CN111157703B - 一种钻探式深层土壤呼吸测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种钻探式深层土壤呼吸测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，包括测量架、钻探组件和测量组件；钻探组件包括钻探管、安装板和钻探电机，安装板与测量架连接，底部设有钻探齿牙，钻探管上套设有限位圈，钻探管通过限位圈与安装板卡接，钻探电机设在安装板上，钻探电机为钻探管提供动力；测量组件包括CO2检测仪、检测管和浮土抓取组件，检测管套设在钻探管内部，检测管与钻探管上端螺纹连接，CO2检测仪设置在安装板上，CO2检测仪的检测探头位于检测管内部靠下位置，浮土抓取组件活动设置在检测管上，浮土抓取组件用于抓取测量地表面浮土；本发明结构设计合理，操作便捷，土壤呼吸测量准确性高，适宜大量推广。

Description

一种钻探式深层土壤呼吸测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及土壤呼吸检测设备技术领域，具体涉及一种钻探式深层土壤呼吸测量装置及其测量方法。
背景技术
土壤呼吸是指土壤释放二氧化碳的过程，严格意义上讲是指未扰动土壤中产生CO2的所有代谢作用，包括三个生物学过程和一个非生物学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用，人们把测定土壤呼吸作用强度看作是衡量土壤微生物总的活性指标，或者作为评价土壤肥力的指标之一，因此对土壤碳库的库容及其动态变化进行研究，有助于探讨减少人为碳排放、增加土壤碳贮存、延长土壤碳的固定时间等问题。在数量上的微小改变可能对大气CO2含量的变化具有相当大的影响，对于当前碳循环和全球气候变化研究具有十分重要意义。
现有的土壤呼吸测量装置一般结构都比较复杂，不便于操作，而且现有的钻探式土壤呼吸测量装置在对土壤层进行钻探时，极易干扰原土壤层的天然排放量，导致测量结果出现误差；另一方面，现有的钻探式土壤呼吸测量装置使用完毕后，不能实现检测点土壤的恢复，导致原有土壤环境受到破坏。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了操作便捷、测量准确性高、土壤环境破坏小的钻探式深层土壤呼吸测量装置。
本发明的技术方案为：一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，包括测量架、钻探组件和测量组件；测量架底部设置有移动轮；钻探组件包括钻探管、安装板和钻探电机，安装板通过可调支撑杆与测量架上端面固定连接，钻探管为两端开口的空心管，钻探管外壁上设置有刻度标识，钻探管上端设置有连接齿圈，钻探管底部设置有钻探齿牙，钻探管上套设有限位圈，钻探管依次贯穿安装板和测量架，且通过限位圈与安装板可旋转卡接，钻探电机固定设置在安装板上，钻探电机的输出轴上设置有驱动齿轮，驱动齿轮与连接齿圈啮合连接；测量组件包括CO2检测仪、检测管和浮土抓取组件，检测管顶端封闭，下端开口，检测管活动套设在钻探管内部，且与钻探管密封连接，检测管的外壁与连接齿圈的内壁螺纹连接，CO2检测仪设置在安装板上，CO2检测仪的检测探头位于检测管内部靠下位置，检测探头与CO2检测仪电性连接，浮土抓取组件活动设置在检测管上，浮土抓取组件用于抓取测量地表面浮土；CO2检测仪和钻探电机均由外部电源供电。
进一步地，测量架底端设置有滑动板，滑动板上设置有滑动槽，滑动板设置有4个，4个滑动板两两相对设置，移动轮设置有4个，4个移动轮通过固定架两两设置，固定架两侧设置有滑动柱，固定架通过滑动柱与滑动槽活动卡接，测量架上螺纹连接有螺杆，螺杆底端与固定架可转动连接，螺杆顶端设置有转盘，通过设置4个移动轮，便于对装置进行搬运和移动，并且便于对装置的测量位置进行调整，通过旋转转盘调节螺杆高度，进而能够对测量架的高度进行调节，便于对测量地点进行准确定位。
进一步地，可调支撑杆包括支撑杆一和支撑杆二，支撑杆二为伸缩套管，支撑杆二设置有3个，支撑杆一设置有1个，1个支撑杆一和3个支撑杆二分布在安装板四角位置，支撑杆一包括螺纹调节杆和螺纹套筒，螺纹套筒与测量架固定连接，螺纹调节杆顶端设置有旋转齿轮，螺纹调节杆与螺纹套筒螺纹连接，且与安装板可转动卡接，螺纹调节杆通过旋转齿轮与驱动齿轮啮合连接，通过在螺纹调节杆顶端设置有旋转齿轮，当钻探电机运行时，能够带动螺纹调节杆向螺纹套筒内收缩，进而使得钻探管伸入土壤中，大大提高了装置的自动化性能，同时提高了装置的紧凑性。
进一步地，浮土抓取组件包括固定盘、抓取板、导向管和调节套，固定盘滑动设置在检测管内部，固定盘上设置有开槽，开槽内设置有滑动杆，抓取板为弧形板,抓取板通过滑块套设在滑动杆上，导向管与固定盘固定连接，且导向管顶端贯穿检测管，导向管内部下端设置有导向块，调节套可转动卡接在导向管顶端，调节套上螺纹连接有提升柱，提升柱与导向管的内壁卡接，且提升柱能够在导向管内部上下滑动，提升柱设置有牵引丝，牵引丝穿过导向块后与滑块，使用时，通过下压检测管，使浮土抓取组件与土样上层浮土接触，然后旋转调节套，使提升柱在调节套内上升，牵引丝拉动滑块在滑动杆上移动，使得各个抓取板相互靠近，对土样上层浮土进行抓取，便于检测探头对浮土下层土样进行呼吸测量，避免浮土中杂质污染物对检测结果造成影响，提高检测结果的准确性。
进一步地，抓取板设置有4个，开槽和滑动杆的数量与抓取板的数量对应一致，4个抓取板分别通过滑块套设在滑动杆上，滑动杆上套设有阻尼弹簧，阻尼弹簧一端与滑块抵接，另一端与固定盘抵接，通过设置4个抓取板，使得土样上层浮土的抓取更加稳定，避免土壤呼吸检测过程中浮土落下而造成检测结果出现误差。
进一步地，固定盘边沿处设置有橡胶密封圈，提高装置的气密性，为土壤呼吸检测工作创造有利环境条件。
进一步地，安装板上端通过螺栓连接有防护罩，检测管贯穿防护罩，钻探电机和CO2检测仪均位于防护罩内部，通过设置防护罩，一方面能够避免钻探电机对检测人员造成伤害，另一方面能够对CO2检测仪进行防护，避免CO2检测仪被外界环境损坏。
利用上述钻探式深层土壤呼吸测量装置进行土壤呼吸测量的方法，包括以下步骤：
S1、通过测量架以及测量架上设置的移动轮将装置移动至测量地点；钻探管和检测管均位于测量架最高处，通过旋转转盘调节螺杆高度，进而使钻探组件和测量组件随测量架一同下降，使钻探管的钻探齿牙正对测量基准点；
S2、通过外部电源带动钻探电机开始运行，钻探电机上的驱动齿轮同时啮合连接齿圈和旋转齿轮，连接齿圈转动过程中，钻探管底部的钻探齿牙开始对土壤进行钻探，同时旋转齿轮带动螺纹调节杆向螺纹套筒内收缩，安装板、钻探管和测量组件开始下降，根据钻探管上的刻度标识确定测量深度，钻探管内部区域的土样随着钻探管的下降进入钻探管内部；
S3、通过下压检测管，使浮土抓取组件与土样上层浮土接触，然后旋转调节套，使提升柱在调节套内上升，牵引丝拉动滑块在滑动杆上移动，使得各个抓取板相互靠近，对土样上层浮土进行抓取，然后提升检测管，通过外部电源带动CO2检测仪开始运行，CO2检测仪的检测探头对钻探管中剩余土样进行呼吸测量，并将测量结果反馈给CO2检测仪；
S4、测量完毕后，下压检测管，反向转动调节套，使各个抓取板相互远离，浮土下落至钻探管中下层剩余土样上，下层剩余土样连同浮土一起在重力作用下对采样口进行封堵，实现检测地土壤复原，最后移除装置即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构设计合理，操作简便，通过在测量架上设置移动轮和螺杆，便于对装置进行移动和调节，简化了土壤呼吸检测的前期准备工作；通过在钻探管底部设置钻探齿牙，减小了钻探管钻探过程中对原有土壤层天然排放量的干扰，提高测量结果的准确性；同时环状的钻探齿牙使得土壤检测口较小，从而减小了对土壤环境的破坏；通过设置浮土抓取组件，能够对对土样上层浮土进行抓取，便于检测探头对浮土下层土样进行呼吸测量，避免浮土中杂质污染物对检测结果造成影响，提高检测结果的准确性，同时检测完毕后，自然下落的浮土能够对原采样口进行封堵，有利于土壤环境的恢复。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的左视图；
图3是本发明的钻探管的结构示意图；
图4是本发明的钻探电机与钻探管的连接示意图；
图5是本发明的浮土抓取组件的结构示意图；
图6是本发明的抓取板与固定盘的连接示意图；
其中，1-测量架、10-移动轮、11-滑动板、110-滑动槽、12-固定架、120-滑动柱、13-螺杆、130-转盘、2-钻探组件、20-钻探管、200-连接齿圈、201-钻探齿牙、202-限位圈、21-安装板、22-钻探电机、220-驱动齿轮、23-可调支撑杆、230-支撑杆一、2300-螺纹调节杆、2301-螺纹套筒、2302-旋转齿轮、231-支撑杆二、24-防护罩、3-测量组件、30-CO2检测仪、300-检测探头、31-检测管、32-浮土抓取组件、320-固定盘、3200-开槽、3201-滑动杆、3202-阻尼弹簧、3203-橡胶密封圈、321-抓取板、3210-滑块、322-导向管、3220-导向块、323-调节套、3230-提升柱、3231-牵引丝。
具体实施方式
实施例：如图1、2、4所示的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，包括测量架1、钻探组件2和测量组件3；测量架1底部设置有移动轮10；测量架1底端设置有滑动板11，滑动板11上设置有滑动槽110，滑动板11设置有4个，4个滑动板11两两相对设置，移动轮10设置有4个，4个移动轮10通过固定架12两两设置，固定架12两侧设置有滑动柱120，固定架12通过滑动柱120与滑动槽110活动卡接，测量架1上螺纹连接有螺杆13，螺杆13底端与固定架12可转动连接，螺杆13顶端设置有转盘130，通过设置4个移动轮10，便于对装置进行搬运和移动，并且便于对装置的测量位置进行调整，通过旋转转盘130调节螺杆13高度，进而能够对测量架1的高度进行调节，便于对测量地点进行准确定位；
如图1、2、3、4所示，钻探组件2包括钻探管20、安装板21和钻探电机22，安装板21通过可调支撑杆23与测量架1上端面固定连接，可调支撑杆23包括支撑杆一230和支撑杆二231，支撑杆二231为伸缩套管，支撑杆二231设置有3个，支撑杆一230设置有1个，1个支撑杆一230和3个支撑杆二231分布在安装板21四角位置，支撑杆一230包括螺纹调节杆2300和螺纹套筒2301，螺纹套筒2301与测量架1固定连接，螺纹调节杆2300顶端设置有旋转齿轮2302，螺纹调节杆2300与螺纹套筒2301螺纹连接，且与安装板21可转动卡接，螺纹调节杆2300通过旋转齿轮2302与驱动齿轮220啮合连接，通过在螺纹调节杆2300顶端设置有旋转齿轮2302，当钻探电机22运行时，能够带动螺纹调节杆2300向螺纹套筒2301内收缩，进而使得钻探管20伸入土壤中，大大提高了装置的自动化性能，同时提高了装置的紧凑性；钻探管20为两端开口的空心管，钻探管20外壁上设置有刻度标识，钻探管20上端设置有连接齿圈200，钻探管20底部设置有钻探齿牙201，钻探管20上套设有限位圈202，钻探管20依次贯穿安装板21和测量架1，且通过限位圈202与安装板21可旋转卡接，钻探电机22固定设置在安装板21上，钻探电机22的输出轴上设置有驱动齿轮220，驱动齿轮220与连接齿圈200啮合连接；安装板21上端通过螺栓连接有防护罩24，检测管31贯穿防护罩24，钻探电机22和CO2检测仪30均位于防护罩24内部，通过设置防护罩24，一方面能够避免钻探电机22对检测人员造成伤害，另一方面能够对CO2检测仪30进行防护，避免CO2检测仪30被外界环境损坏；
如图1、5、6所示，测量组件3包括CO2检测仪30、检测管31和浮土抓取组件32，检测管31顶端封闭，下端开口，检测管31活动套设在钻探管20内部，且与钻探管20密封连接，检测管31的外壁与连接齿圈200的内壁螺纹连接，CO2检测仪30设置在安装板21上，CO2检测仪30的检测探头300位于检测管31内部靠下位置，检测探头300与CO2检测仪30电性连接，浮土抓取组件32包括固定盘320、抓取板321、导向管322和调节套323，固定盘320滑动设置在检测管31内部，固定盘320上设置有开槽3200，开槽3200内设置有滑动杆3201，抓取板321为弧形板,抓取板321设置有4个，开槽3200和滑动杆3201的数量与抓取板321的数量对应一致，4个抓取板321分别通过滑块3210套设在滑动杆3201上，滑动杆3201上套设有阻尼弹簧3202，阻尼弹簧3202一端与滑块3210抵接，另一端与固定盘320抵接，通过设置4个抓取板321，使得土样上层浮土的抓取更加稳定，避免土壤呼吸检测过程中浮土落下而造成检测结果出现误差，固定盘320边沿处设置有橡胶密封圈3203，提高装置的气密性，为土壤呼吸检测工作创造有利环境条件；导向管322与固定盘320固定连接，且导向管322顶端贯穿检测管31，导向管322内部下端设置有导向块3220，调节套323可转动卡接在导向管322顶端，调节套323上螺纹连接有提升柱3230，提升柱3230与导向管322的内壁卡接，且提升柱3230能够在导向管322内部上下滑动，提升柱3230设置有牵引丝3231，牵引丝3231穿过导向块3220后与滑块3210，使用时，通过下压检测管31，使浮土抓取组件32与土样上层浮土接触，然后旋转调节套323，使提升柱3230在调节套323内上升，牵引丝3231拉动滑块3210在滑动杆3201上移动，使得各个抓取板321相互靠近，对土样上层浮土进行抓取，便于检测探头300对浮土下层土样进行呼吸测量，避免浮土中杂质污染物对检测结果造成影响，提高检测结果的准确性；CO2检测仪30和钻探电机22均由外部电源供电，CO2检测仪30选用成都鹏雷科技有限公司生产的PN-1000-CO2型CO2检测仪，钻探电机22选用雨田电机有限公司生产的NMRV110型蜗轮蜗杆减速机。
利用上述钻探式深层土壤呼吸测量装置进行土壤呼吸测量的方法，包括以下步骤：
S1、通过测量架1以及测量架1上设置的移动轮10将装置移动至测量地点；钻探管20和检测管31均位于测量架1最高处，通过旋转转盘130调节螺杆13高度，进而使钻探组件2和测量组件3随测量架1一同下降，使钻探管20的钻探齿牙201正对测量基准点；
S2、通过外部电源带动钻探电机22开始运行，钻探电机22上的驱动齿轮220同时啮合连接齿圈200和旋转齿轮2302，连接齿圈200转动过程中，钻探管20底部的钻探齿牙201开始对土壤进行钻探，同时旋转齿轮2302带动螺纹调节杆2300向螺纹套筒2301内收缩，安装板21、钻探管20和测量组件3开始下降，根据钻探管20上的刻度标识确定测量深度，钻探管20内部区域的土样随着钻探管20的上升进入钻探管20内部；
S3、通过下压检测管31，使浮土抓取组件32与土样上层浮土接触，然后旋转调节套323，使提升柱3230在调节套323内上升，牵引丝3231拉动滑块3210在滑动杆3201上移动，使得各个抓取板321相互靠近，对土样上层浮土进行抓取，然后提升检测管31，通过外部电源带动CO2检测仪30开始运行，CO2检测仪30的检测探头300对钻探管20中剩余土样进行呼吸测量，并将测量结果反馈给CO2检测仪30；
S4、测量完毕后，下压检测管31，反向转动调节套323，使各个抓取板321相互远离，浮土下落至钻探管20中下层剩余土样上，下层剩余土样连同浮土一起在重力作用下对采样口进行封堵，实现检测地土壤复原，最后移除装置即可。

Claims (8)

1.一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，包括测量架(1)、钻探组件(2)和测量组件(3)；所述测量架(1)底部设置有移动轮(10)；所述钻探组件(2)包括钻探管(20)、安装板(21)和钻探电机(22)，所述安装板(21)通过可调支撑杆(23)与测量架(1)上端面固定连接，所述钻探管(20)为两端开口的空心管，钻探管(20)外壁上设置有刻度标识，钻探管(20)上端设置有连接齿圈(200)，钻探管(20)底部设置有钻探齿牙(201)，钻探管(20)上套设有限位圈(202)，钻探管(20)依次贯穿安装板(21)和测量架(1)，且通过所述限位圈(202)与安装板(21)可旋转卡接，所述钻探电机(22)固定设置在安装板(21)上，钻探电机(22)的输出轴上设置有驱动齿轮(220)，所述驱动齿轮(220)与连接齿圈(200)啮合连接；所述测量组件(3)包括CO2检测仪(30)、检测管(31)和浮土抓取组件(32)，所述检测管(31)顶端封闭，下端开口，检测管(31)活动套设在钻探管(20)内部，且与钻探管(20)密封连接，检测管(31)的外壁与连接齿圈(200)的内壁螺纹连接，所述CO2检测仪(30)设置在安装板(21)上，CO2检测仪(30)的检测探头(300)位于检测管(31)内部靠下位置，所述检测探头(300)与CO2检测仪(30)电性连接，所述浮土抓取组件(32)活动设置在检测管(31)上，浮土抓取组件(32)用于抓取测量地表面浮土。
2.根据权利要求1所述的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，所述测量架(1)底端设置有滑动板(11)，所述滑动板(11)上设置有滑动槽(110)，滑动板(11)设置有4个，4个滑动板(11)两两相对设置，所述移动轮(10)设置有4个，4个移动轮(10)通过固定架(12)两两设置，所述固定架(12)两侧设置有滑动柱(120)，固定架(12)通过所述滑动柱(120)与滑动槽(110)活动卡接，所述测量架(1)上螺纹连接有螺杆(13)，所述螺杆(13)底端与固定架(12)可转动连接，螺杆(13)顶端设置有转盘(130)。
3.根据权利要求2所述的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，所述可调支撑杆(23)包括支撑杆一(230)和支撑杆二(231)，所述支撑杆二(231)为伸缩套管，支撑杆二(231)设置有3个，所述支撑杆一(230)设置有1个，1个支撑杆一(230)和3个支撑杆二(231)分布在安装板(21)四角位置，支撑杆一(230)包括螺纹调节杆(2300)和螺纹套筒(2301)，所述螺纹套筒(2301)与测量架(1)固定连接，所述螺纹调节杆(2300)顶端设置有旋转齿轮(2302)，螺纹调节杆(2300)与螺纹套筒(2301)螺纹连接，且与安装板(21)可转动卡接，螺纹调节杆(2300)通过所述旋转齿轮(2302)与驱动齿轮(220)啮合连接。
4.根据权利要求3所述的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，所述浮土抓取组件(32)包括固定盘(320)、抓取板(321)、导向管(322)和调节套(323)，所述固定盘(320)滑动设置在检测管(31)内部，固定盘(320)上设置有开槽(3200)，所述开槽(3200)内设置有滑动杆(3201)，所述抓取板(321)为弧形板,抓取板(321)通过滑块(3210)套设在所述滑动杆(3201)上，所述导向管(322)与固定盘(320)固定连接，且导向管(322)顶端贯穿检测管(31)，导向管(322)内部下端设置有导向块(3220)，所述调节套(323)可转动卡接在导向管(322)顶端，调节套(323)上螺纹连接有提升柱(3230)，所述提升柱(3230)与导向管(322)的内壁卡接，且提升柱(3230)能够在导向管(322)内部上下滑动，提升柱(3230)设置有牵引丝(3231)，所述牵引丝(3231)穿过导向块(3220)后与滑块(3210)连接。
5.根据权利要求4所述的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，所述抓取板(321)设置有4个，所述开槽(3200)和滑动杆(3201)的数量与抓取板(321)的数量对应一致，4个抓取板(321)分别通过滑块(3210)套设在滑动杆(3201)上，所述滑动杆(3201)上套设有阻尼弹簧(3202)，所述阻尼弹簧(3202)一端与滑块(3210)抵接，另一端与固定盘(320)抵接。
6.根据权利要求4所述的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，所述固定盘(320)边沿处设置有橡胶密封圈(3203)。
7.根据权利要求6所述的一种钻探式深层土壤呼吸测量装置，其特征在于，所述安装板(21)上端通过螺栓连接有防护罩(24)，所述检测管(31)贯穿所述防护罩(24)，所述钻探电机(22)和CO2检测仪(30)均位于防护罩(24)内部。
8.利用权利要求4-7任意一项所述的钻探式深层土壤呼吸测量装置进行土壤呼吸测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过测量架(1)以及测量架(1)上设置的移动轮(10)将装置移动至测量地点；钻探管(20)和检测管(31)均位于测量架(1)最高处，通过旋转转盘(130)调节螺杆(13)高度，进而使钻探组件(2)和测量组件(3)随测量架(1)一同下降，使钻探管(20)的钻探齿牙(201)正对测量基准点；
S2、通过外部电源带动钻探电机(22)开始运行，钻探电机(22)上的驱动齿轮(220)同时啮合连接齿圈(200)和旋转齿轮(2302)，连接齿圈(200)转动过程中，钻探管(20)底部的钻探齿牙(201)开始对土壤进行钻探，同时旋转齿轮(2302)带动螺纹调节杆(2300)向螺纹套筒(2301)内收缩，安装板(21)、钻探管(20)和测量组件(3)开始下降，根据钻探管(20)上的刻度标识确定测量深度，钻探管(20)内部区域的土样随着钻探管(20)的下降进入钻探管(20)内部；
S3、通过下压检测管(31)，使浮土抓取组件(32)与所述土样上层浮土接触，然后旋转调节套(323)，使提升柱(3230)在调节套(323)内上升，牵引丝(3231)拉动滑块(3210)在滑动杆(3201)上移动，使得各个抓取板(321)相互靠近，对土样上层浮土进行抓取，然后提升检测管(31)，通过外部电源带动CO2检测仪(30)开始运行，CO2检测仪(30)的检测探头(300)对钻探管(20)中剩余土样进行呼吸测量，并将测量结果反馈给CO2检测仪(30)；
S4、测量完毕后，下压检测管(31)，反向转动调节套(323)，使各个抓取板(321)相互远离，浮土下落至钻探管(20)中下层剩余土样上，下层剩余土样连同浮土一起在重力作用下对采样口进行封堵，实现检测地土壤复原，最后移除装置即可。
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