一種便攜式土壤水分原位采集器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種便攜式土壤水分原位采集裝置，適于不同生境中土壤環境監測、生態系統管理、土壤溫室氣體排放等研究中土壤水分的采集，尤其適用于環境條件惡劣的高寒草地，如凍原、高寒濕地、高寒草甸、高寒草原等研究區的土壤水分采集。本土壤水分采集裝置由管帽、柵網進水口、采集倉、地面護套、自制浮子水位計、抽水管、水閥、堵頭、氣閥和導氣管組成，該發明采用了獨特的多層次嵌套防堵塞柵網進水口結構與可降低壁效應的防水涂層，能夠進行土壤水分采集動態過程監測，通過水位的時間變化過程可以反映土壤水分的賦存狀況。該裝置設計合理、制作工藝簡單、成本低廉、易于操作、高效耐用，攜帶方便。
【專利說明】一種便攜式土壤水分原位采集器
所屬【技術領域】
[0001]本發明涉及一種土壤水分采集裝置，具體涉及一種便攜式土壤水分原位采集器，屬于土壤實驗與水樣采集測試【技術領域】，適于不同生境中土壤環境監測、生態系統管理等研究中土壤水分的采集。尤其適用于環境條件惡劣的高寒草地，如凍原、高寒濕地、高寒草甸、高寒草原等多種不同研究區的土壤水分采集。
【背景技術】
[0002]土壤水分是存在于土壤空隙或吸附在土壤顆粒上的水，分布在地表面以下至潛水面以上的土壤層中，是土壤重要的物質組分和土壤肥力的重要影響因子，是植物與土壤微生物生長發育的重要物質基礎和生態環境因子。土壤水分是地球環境中水循環這一自然傳送帶鏈條中的一個關鍵環節，是地球環境物質循環和能量傳遞的重要載體，也是自然界水資源的重要組成部分。土壤水分的組成、數量等狀況與土壤的理、化、生性質及其理、化、生過程密切相關。作為水循環的重要環節與地球化學循環的重要載體和媒介之一，土壤水分也是地球化學、地質礦產、植物營養與墑情等研究中的一項重要內容。土壤水分研究是土壤學、環境學、生態學、水文學、地質學、地理學、農學等學科研究中的一個重要方面，而土壤水分的采集則是土壤水分研究的基礎。
[0003]土壤水分在地面以下土壤間隙中，沒有河湖自然水體那么便捷。測量土壤水分含量的方法很多:傳統的方法有烘干稱重法、中子儀法、熱分散傳感法是通過測定土壤溫度的變化對熱脈沖的響應進而測得土壤水張力而得出土壤水含量；目前最常用的新方法有時域反射儀(TDR)法、張力計法、簡化電阻塊法、干濕計法、遠紅外遙感法、高頻電容傳感法、伽馬射線衰減法、濕度計法、電磁技術等。
[0004]很多時候僅知道土壤水分含量是遠遠不夠的，往往還需要了解土壤水分的物質組成，比如，土壤水分中的某些同位素可有效示蹤土壤水的來源、分布和運移等問題；通過監測土壤水分中某些可能與環境污染或者當地的地質環境有關的含量異常元素，可以有效地指導地方病防治；通過檢測土壤水分中的微生物含量可以了解土壤的營養狀況等。但目前因受到土壤水取樣方法的限制，土壤水分的地球化學研究進展緩慢。所以，便捷的土壤水取樣裝置和方法的顯得尤為重要和迫切(肖德安，王世杰.土壤水研究進展與方向評述[J].生態環境學報2009，18 (3):1182-1188)。近年關于土壤水分采集的專利有不多，如申請號為200520110649.5的專利)，但土壤水分采集過程中的濕潤地區泥沙堵塞與干旱地區土壤水分較少采集器壁粘的相對影響較大是土壤水分采集中大難題，既能防止泥沙淤塞又能降低采樣器壁粘的土壤水分采樣裝置鮮有報道。
【發明內容】
[0005]本發明針對土壤水分采集中常見的采集設備堵塞、壁粘、容易擾動天然的土壤環境、采樣不純等問題，提供一種高效省力低成本的土壤結構微損的便攜式土壤水分采集裝置。該裝置可用于土壤學、環境學、生態學、水文學、地理學等基礎學科的野外土壤氣體采集。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案:
[0007]材料:硬管、堵頭、管帽、不銹鋼網、防水乳膠、氣壓計、氣閥、導氣管、渦卷形彈簧、絲線。
[0008]組成:本土壤水分采集裝置豎向自下而上由管帽、柵網進水口、采集倉、地面護套、自制浮子水位計、抽水管、抽水管水閥、堵頭、氣閥和導氣管組成，其中柵網進水口由內向外為5層:采集倉內管管壁篩狀支護層、內層不銹鋼網支護層、細紗過濾夾層、外層不銹鋼網支護層和集氣室外管管壁篩狀支護層；地面護套處設計有自制浮子水位計、帶有水閥的抽水管；堵頭上配有導氣管以及氣閥，用于抽真空。本發明所述土壤空氣采集裝置的尺度、規格與層次結構的層數根據具體研究略有不同，取決于研究目的。
[0009]采集倉底端用管帽封閉，采集倉內、外管由耐高壓、適應高低溫度變化的惰性硬管(鋼質、陶瓷、硬塑料等，考慮輕便與成本因素，PP-R或PVC管為宜)制成，內管內壁和外管外壁涂一層防水乳膠，以有效降低壁效應，同時進水口的管壁鉆孔設計成外高內低傾斜狀，便于水分進入；進水口上、下緣到地面護套的高度，即代表采樣點的深度范圍；柵網進水口下緣到采樣器底部部分即儲水室，其具體高度根據采樣土壤部位的土壤水分含量高低可適當調節。
[0010]采集管另一端由堵頭密封，堵頭上固定一帶有氣閥的導氣管，在采集器地面部分設有地面護套、抽水管和自制水位計。附屬部件有真空泵、土鉆。
[0011]本發明的一個特點是獨特的多層次嵌套防堵塞柵網進水口結構與防水涂層降低壁效應的水分采集方式。柵網進水口的設計:采集管在進水口部分均勻設置進水孔，進水口的細紗過濾層主要用來過濾細粒雜質，防水透氣膜內外兩側的不銹鋼網支護層在抽真空時保護細紗過濾層和防止土壤中固體細粒物質進入進而堵塞進水口的作用。另外層次嵌套結構在工藝上較包裹結構更易于實現，更嚴密。
[0012]本發明的另一特點在于土壤水分采集動態過程監測。通過水位的時間變化過程可以反映土壤水分的賦存狀況。
[0013]本發明的優點與益處:
[0014]1.在有效過濾土壤水分采集中的固體雜質的同時既能防止泥沙淤塞又能采樣器降低采樣器壁粘，可以有效提高采樣效率、控制采樣誤差。
[0015]2.本發明多個產品的不同組合可以對區域土壤空氣進行不同的水平、剖面以及時間序列研究。
[0016]3.同時該發明所述裝置設計合理、結構簡潔、制作使用簡便、維護方便、成本低廉、高效耐用，攜帶輕便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和實施案例進一步說明本發明的細節和使用方法。
[0018]圖1是本發明的外觀示意圖。
[0019]圖2是本發明的縱向剖面圖。
[0020]圖3是本發明的進水口示意圖。
[0021]圖4是本發明的自制浮子水位計示意圖。[0022]圖中，1-管帽，2-柵網進水口，3-采集倉，4-地面護套，5-自制浮子水位計，6-抽水管，7-抽水管水閥，8-堵頭，9-氣閥，10-導氣管，其中采氣窗(2)由內向外為5層:2.1-集氣室內管管壁篩狀支護層，2.2-內層不銹鋼網支護層，2.3-防水透氣膜夾層，
2.4-外層不銹鋼網支護層，2.5-集氣室外管管壁篩狀支護層。
【具體實施方式】
[0023]透氣性檢驗:組裝好的采集倉柵網進水口以下垂直浸入水中，如果沒有水滲入，表明裝置儲水性能良好；然后用防水膠帶密封柵網進水口，采樣器整體浸入水中，使用氣筒通過導氣管向裝置中吹氣，看不到有氣泡冒出，則表明整體氣密性良好，取下防水膠帶準備布設采集器。
[0024]布設采集器:先用土鉆(口徑比采集器外徑略小)在采樣點鉆取深度與采樣器地面護套以下長度相當的小鉆孔(保證集氣室外壁與圍土密實接觸)，插入采樣器(若土壤含水量過高，如沼澤，濕地，可先灌入些許細沙以防止泥漿堵塞采氣窗)，用圍土夯實。
[0025]抽真空采集土壤水分:將手動真空泵接在導氣管上，打開氣閥，開始抽氣，由于采集倉內逐漸產生負壓，土壤水分與土壤空氣將自動進入集氣室，水位計顯示采集器內水位將逐漸上升，當水位計顯示土壤水分采集量達到最低采水量、實驗用量或者接近儲水器最大儲水量時可以開始土壤水分的抽取轉移。
[0026]土壤水分轉移:將室內已編號并抽過真空的集氣瓶或集氣袋接在導氣管上，打開水閥，用真空泵抽取儲水器中的土壤水分，以備帶回室內測試。
【權利要求】
1.便攜式土壤水分原位采集器，其組成特征包括管帽(I)、柵網進水口(2)、采集倉(3)、地面護套(4)、自制浮子水位計(5)、抽水管(6)、水閥(7)、堵頭(8)、氣閥(9)和導氣管(10)，其特征是采集倉(2) —端用管帽(I)封住，另一端用堵頭(8)封住。
2.根據權利要求1所述的便攜式土壤空氣原位采集器，其特征是獨特的多層次嵌套防堵塞柵網進水口結構:柵網進水口(2)由內向外為5層:采集倉內管管壁篩狀支護層(2.1)、內層不銹鋼網支護層(2.2)細紗過濾夾層(2.3)、外層不銹鋼網支護層(2.4)、采集倉外管管壁篩狀支護層(2.5);其中細紗過濾夾層(2.3)主要用來過濾細粒雜質，其內外兩側的不銹鋼網支護層(2.2)與(2.4)在抽真空時保護細紗過濾夾層(2.2)和防止土壤中固體細粒物質進入進而堵塞進水口的作用。
3.根據權利要求1所述的便攜式土壤空氣原位采集器，其特征是地面護套處設計有自制浮子水位計、帶有水閥的抽水管；堵頭上配有導氣管以及氣閥；堵頭(8)上安裝導氣管(10)，導氣管(10)上配有氣閥(9)以用于抽真空，地面護套(4)處安裝有自制浮子水位計(5)和配有水閥(7)的抽水管(6)。
4.根據權利要求1所述的便攜式土壤水分原位采集器，其特征是采集倉內管內壁和外管外壁涂一層防水乳膠，以有效降低壁效應，同時進水口的管壁鉆孔設計成外高內低傾斜狀，便于水分進入；柵網進水口上、下緣到地面護套的高度，即代表采樣點的深度范圍，柵網進水口下緣到采樣器底部部分即儲水室，其具體高度根據采樣土壤部位的土壤水分含量高低可適當調節。
5.根據權利要求1所述的便攜式土壤水分原位采集器，其特征是能夠進行土壤水分采集動態過程監測，通過水位的時間變化過程可以反映土壤水分的賦存狀況。
【文檔編號】G01N1/14GK103454119SQ201210297704
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年8月21日 優先權日:2012年8月21日
【發明者】孫建, 程根偉, 李衛朋, 楊云川, 魏彥強 申請人:中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所, 西華師范大學