CN110779764B - 一种原状土植物根系取样方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业水土工程技术领域，特别是涉及一种原状土植物根系取样方法及装置。一种原状土植物根系取样装置，包括汽油机(1)、壳体(2)、减速机构(3)、膨胀联轴器内芯(4)、推力球轴承(5)、第一楔形膨胀环(6)、第二楔形膨胀环(7)、紧固环(8)、钻筒单元(10)和钻筒导向支架(11)；本发明提供了一种原状土植物根系取样方法及装置，通过一种新型的机械结构实现了原状土植物根系样品快速便捷的获取。土样可以在不受扰动的情况下方便快捷地打包，贴标签标记。该方法具有方便快捷，工作效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及农业水土工程技术领域，特别是涉及一种原状土植物根系取样方法及装置。
背景技术
植物根系在植物的生长过程中起到了非常关键的作用，它不只是为作物生长吸收水分和养分，同时，根系还起到了固定地上部分的作用，并且植物根系通过呼吸作用和周转消耗光合产物向土壤输送有机质。对于植物根系以及其生长的原状土壤进行研究，能够更加了解植株的生长状况，帮助研究者进一步监控作物的生长；另一方面，原状土壤样品对于测量土壤导水和导气相关参数也十分重要。作物根系的研究对了解和掌握作物的生长情况和生长规律意义重大，而植物根系所在环境的原状土壤的采样就起到了非常关键的作用。
目前主流的土壤取样器，可按照动力来源分为人力土壤取样器和机动土壤取样器两个类别。按照取样器的工作方式，可以将土壤取样器分为破坏性取样即一次性获取根系样品与非破坏性取样即连续观察根系生长状况两类。破坏性取样方式主要包括有挖掘法、盆栽法、水培法、根袋法、土柱法、根箱法、根钻法等，或采用多种以上方法结合取根。破坏性土壤取样对土壤扰动较大，导致土壤中所包含的植物根系凌乱无序，无法获取植物根部深度，位置信息，不适用于植物根系研究。非破坏性取样法主要有根系地下观察室和微根管法。这种植物根系研究方式只适用于室内培养或者容器内培养的植物研究，不适用于农田，林区等野外作业环境，工况环境局限性比较明显。因此，一套高效、快速的获取植物根系数量和位置信息的取样设备很有必要。
目前，原状土根系取样方法主要是通过锤击和旋转切割将空心的钻筒压入土内；然后通过一定的方法将原状土从钻筒取出。将原状土从空心钻筒中取出，主要有以下两种方法。方法一，利用类似活塞的装置从空心钻筒的一端压入，将土样从另一端压出。这种方法会挤压土壤，造成土壤的密度和结构发生变化；虽然土样中各种物质的相对位置保持不变，但土壤结构和密度都发生了变化。该方法获得的土壤样品测量水力参数精度较差。方法二，利用剖分结构的空心钻筒，在钻探结束后，直接将钻头剖分，将原状土样取出。这种方法可以获得有代表性的原状土样。由于要采用剖分结构的钻杆，钻杆结构复杂，成本较高；另一方面，组装和拆分钻杆也费时费力。
发明内容
本发明的目的是提供一种原状土植物根系取样方法及装置，旨在解决现有技术中无法便捷准确地获取包含植物根系数量和位置信息的原状土样的技术问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种原状土植物根系取样装置，包括汽油机1、壳体2、减速机构3、膨胀联轴器内芯4、推力球轴承5、第一楔形膨胀环6、第二楔形膨胀环7、紧固环8、钻筒单元10和钻筒导向支架11；
汽油机1与减速机构3均固定在壳体2上部；减速机构3的输入轴与汽油机1的输出轴连接，减速机构3的输出轴与膨胀联轴器内芯4连接；膨胀联轴器内芯4通过推力球轴承5支撑在壳体2内部；减速机构3能够实现输出轴正反转；
钻筒单元10包括带有锯齿状前端的钻头101、钻筒102和柔性承接袋103；其中，钻筒102为一空心圆筒，柔性承接袋103设置在钻筒102内部；钻头101通过螺纹与钻筒102的下端连接；钻筒102穿过钻筒导向支架11，使钻筒垂直向下；
第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7的内壁分别套在钻筒102上部，外壁与膨胀联轴器内芯4接触；其中，第二楔形膨胀环7位于第一楔形膨胀环6下方，其顶部与第一楔形膨胀环6贴紧；紧固环8位于第二楔形膨胀环7下方，其通过第一螺钉9固定在膨胀联轴器内芯4下端，同时沿钻筒轴向向上压紧第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7，使第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7沿垂直钻筒102的轴向膨胀，并把钻筒102与膨胀联轴器内芯4紧固连接为一体。
柔性承接袋103的上部和下部分别设有卡簧104，借助于上、下两个卡簧104，柔性承接袋103固定于钻筒102内壁的两个对应的环状“U”形槽内。
钻筒102侧壁上均匀布置有第二螺钉105，第二螺钉105在拧紧后刺透柔性承接袋103，阻止其随原状土柱转动。
钻筒导向支架11包括通过铰链连接的导向平台111和可调节长度的支腿112；通过调整支腿112长度，将导向平台111调到水平；当钻筒单元10由导向平台111穿过时，可保证钻筒单元10垂直向下。
一种利用所述的原状土植物根系取样装置进行原状土植物根系取样的方法，包括如下步骤：
1)组装钻筒单元10，并通过紧固环8、第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7连接到膨胀联轴器内芯4上；将钻筒导向支架11的导向平台111调整到水平；钻筒单元10由导向平台111导向并定位；
2)启动机器，开始钻探；锯齿状钻头101切割土壤及根系，随着钻头101深入土层，圆柱状的土样进入空心的钻筒单元10；
3)当钻探达到指定深度后，减速机构3的输出轴反转使得钻筒单元10退出土层；
4)将钻筒单元10从膨胀联轴器内芯4卸下，将钻筒单元10水平放置，将柔性承接袋103的两端封闭，并将柔性承接袋103及其内部的原状土根系样品由钻筒102内抽出；
5)将土壤及根系样品标记并封装，完成一个取样点的原状土根系取样。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种原状土植物根系取样方法及装置，通过一种新型的机械结构实现了原状土植物根系样品快速便捷的获取。通过膨胀联轴器，钻筒单元10可快速与传动装置拆装；另一方面，通过卡簧104和钻筒壁内的环形槽之间的配合关系，将柔性承接袋103固定在钻筒壁内，随着钻头深入土层，钻筒内的柱状土样自动进入柔性承接袋103内。当钻探结束后，即可将钻筒单元10卸下，钻头101从钻筒102上拆下。将包含有原装土壤的柔性承接袋两端扎紧，从一端将柔性承接袋103和原状土样从钻筒102内一起抽出，保证袋中的土样和根系不受到扰动。土样可以在不受扰动的情况下方便快捷地打包，贴标签标记。该方法具有方便快捷，工作效率高的优点。
附图说明
图1为本发明一种原状土植物根系取样装置的结构示意图；
图2为本发明一种原状土植物根系取样装置的钻筒单元10的细节图；
图3为本发明一种原状土植物根系取样装置的钻筒导向支架11的俯视结构示意图。
附图标记：
1、汽油机
2、壳体
3、减速机构
4、膨胀联轴器内芯
5、推力球轴承
6、第一楔形膨胀环
7、第二楔形膨胀环
8、紧固环
9、第一螺钉
10、钻筒单元
11、钻筒导向支架
101、钻头
102、钻筒
103、柔性承接袋
104、卡簧
105、第二螺钉
111、导向平台
112、支腿
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明的原状土植物根系取样装置包括汽油机1、壳体2、减速机构3、膨胀联轴器内芯4、推力球轴承5、第一楔形膨胀环6、第二楔形膨胀环7、紧固环8、钻筒单元10和钻筒导向支架11。
汽油机1与减速机构3均固定在壳体2上部。减速机构3的输入轴与汽油机1的输出轴连接，减速机构3的输出轴与膨胀联轴器内芯4连接。膨胀联轴器内芯4通过两对推力球轴承5支撑在壳体2内部。减速机构3能够实现输出轴正反转。
如图2所示，钻筒单元10包括带有锯齿状前端的钻头101、钻筒102和柔性承接袋103；其中，钻筒102为一空心圆筒，柔性承接袋103设置在钻筒102内部。柔性承接袋103的上部和下部分别设有卡簧104，借助于上、下两个卡簧104，柔性承接袋103固定于钻筒102内壁的两个对应的环状“U”形槽内。钻筒102侧壁上均匀布置有第二螺钉105，第二螺钉105在拧紧后刺透柔性承接袋103，阻止其随原状土柱转动。钻头101通过螺纹与钻筒102的下端连接。钻筒102穿过钻筒导向支架11，使钻筒垂直向下。
如图3所示，钻筒导向支架11包括通过铰链连接的导向平台111和可调节长度的支腿112。支腿112上设有锁紧装置，升高或降低时，先打开支腿112上的固定装置，然后再拉伸或缩短，就可以变化支腿112的长度。通过调整支腿112长度，将导向平台111调到水平。当钻筒单元10由导向平台111穿过时，可保证钻筒单元10垂直向下。
第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7的内壁分别套在钻筒102上部，外壁与膨胀联轴器内芯4接触。其中，第二楔形膨胀环7位于第一楔形膨胀环6下方，其顶部与第一楔形膨胀环6贴紧。紧固环8位于第二楔形膨胀环7下方，其通过第一螺钉9固定在膨胀联轴器内芯4下端，同时沿钻筒轴向向上压紧第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7，使第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7沿垂直钻筒102的轴向膨胀，并把钻筒102与膨胀联轴器内芯4紧固连接为一体。
动力由汽油机1的输出轴传递到减速器3的输入轴，然后由减速器3的输出轴传递到膨胀联轴器内芯4，最后传递到钻筒单元10。
打开汽油机1的开关，减速机构3的输出轴正转，锯齿状钻头101将破开土壤，随着钻头101深入土层下，圆柱状的土样进入钻筒单元10内。当钻头101到达指定深度时，减速机构3能够实现减速机构3的输出轴反转退出土层。
本发明的一种原状土植物根系取样方法，包括如下步骤：
1、组装钻筒单元10，并通过紧固环8、第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7连接到膨胀联轴器内芯4上。将钻筒导向支架11的导向平台111调整到水平。钻筒单元10由导向平台111导向并定位。
2、启动机器，开始钻探。锯齿状钻头101切割土壤及根系，随着钻头101深入土层，圆柱状的土样进入空心的钻筒单元10。
3、当钻探达到指定深度后，减速机构3的输出轴反转使得钻筒单元10退出土层。
4、将钻筒单元10从膨胀联轴器内芯4卸下。将钻筒单元10水平放置。拆除锯齿状钻头101和两端的卡簧104；将钻筒壁上的所有第二螺钉105拧松至螺钉尖部退至螺纹孔内。将柔性承接袋103的两端封闭，并将柔性承接袋103及其内部的原状土根系样品由钻筒102内抽出。
5、将土壤及根系样品标记并封装。完成一个取样点的原状土根系取样。
本发明的工作过程为：
将钻筒单元各部件取出，钻筒单元10包括钻筒102、锯齿状钻头101和柔性承接袋103。钻筒102内部上下两端各有一条环状“U”形槽。将钻筒102水平放置，柔性承接袋103平整地置入钻筒102内，然后将卡簧104卡入钻筒102的“U”形槽内，卡簧104通过扩张力与钻筒102内壁配合将柔性承接袋103卡入“U”形槽内。将钻筒壁上的所有第二螺钉105拧紧至螺钉尖部穿透柔性承接袋。从而实现柔性承接袋103在钻筒102内的定型和定位。将锯齿形钻头101和钻筒102拧紧，钻筒单元10组装完毕。
将钻筒单元10置入膨胀联轴器内芯4，将紧固环8并通过第一螺钉9固定在膨胀联轴器内芯4上，在拧紧第一螺钉9的过程中，紧固环8沿钻筒轴向向上压紧第一楔形膨胀环6和第二楔形膨胀环7，使其发生径向形变，沿垂直钻筒轴向膨胀，并把钻筒单元10与膨胀联轴器内芯4紧固连接为一体。联轴器外部通过一对推力球轴承5支撑于机架2上，用于联轴器的定位以及轴向推力的传递。
调整导向平台111保证工作过程中整体机构轴向与地面垂直，防止由于人为原因或机械振动而使得整体结构产生倾斜，导致取出的土样达不到规范和标准。钻筒导向支架11包括一个中心开孔的导向平台111和三根可调节长度的支腿112。工作过程中根据工况环境调整支腿112的长度，使得导向平台111保持水平，将钻筒单元10通过中心孔置入导向平台111，保证钻筒单元10轴向垂直地面。工作过程中根据预先设定的钻探深度，调整导向平台111可调节支腿112的整体高度，设置导向平台的高度。
钻筒单元10由导向平台111导向并定位。
启动机器，开始钻探。锯齿状钻头101将切割土壤及根系，随着钻头钻入土层下，圆柱状的土样将随之进入钻筒单元10的柔性承接袋103内，当钻探深度达到预定深度，减速机构3的输出轴反转退出土层。将钻筒单元10从土层中取出，松开第一螺钉9将主机与钻筒单元10分离，取下钻筒单元10。
将钻筒单元10水平放置，拆解钻筒单元10。先将锯齿状钻头101拆下，将两端的卡簧104取出；将钻筒壁上的所有第二螺钉105拧松至螺钉尖部退至螺纹孔内。将柔性承接袋103的两端封闭，并将柔性承接袋103及其内部的原状土根系样品由钻筒102内抽出。将土壤及根系样品标记并封装。完成一个取样点的原状土根系取样。
Claims (5)
1.一种原状土植物根系取样装置，包括钻筒导向支架(11)和钻筒单元(10)，其中，钻筒单元(10)包括带有锯齿状前端的钻头(101)、钻筒(102)和柔性承接袋(103)；其中，钻筒(102)为一空心圆筒，柔性承接袋(103)设置在钻筒(102)内部；钻头(101)通过螺纹与钻筒(102)的下端连接；钻筒(102)穿过钻筒导向支架(11)，使钻筒垂直向下；
其特征在于：
还包括汽油机(1)、壳体(2)、减速机构(3)、膨胀联轴器内芯(4)、推力球轴承(5)、第一楔形膨胀环(6)、第二楔形膨胀环(7)和紧固环(8)；
汽油机(1)与减速机构(3)均固定在壳体(2)上部；减速机构(3)的输入轴与汽油机(1)的输出轴连接，减速机构(3)的输出轴与膨胀联轴器内芯(4)连接；膨胀联轴器内芯(4)通过推力球轴承(5)支撑在壳体(2)内部；减速机构(3)能够实现输出轴正反转；
第一楔形膨胀环(6)和第二楔形膨胀环(7)的内壁分别套在钻筒(102)上部，外壁与膨胀联轴器内芯(4)接触；其中，第二楔形膨胀环(7)位于第一楔形膨胀环(6)下方，其顶部与第一楔形膨胀环(6)贴紧；紧固环(8)位于第二楔形膨胀环(7)下方，其通过第一螺钉(9)固定在膨胀联轴器内芯(4)下端，同时沿钻筒轴向向上压紧第一楔形膨胀环(6)和第二楔形膨胀环(7)，使第一楔形膨胀环(6)和第二楔形膨胀环(7)沿垂直钻筒(102)的轴向膨胀，并把钻筒(102)与膨胀联轴器内芯(4)紧固连接为一体。
2.如权利要求1所述的原状土植物根系取样装置，其特征在于：
柔性承接袋(103)的上部和下部分别设有卡簧(104)，借助于上、下两个卡簧(104)，柔性承接袋(103)固定于钻筒(102)内壁的两个对应的环状“U”形槽内。
3.如权利要求1所述的原状土植物根系取样装置，其特征在于：
钻筒(102)侧壁上均匀布置有第二螺钉(105)，第二螺钉(105)在拧紧后刺透柔性承接袋(103)，阻止其随原状土柱转动。
4.如权利要求1所述的原状土植物根系取样装置，其特征在于：
钻筒导向支架(11)包括通过铰链连接的导向平台(111)和可调节长度的支腿(112)；通过调整支腿(112)长度，将导向平台(111)调到水平；当钻筒单元(10)由导向平台(111)穿过时，可保证钻筒单元(10)垂直向下。
5.一种利用如权利要求1～4之一所述的原状土植物根系取样装置进行原状土植物根系取样的方法，包括如下步骤：
1)组装钻筒单元(10)，并通过紧固环(8)、第一楔形膨胀环(6)和第二楔形膨胀环(7)连接到膨胀联轴器内芯(4)上；将钻筒导向支架(11)的导向平台(111)调整到水平；钻筒单元(10)由导向平台(111)导向并定位；
2)启动机器，开始钻探；锯齿状钻头(101)切割土壤及根系，随着钻头(101)深入土层，圆柱状的土样进入空心的钻筒单元(10)；
3)当钻探达到指定深度后，减速机构(3)的输出轴反转使得钻筒单元(10)退出土层；
4)将钻筒单元(10)从膨胀联轴器内芯(4)卸下，将钻筒单元(10)水平放置，将柔性承接袋(103)的两端封闭，并将柔性承接袋(103)及其内部的原状土根系样品由钻筒(102)内抽出；
5)将土壤及根系样品标记并封装，完成一个取样点的原状土根系取样。
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