起后期入渗过程的改变。
2)可以避免根系纠缠。在取样过程中，对于少量进入仓门的少量根系，可以在取样结束时进行干净整洁的剪切，不会对根系造成拖拽，不影响根系正常的发育。
3)对采样条件有很好的适应能力。可以根据不用的取样深度、土壤质地、含水条件而更换适用的关键配件，包括不同锥度的穿刺锥、不同长度仓门尖舌的取样仓门等，使其能在复杂的土壤和根系环境中顺利刺入指定深度，同时取样仓门能在不同土壤条件下顺利开合并收集样品。
4)有强大的自动化采样适配能力，具有良好的升级适配特性。本发明可根据试验场地、植物、土壤、水分条件等因素进行改造，更换关键部件，以适应不同目的的研究需要，同时，取样中控系统3的软件可以不断优化升级，对于采样流程与触发逻辑可进行自定义，以满足不同尺度、不同量、不同精度的采样需求，为土壤植物微生物的科学试验研究提供精细化的采样手段。
附图说明
图1是本发明微量取土装置的结构示意图；
图2是本发明装置中机械伸缩臂的结构示意图；
图3是本发明装置中微量取土针的结构示意图；
图4是本发明装置中仓门开合限制键槽的结构示意图；
其中，1、微量取土针，11、取土针内套，111、内套旋转键槽，112、取样仓门，113、仓门尖舌，114、仓门刀口，115、仓门开合限制键槽，116、面板，12、取土针外套，121、垂向齿条，122、取样仓立柱，123、穿刺锥，2、机械伸缩臂，21、软性转轴，22、径向自动马达，23、垂向自动马达，3、中控系统，4、滑道，5、收集器，6、洗针池，7、洗针液。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
精细化农学和植物学科学实验中，都需要对植物土壤样品进行采集。传统的采集方法包括直接挖掘、环刀采集、土钻采集等。直接挖掘的方法对土壤的影响范围太大，对植物根际环境扰动过于剧烈，甚至破坏植物正常生理过程，造成该株植物无法用于持续性的观测研究；环刀采集的方法往往取样深度不够，难以研究完整根际，而挖掘土壤剖面再打入环刀，则依然会大面积地破坏原有土壤结构，对植物根际环境产生剧烈扰动；对于土钻采集而言，该方式垂直打下不锈钢土钻，在敲击过程中，土钻刀口往往无法切断根系，从而拖拽根系，影响植物原有根系分布，甚至对根系造成大量断裂，伤流液浸润根际土，对下次取样带来不可预估的变量，同时，土钻拔出后，形成的空洞难以很好回填，容易在此处形成优先流，不利于保护原有根际土壤水力学条件。
而本发明是用于精细化农学和植物学科学实验中的取样装置，主要是采集不同位置、不同深度的微量根际土壤样品。具体如下：
如图1所示，本发明提供了一种植物根际微量取土装置，该装置主要包括微量取土针1、机械伸缩臂2、中控系统3和滑道4，其中中控系统3设置在滑道4上，机械伸缩臂2固定在中控系统3上，微量取土针1设置在机械伸缩臂2的端部。
优选的，在中控系统3的一侧设置有收集器5，用于土样采集的收集存放，在收集器5的一侧设置有洗针池6，用于对微量取土针1采集土样后的清洗，洗针池6通过软管连接有洗针液7。
如图2所示，机械伸缩臂2上分别设置有径向自动马达22和垂向自动马达23，径向自动马达22通过软性转轴21与取土针内套11连接，垂向自动马达23通过与取土针外套12啮合并传递垂向位移。
如图3所示，微量取土针1包括取土针内套11和取土针外套12，取土针内套11顶端设置有内套旋转键槽111，径向自动马达22通过软性转轴21与内套旋转键槽111连接，在取土针内套11底部设置有取样仓，取样仓由四个弧形取样仓门112首尾贴合形成，取样仓门112的一端设置有活塞孔，取样仓门112上位于活塞孔的一侧设置有仓门开合限制键槽115，另一端设置有仓门刀口114和仓门尖舌113，仓门刀口114和仓门尖舌113呈Y型开口状。取土针外套12的外侧壁上设置有垂向齿条121，垂向自动马达23通过与垂向齿条121啮合并传递垂向位移。取土针内套11底部设置有穿刺锥123和面板116，面板116与取土针内套11固定连接，穿刺锥123通过取样仓立柱122与面板116固定连接，取样仓立柱122位于仓门刀口114和仓门尖舌113形成的Y型开口之间，穿刺锥123和面板116之间还设置有活塞杆，活塞杆穿过取样仓门112的活塞孔设置。取样仓位于穿刺锥123和面板116之间，取土针外套12套设在取土针内套11上。
取样开始时，通过转动内套旋转键槽111，使取样仓立柱122位于锁定位置，即取样仓立柱122位于仓门刀口114和仓门尖舌113形成的Y型开口之间。机械伸缩臂2移动到指定位置后，微量取土针1垂直刺入土壤至所需深度。到达所需深度后，顺时针转动取土针内套11，并使取土针内套11角度位于解除状态，取样仓立柱122压住取样仓门112，此时由于土壤与仓门尖舌113的相互作用，取样仓门112将顺势开启，开启过程中受到仓门开合限制键槽115的作用而固定在特定角度，在转动过程中，取样仓门112周围土壤将被收集至取土针内部。
土壤收集完成后，取土针外套12保持不动，逆时针方向旋转取土针内套11至锁定角度，从而关闭取样仓门112，继续旋转取土针内套11至剪切角度，在取样仓立柱122与仓门尖舌113的挤压作用，使仓门刀口114与剪切槽之间产生挤压，从而剪断残留的部分根系。
取土针拔出时，为了防止破坏土体结构，利用垂向自动马达23产生垂向位移振动，振动幅度<5mm，振动频率为20-100Hz。
过机械伸缩臂2将样品转移至部分收集器5的试管中。转动并使取土针内套11角度位于解除状态，径向自动马达22和垂向自动马达23分别产生旋转和垂向振动，旋转角度0-5°，垂向位移振动幅度<5mm，频率为50-100Hz，利用其振动和离心作用将收集的土壤转移至试管中。
完成一次取样后，取样针进入洗针池6中进行清洁，依次插入三级清洁池中进行漂洗，漂洗过程中径向自动马达22和垂向自动马达23分别产生旋转和垂向位移来增加漂洗效率，旋转转速100-200r/min，垂向位移为5-15cm并来回浸入漂洗去离子水，一级清洁池浊度低于500NTU后，进入二级清洁池再次漂洗，浊度低于100NTU后，进入三级清洁池漂洗，浊度低于10NTU后可以准备进行下一次取样。
在实际应用中微量取土针1刺入阶段的旋转量是考虑不同根际土壤物理性质和根系分布条件，通过标贯击数临界值计算土壤局部液化来确定，旋转量一般为0-5°，通过其产生刺入时所需的旋转振动。
取样和剪切阶段的旋转量是结合穿刺锥123直径和取样仓门112数量确定的，受控于所需的取样最大深度、土壤质地、压实条件：对于植物生化研究所配制的营养介质，盆栽深度30cm以内，土壤质地疏松，土压力小，穿刺锥123直径为0.5-5.0cm，取样仓门112数量3-4个，取样和剪切阶段的旋转量90-120°；对于农业经济作物的土壤，盆栽深度可达100cm，土壤有一定粘性，具有一定土压力，穿刺锥123直径需<2.5cm，取样仓门112数量4-6个，取样和剪切阶段的旋转量60-90°；对于大田条件，土壤分层结构明显，可能具有生物量较大的根系层，粘性较大的犁底层，穿刺阻力大，剪切难度大，穿刺锥123直径需<2.0cm，取样仓门112数量6个以上，取样和剪切阶段的旋转量0-60°。
遇到根系或土壤侵入体阻挡反力，为了保护根系分布结构和土壤结构，需要根据取土针所受反力大小来控制径向自动马达22和垂向自动马达23动力和位移输出，来产生相应的振动，其中径向转动角度为0-5°，垂向位移幅度为0.5-5mm，振动频率为25-300Hz。对于研究对象为拟南芥(Arabidopsis thaliana(L.)Heynh.)等根系细密的小型盆栽时，径向自动马达22径向输出转动角度为0-2°，垂向自动马达23垂向输出位移幅度为0.5-2mm，振动频率为250-300Hz，可使刺入过程中的拖拽影响范围较小，该情况所遇根系阻挡反力一般<100N；当研究对象为室内的农业经济作物盆栽，包括油菜(Brassica napus L.)、小麦(Triticum aestivum L.)、水稻(Oryza sativa L.)等，径向自动马达22径向输出转动角度为0-5°，垂向自动马达23垂向输出位移幅度为1-3mm，振动频率为80-300Hz，可使刺入过程中的拖拽影响范围较小，该情况所遇根系阻挡反力50-300N；当研究对象为大田土壤时，径向自动马达22径向输出转动角度为3-5°，垂向自动马达23垂向输出位移幅度为1-5mm，振动频率为20-200Hz，可使刺入过程中的拖拽影响范围较小，该情况所遇根系阻挡反力可能>300N。系统将根据实际刺入过程的反力大小，调整振动参数，以适应土壤中不同阻挡因素，并不造成对根系的拖拽损伤及土体结构破坏。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种植物根际微量取土装置，其特征在于，包括微量取土针(1)，所述的微量取土针(1)包括取土针内套(11)和取土针外套(12)，在取土针内套(11)底部设置有取样仓，所述的取样仓由多个弧形取样仓门(112)首尾贴合形成，所述的取样仓门(112)的一端设置有活塞孔，另一端设置有仓门刀口(114)和仓门尖舌(113)，所述的仓门刀口(114)和仓门尖舌(113)呈Y型开口状，所述的取土针内套(11)底部设置有穿刺锥(123)和面板(116)，所述的面板(116)与取土针内套(11)固定连接，所述的穿刺锥(123)通过取样仓立柱(122)与面板(116)固定连接，所述的穿刺锥(123)和面板(116)之间设置有活塞杆，所述的活塞杆穿过取样仓门(112)的活塞孔设置，所述的取土针外套(12)套设在取土针内套(11)上。
2.根据权利要求1所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的取样仓立柱(122)位于仓门刀口(114)和仓门尖舌(113)形成的Y型开口之间。
3.根据权利要求1所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的取样仓门(112)上靠近活塞孔的一侧设置有仓门开合限制键槽(115)。
4.根据权利要求1所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的取土针外套(12)的外侧壁上设置有垂向齿条(121)。
5.根据权利要求1所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的取土针内套(11)顶端设置有内套旋转键槽(111)。
6.根据权利要求1所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的取土装置还包括机械伸缩臂(2)、中控系统(3)和滑道(4)，所述的中控系统(3)设置在滑道(4)上，所述的机械伸缩臂(2)固定在中控系统(3)上，所述的微量取土针(1)设置在机械伸缩臂(2)的端部。
7.根据权利要求6所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的机械伸缩臂(2)上分别设置有径向自动马达(22)和垂向自动马达(23)，所述的径向自动马达(22)通过软性转轴(21)与内套旋转键槽(111)连接，所述的垂向自动马达(23)通过垂向齿条(121)与取土针外套(12)啮合并传递垂向位移。
8.根据权利要求6所述的一种植物根际微量取土装置，其特征在于，所述的滑道(4)两端设置有支撑柱，用于取土装置的支撑。
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