一種實驗室土壤溶質運移模擬方法

2023-09-21 06:38:50

專利名稱：一種實驗室土壤溶質運移模擬方法
技術領域：
本發明涉及一種實驗室土壤溶質運移模擬方法。
背景技術：
隨著土壤和水體汙染的日益嚴重，土壤溶質運移過程與轉化規律，特別是汙染物 的運移與轉化機理研究成為土壤學和環境科學的研究熱點與難點，與此相關的土壤溶質運 移技術推動了土壤物理學、環境科學和農業灌溉學的發展。傳統方法土柱下方設有自由滲漏的孔，土壤水飽和後，開始向下滲漏，下滲完全依 靠土壤水的重力勢。傳統方法進行溶質運移實驗，進度非常緩慢，實驗室內和野外差異大， 無法考慮蒸發量影響，試驗精度差。為了解決這種弊端，有研究者提出在土柱的中央垂直埋 設一個沙柱來實現溶質的快速下滲來控制實驗進度，但溶質完全靠重力勢向下遷移，且有 很大的不均一性，實驗結果不準確。傳統的土柱只能做土壤飽和水溶質運移試驗，靠自由水擺脫土壤的束縛開始遷 移，大部分溶質也依靠水分子攜帶運移。因此，傳統方法導致類似實驗結果不科學，且實驗 周期長，不利於實驗室模擬研究。傳統的土柱下方裝入一層砂子讓自由水下滲，當達到田持後，水分無法繼續下滲， 其上表面在室內無法達到較強的蒸發，導致土柱內的水分含量和土壤的張力維持在一個值 附近。研究證明，土壤溶質是隨水分子一起遷移的，在飽和含水的土柱裡，其溶質僅靠重力 緩慢遷移，這是和自然界不相符的。以上方法都是基於土壤飽和含水量的情況下進行的，實際野外大田的水勢往往都 是蒸發多於降雨，如不進行控制，實驗則不能真實反映自然界的運行規律。實驗的真實性及 準確性無法驗證。

發明內容
本發明目的在於，提供一種實驗室土壤溶質運移模擬方法，該方法所涉及裝置為 土柱固定環、溢流槽、萬向快插接頭、陶土板、透水濾膜、萬向調節腳、採樣瓶、抽氣管、分支 頭、緩衝瓶、可調負壓泵、數據採集控制器、信號電纜、樣品瓶、土壤溶液取樣器、透明PVC 土 柱和土壤三參數傳感器組成，該方法通過控制土柱內土壤水勢的變化，促使土壤溶質遷移， 從而實現土壤溶質遷移過程快速觀測，為土壤溶質運移模型建立提供了參數優化手段，縮 短了試驗周期，提高了試驗精度，研究結果更科學可靠，是進行土壤水的流動性、能量平衡、 土壤汙染物遷移等實驗研究的試驗校準工具。本發明所述的一種實驗室土壤溶質運移模擬方法，該方法通過控制土柱內土壤水 勢的變化，促使土壤溶質遷移，從而實現土壤溶質遷移過程快速觀測，所涉及裝置為土柱固 定環、溢流槽、萬向快插接頭、陶土板、透水濾膜、萬向調節腳、採樣瓶、抽氣管、分支頭、緩衝 瓶、可調負壓泵、數據採集控制器、信號電纜、樣品瓶、土壤溶液取樣器、透明PVC 土柱和土 壤三參數傳感器組成，具體操作按下列步驟進行
a、從野外大田目標地取土樣裝入到透明PVC 土柱(16)中，土柱(16)的底部為陶 土板(4)和滲透膜( 粘合成的底盤，將取土樣裝入到土柱(16)中，使土柱(16)中的土壤 與底盤上的滲透膜( 充分接觸，緊密結合在一起，土柱(16)中的土壤裝填好後，開始淋灑 注水，使土柱(16)內的土壤達到飽和含水；b、啟動可調負壓泵(11)，對底盤進行抽氣，當負壓克服陶土板⑷和滲透膜(5)的 氣孔張力後，土壤中的水和其他溶質流入到溢流槽O)，經過萬向快插接頭C3)和溢流管進 入到採樣瓶(7)中，土柱中的溶質從上而下開始遷移，以達到平衡；C、可調負壓泵(11)產生的負壓經過緩衝瓶(10)和分支頭(9)，分配到每個溶液取 樣瓶(14)，取樣瓶(14)內的負壓通過土壤溶液取樣器(1 對土柱(16)中土壤溶液抽取， 抽取到的溶液保留在採樣瓶(14)中；d、土柱(16)中插入的傳感器(17)的信號經信號電纜(13)連接到數據採集控制 器(12)，數據採集控制器(1 根據傳感器(17)的數據對可調負壓泵(11)的工作狀態進行 調節，實現分階段自動水勢控制和溶液抽取。步驟d中的傳感器(17)為土壤水分傳感器、電導率傳感器和基質勢傳感器。所述方法中涉及的裝置各部件的設置為土柱(16)鑲嵌在土柱固定環⑴中，在 土柱固定環⑴的底部設有溢流槽O)、萬向快插接頭⑶和萬向調節腳(6)，萬向快插接 頭C3)通過溢流管與採樣瓶(7)連接，採樣瓶(7)通過抽氣管(8)與分支頭(9)連接；土 柱(16)的底部為陶土板(4)和滲透膜( 粘合成的底盤，底盤下方有一個抽氣孔，在土柱 (16)的一側固定若干個均等排列的土壤溶液取樣器(15)，另一側固定若干個均等排列的 傳感器(17)，樣品瓶(14)分別通過溢流管與取樣器(15)和分支頭(9)連接連接，緩衝瓶
(10)分別與分支頭(9)和可調負壓泵(11)連接，數據採集控制器(1 一端與可調負壓泵
(11)連接，另一端通過信號電纜(13)與傳感器(17)連接。本發明所述的一種實驗室土壤溶質運移模擬方法，從野外大田目標地取土樣裝入 到土柱中，土柱的底部是一個陶土板和滲透膜粘合成的底盤，土柱中的土壤與底盤上的滲 透膜充分接觸，緊密結合在一起。土柱中的土壤裝填好後，開始淋灑注水，使土柱內的土壤 達到飽和含水，通過調節負壓泵，對底盤抽氣，當負壓克服陶土板和滲透膜的氣孔張力後， 土壤水分就會被抽出，通過調節負壓泵壓力，可實現底盤向外抽水能力的控制，土柱中的溶 質開始遷移，並達到平衡狀態，通過調控土柱內的土壤水勢值變化，實現非飽和條件下土壤 溶質運移的準確分析，達到試驗可控性和提高試驗的進度。土柱採用透明的PVC圓管制成， 它與土壤接觸有很大的磨擦係數，除了可以觀測內部土壤，還能有效地降低土壤中的水分 沿內壁向下流動。土柱管壁上開有傳感器插入孔和溶液取樣孔，孔外側有一個內螺紋的基座，插入 傳感器或溶液取樣器後，通過螺紋和密封圈鎖緊以防漏水。傳感器可以是土壤水分傳感器， 電導率傳感器，基質勢傳感器，傳感器輸出信號連接到數據採集控制器上，數據採集控制器 可以定時的讀取和記錄傳感器的數據；當垂直方向上的傳感器數據趨於一致或達到一致 時，數據採集控制器認為土壤水勢達到平衡，控制負壓泵，對每個溶液取樣器進行抽取，抽 取到的溶液流入到採樣瓶中。數據採集器可以按實驗要求，通過控制負壓泵，對土柱內的水 勢進行分階段控制。


圖1為本發明結構示意圖
具體實施例方式實施例以下結合附圖進一步描述。本發明所述的一種實驗室土壤溶質運移模擬方法，該方法所涉及的裝置為土柱固 定環、溢流槽、萬向快插接頭、陶土板、透水濾膜、萬向調節腳、採樣瓶、抽氣管、分支頭、緩衝 瓶、可調負壓泵、數據採集控制器、信號電纜、樣品瓶、土壤溶液取樣器、透明PVC 土柱和土 壤三參數傳感器組成，土柱16鑲嵌在土柱固定環1中，在土柱固定環1的底部設有溢流槽 2、萬向快插接頭3和萬向調節腳6，萬向快插接頭3通過溢流管與採樣瓶7連接，採樣瓶7 通過抽氣管8與分支頭9連接；土柱16的底部為陶土板4和滲透膜5粘合成的底盤，底盤 下方有一個抽氣孔，在土柱16的一側固定若干個均等排列的土壤溶液取樣器15，另一側固 定若干個均等排列的傳感器17，樣品瓶14分別通過溢流管與取樣器15和分支頭9連接連 接，緩衝瓶(10)分別與分支頭9和可調負壓泵11連接，數據採集控制器12—端與可調負 壓泵11連接，另一端通過信號電纜13與傳感器17連接。使用時，具體操作按下列步驟進 行從野外大田目標地取土樣裝入到透明PVC 土柱16中，土柱16的底部為陶土板4 和滲透膜5粘合成的底盤，將取土樣裝入到土柱16中，使土柱16中的土壤與底盤上的滲透 膜5充分接觸，緊密結合在一起，土柱16中的土壤裝填好後，開始淋灑注水，使土柱16內的 土壤達到飽和含水；啟動可調負壓泵11，對底盤進行抽氣，當負壓克服陶土板4和滲透膜5的氣孔張力 後，土壤中的水和其他溶質流入到溢流槽2，經過萬向快插接頭3和溢流管進入到採樣瓶7 中，土柱中的溶質從上而下開始遷移，以達到平衡；可調負壓泵11產生的負壓經過緩衝瓶10和分支頭9，分配到每個溶液取樣瓶14， 取樣瓶14內的負壓通過土壤溶液取樣器15對土柱16中土壤溶液抽取，抽取到的溶液保留 在採樣瓶14中；土柱16中插入的傳感器17為土壤水分傳感器、電導率傳感器和基質勢傳感器，傳 感器17的信號經信號電纜13連接到數據採集控制器12，數據採集控制器12根據傳感器 17的數據對可調負壓泵11的工作狀態進行調節，實現分階段自動水勢控制和溶液抽取。
權利要求
1.一種實驗室土壤溶質運移模擬方法，其特徵在於該方法通過控制土柱內土壤水勢 的變化，促使土壤溶質遷移，從而實現土壤溶質遷移過程快速觀測，所涉及裝置為土柱固定 環、溢流槽、萬向快插接頭、陶土板、透水濾膜、萬向調節腳、採樣瓶、抽氣管、分支頭、緩衝 瓶、可調負壓泵、數據採集控制器、信號電纜、樣品瓶、土壤溶液取樣器、透明PVC 土柱和土 壤三參數傳感器組成，具體操作按下列步驟進行a、從野外大田目標地取土樣裝入到透明PVC土柱(16)中，土柱(16)的底部為陶土板 (4)和滲透膜( 粘合成的底盤，將取土樣裝入到土柱(16)中，使土柱(16)中的土壤與底 盤上的滲透膜( 充分接觸，緊密結合在一起，土柱(16)中的土壤裝填好後，開始淋灑注 水，使土柱(16)內的土壤達到飽和含水；b、啟動可調負壓泵(11)，對底盤進行抽氣，當負壓克服陶土板(4)和滲透膜( 的氣孔 張力後，土壤中的水和其他溶質流入到溢流槽O)，經過萬向快插接頭⑶和溢流管進入到 採樣瓶(7)中，土柱中的溶質從上而下開始遷移，以達到平衡；c、可調負壓泵(11)產生的負壓經過緩衝瓶(10)和分支頭(9)，分配到每個溶液取樣 瓶(14)，取樣瓶(14)內的負壓通過土壤溶液取樣器(1 對土柱(16)中土壤溶液抽取，抽 取到的溶液保留在採樣瓶(14)中；d、土柱(16)中插入的傳感器(17)的信號經信號電纜(1 連接到數據採集控制器 (12)，數據採集控制器(1 根據傳感器(17)的數據對可調負壓泵(11)的工作狀態進行調 節，實現分階段自動水勢控制和溶液抽取。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟d中的傳感器(17)為土壤水分傳感 器、電導率傳感器和基質勢傳感器。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該方法中涉及的裝置各部件的設置為土 柱(16)鑲嵌在土柱固定環(1)中，在土柱固定環(1)的底部設有溢流槽O)、萬向快插接頭 (3)和萬向調節腳(6)，萬向快插接頭C3)通過溢流管與採樣瓶(7)連接，採樣瓶(7)通過抽 氣管⑶與分支頭(9)連接；土柱(16)的底部為陶土板⑷和滲透膜(5)粘合成的底盤， 底盤下方有一個抽氣孔，在土柱(16)的一側固定若干個均等排列的土壤溶液取樣器(15)， 另一側固定若干個均等排列的傳感器(17)，樣品瓶(14)分別通過溢流管與取樣器(15)和 分支頭(9)連接連接，緩衝瓶(10)分別與分支頭(9)和可調負壓泵(11)連接，數據採集控 制器(1 一端與可調負壓泵(11)連接，另一端通過信號電纜(1 與傳感器(17)連接。
全文摘要
本發明涉及一種實驗室土壤溶質運移模擬方法，該方法所涉及裝置為土柱固定環、溢流槽、萬向快插接頭、陶土板、透水濾膜、萬向調節腳、採樣瓶、抽氣管、分支頭、緩衝瓶、可調負壓泵、數據採集控制器、信號電纜、樣品瓶、土壤溶液取樣器、透明PVC土柱和土壤三參數傳感器組成，該方法通過控制土柱內土壤水勢的變化，促使土壤溶質遷移，從而實現土壤溶質遷移過程快速觀測，為土壤溶質運移模型建立提供了參數優化手段，縮短了試驗周期，提高了試驗精度，研究結果更科學可靠，是進行土壤水的流動性、能量平衡、土壤汙染物遷移等實驗研究的試驗校準工具。
文檔編號G01N33/24GK102062773SQ20101053330
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者張楠楠, 李新, 盛鈺, 趙成義 申請人:中國科學院新疆生態與地理研究所, 北京時域通科技有限公司