凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統的制作方法

本發明涉及冰凍圈科學研究技術領域，具體而言，涉及一種凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統。

背景技術：

土壤凍融過程(或稱凍融循環)，是由于晝夜或季節熱量變化在表土及以下一定深度形成反復凍結—融化的土壤過程，該現象在中、高緯度或高海拔地區非常普遍。據研究，北半球近57％的陸地面積經歷土壤凍融過程。眾多已研究表明，凍融交替作用對土壤環境有著強烈影響，主要是通過改變土壤水熱特性而對土壤物理特征、化學性質、微生物群落組成結構和活性及溫室氣體產生排放等產生效應。因此，凍融過程對土壤環境的影響過程復雜、深遠而且強烈，目前正在成為一項新的國際性前沿課題和熱點領域，其重視度在與日俱增。

青藏高原是土壤凍融過程頻發區，土壤凍融頻度和強度大，進而造成的土壤侵蝕、鹽漬化、荒漠化及植被衰退等現象也非常嚴重，已對高原生態的可持續發展構成了巨大的環境壓力。然而，由于惡劣的自然條件，開展土壤凍融過程的野外原位控制試驗難度大、成本高等。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統，其能夠方便快捷模擬研究凍融過程中的土壤環境(水熱鹽、微生物群落結構組成與功能、碳氮儲量和溫室氣體產生排放等)變化過程與內在機理。

本發明的實施例是這樣實現的：

本發明的實施例提供了一種凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統，包括人工氣候箱、第一測試柜、第二測試柜、土柱、同所述土柱密封配合的溫室氣體傳輸采集通道、土壤溫濕鹽傳感器和數據采集器。所述人工氣候箱的內部具有空腔，所述第一測試柜和所述第二測試柜均布置于所述空腔，所述人工氣候箱用于控制所述第一測試柜和所述第二測試柜內的溫度第一時間高于預設值或者第二時間低于預設值，所述土柱的數量為多個且均設置于所述第一測試柜內，所述第二測試柜用于容納需要土壤理化和微生物特征分析的土壤樣品，所述土壤溫濕鹽傳感器的數量為多個且每個所述土壤溫濕鹽傳感器均與一個所述土柱連接且所述土壤溫濕鹽傳感器的監測數據由所述數據采集器采集存儲，所述溫室氣體傳輸采集通道包含co2濃度傳感器，所述co2濃度傳感器的數量為多個且每個所述co2濃度傳感器均與一個所述土柱配合，檢測所述溫室氣體傳輸采集通道中的co2濃度且其監測數據由所述數據采集器采集存儲，所述溫室氣體傳輸采集通道能夠將溫室氣體輸送至所述人工氣候箱外部。

另外，根據本發明的實施例提供的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統，還可以具有如下附加的技術特征：

在本發明的可選實施例中，所述第一測試柜和所述第二測試柜溫度的預設值為0.0℃。

在本發明的可選實施例中，所述人工氣候箱包括顯示屏和調節按鈕，每個所述顯示屏均具有與之對應的所述調節按鈕。

在本發明的可選實施例中，所述顯示屏包括用于顯示周期/時段的第一顯示屏，用于顯示時間的第二顯示屏，用于顯示溫度的第三顯示屏和用于顯示濕度的第四顯示屏，各項顯示變量可通過調節按鈕來控制。

在本發明的可選實施例中，所述凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統還包括集氣瓶，所述集氣瓶通過第一管道與所述土柱連通，所述co2濃度傳感器設置于所述集氣瓶且能夠檢測所述集氣瓶內的co2濃度，所述集氣瓶還通過用于采集氣體的第二管道與外部環境連通。為了量化研究的準確性，溫室氣體傳輸采集通道需保證完全密封，以避免溫室氣體泄漏和污染。

在本發明的可選實施例中，所述集氣瓶與外部環境的連通狀態通過設置于所述人工氣候箱外的三通閥控制。

在本發明的可選實施例中，所述凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統還包括與所述數據采集器連接的無線傳輸器，以將測量數據發送至外部接收設備。

在本發明的可選實施例中，所述凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統還包括能夠給數據采集器供電的供電系統。

在本發明的可選實施例中，所述第一測試柜和所述第二測試柜之間采用鐵絲網隔離。

本發明的有益效果是：

凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統，使用人工氣候箱來調控第一測試柜和第二測試柜的溫度，通過分時段地控制溫度保持0.0℃以下或者以上來模擬土壤的凍融過程，并對處于不同溫度階段的土壤樣品進行各類數據相關的采集測定，如在溫室氣體傳輸采集通道內實時監測co2濃度，定期采集通道內的氣體進行co2、ch4和n2o等的量化研究以及定期提取第二測試柜中的土壤樣品進行土壤理化和微生物特征等分析。使得對于土壤凍融過程的研究更為可行，既縮短了研究時間，降低研究成本，又能取得切實的研究數據，具有很好的使用價值。并且通過在合適的場所構建這樣的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統，可以讓研究的難度得以降低，為土壤凍融的研究提供更好的數據采集基礎。實現方便快捷地進行土壤凍融過程中的土壤水熱鹽條件、微生物群落結構組成與功能和碳/氮儲量的變化，以及溫室氣體(co2、ch4和n2o等)產生排放量的模擬研究，可為凍融對土壤環境影響方面的研究提供科學技術支撐并彌補原位觀測研究的不足。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明的實施例1提供的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統的第一個視角下的示意圖；

圖2為圖1所示的a處的局部放大圖；

圖3為圖1所示的co2濃度傳感器等部件的示意圖；

圖4為圖1所示的數據采集器等部件的示意圖；

圖5為圖1所示的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統的第二個視角下的示意圖；

圖6為圖5所示的b處的局部放大圖；

圖7為圖1所示的c處的局部放大圖；

圖8為本發明的實施例1提供的第一測試柜的結構示意圖；

圖9為圖8所示的第一測試柜的透視圖；

圖10為本發明的實施例1提供的第二測試柜的結構示意圖；

圖11為圖1所示的d處的局部放大圖；

圖12為圖1所示的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統的第三個視角下的示意圖；

圖13為圖2所示的土壤溫濕鹽傳感器的結構示意圖；

圖14為圖2所示的集氣瓶的示意圖；

圖15為圖1所示的e處的局部放大圖。

圖標：100-凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統；10-人工氣候箱；112-第一顯示屏；114-第二顯示屏；116-第三顯示屏；118-第四顯示屏；13-調節按鈕；15-化霜定時器；16-電源開關；17-化霜開關；18-保險絲座；20-第一測試柜；21-箱體；212-立柱條；23-箱門；25-機柜鎖；27-外接孔；30-第二測試柜；31-鋁制容器；35-抽氣針頭；40-土柱；50-土壤溫濕鹽傳感器；51-探針；52-傳輸線路；60-co2濃度傳感器；70-數據采集器；80-集氣瓶；81-橡膠塞；812-孔洞；83-第一管道；84-第二管道；90-無線傳輸器；95-供電系統；101-鐵絲網；102-排水孔；103-三通閥；104-加濕器；1041-加濕器插座。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例1

請參照圖1至圖4，本實施例提供了一種凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100，這是一種研究因凍融而導致的土壤的土壤理化、微生物及溫室氣體變化的室內模擬系統。

包括人工氣候箱10、第一測試柜20、第二測試柜30、土柱40、同土柱40密封配合的溫室氣體傳輸采集通道(含co2濃度傳感器60)、土壤溫濕鹽傳感器50(圖13示出)和數據采集器70。

具體的，人工氣候箱10的內部具有空腔，第一測試柜20和第二測試柜30均設置于空腔，第一測試柜20和第二測試柜30之間采用鐵絲網101隔離。詳細的，第一測試柜20和第二測試柜30均為冷軋板制作而成，在它們的側壁開設有通孔。鐵絲網101的網孔可以讓人工氣候箱10內進行的調節同時傳遞到第一測試柜20和第二測試柜30。

需要說明的是，圖1中的第一測試柜20和第二測試柜30均具有門扇，為了顯示人工氣候箱10內結構而在圖1中隱去，而在圖8和圖10中分別有顯示。需要說明的是，在圖1中有顯示的土壤溫濕鹽傳感器50的傳輸線路52，為了不使整個圖顯得雜亂，有助于辨識，在后續涉及到該線路的附圖中隱去。

請參照圖5和圖6，人工氣候箱10具有顯示屏和調節按鈕13，每個顯示屏均有對應的位于下方的調節按鈕13。

具體的，第一顯示屏112用于顯示周期/時段；第二顯示屏114用于顯示時間，調節其下方的調節按鈕13即可；第三顯示屏116用于顯示箱內溫度，并且可以根據具體實驗需求來選擇升溫或者降溫；第四顯示屏118用于顯示濕度，同樣可以根據實驗需求來選擇加濕。這一系列調節，均是通過相應的調節按鈕13來實現，比如溫度、時間、濕度等，或者是切換調節項目。

更為詳盡的，人工氣候箱10的容積為450l，控溫范圍為-10～50℃，控濕范圍為50～95％rh，溫度波動度為±0.1℃，濕度波動度為±7％rh，所使用的壓縮機功率為350w，加熱功率為300w，電源為220v，50hz。

人工氣候箱10還有化霜定時器15，當培養長時間(大于8小時)使用0.0℃以下實驗時，則打開化霜定時器15電源開關16；當使用0.0℃以上實驗時，則關閉化霜定時器15電源開關16。化霜定時器15設置t1為4小時，t2為15分鐘，即每隔4小時化霜15分鐘。

請結合圖7，人工氣候箱10的電源開關16以及化霜定時器15的化霜開關17均設置于人工氣候箱10的側面，化霜開關17旁還設置有保險絲座18。上述加濕時所使用的加濕器104設置于人工氣候箱10的一側并且由人工氣候箱10供電，加濕器插座1041與上述化霜開關17等位于人工氣候箱10的同一側。

此外，請結合圖8至圖10，第一測試柜20包括箱體21和箱門23，箱門23鉸接于箱體21，箱門23通過機柜鎖25實現相對于箱體21的開閉。箱體21的側壁上還設置有用于給線纜、管道等物件通過的外接孔27，外接孔27的半徑可以為22.5mm。箱體21的內部有四根立柱條212，并且配有一個不銹鋼網架。不銹鋼網架將箱體21內部的空間劃分成兩部分，不銹鋼網架可以用于放置物品，使得箱體21內的空間運用得更充分。第二測試柜30同樣包括箱體21和鉸接于箱體21的箱門23，箱門23通過機柜鎖25實現相對于箱體21的開閉。

人工氣候箱10用于控制第一測試柜20和第二測試柜30的溫度第一時間高于預設值或者第二時間低于預設值，考慮到研究的是土壤的凍融過程所產生的影響，第一測試柜20和第二測試柜30的溫度的預設值為0.0℃。

第一測試柜20放置于人工氣候箱10的上層，第二測試柜30放置于人工氣候箱10的下層，采用pvc材料制作的土柱40的數量為多個且均設置于第一測試柜20內，第二測試柜30用于容納可定期取樣分析的土壤樣品。

詳細的，請結合圖11。第二測試柜30內放置三個鋁制容器31，該鋁制容器31即用于存儲土壤樣品。可在不同溫度條件下定期進行樣品采集并進行土壤理化和微生物特征等分析，鋁制容器31安裝有抽氣針頭35。需要說明的是，pvc材質制成的土柱40為圓柱體，土柱40和鋁制容器31均屬于土壤存儲器。

請結合圖12，第二測試柜30的底部具有排水孔102，人工氣候箱10的底部對應第二測試柜30的排水孔102的位置也開設有一個排水孔102，這是為了使加濕器104加濕后產生的液滴能夠匯集并從人工氣候箱10排放出去。

請結合圖13，土壤溫濕鹽傳感器50具有四個探針51，土壤溫濕鹽傳感器50的數量為多個且每個土壤溫濕鹽傳感器50均與一個土柱40通過探針51連接且其監測數據由數據采集器70采集存儲，co2濃度傳感器60的數量為多個且每個co2濃度傳感器60均與一個土柱40配合且其監測數據由數據采集器70采集存儲。

本實施例的土柱40為四個，因此相對應的土壤溫濕鹽傳感器50和co2濃度傳感器60的數量也各有四個。四個co2濃度傳感器60檢測co2濃度后的監測數據均由數據采集器70采集存儲。

詳細的，請結合圖14。凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100還包括用橡膠塞81封閉的集氣瓶80，橡膠塞81上有用于設置管道和器件的孔洞812。集氣瓶80通過第一管道83與土柱40連通，co2濃度傳感器60的探頭設置于集氣瓶80且能夠檢測集氣瓶80內的co2濃度，集氣瓶80還能夠通過采集氣體的第二管道84與外部環境連通。co2濃度傳感器60、第一管道83、第二管道84和集氣瓶80共同構成溫室氣體傳輸采集通道，由于土柱40有四個，因此，溫室氣體傳輸采集通道也有四套。

請結合圖15，集氣瓶80與外部環境的連通狀態通過設置于人工氣候箱10外的三通閥103控制。通過控制三通閥103的開閉，實驗人員能夠定期采集氣體以便于送至實驗室進行co2、ch4、n2o等溫室氣體的實驗分析。

人工氣候箱10的側壁開設有通道，土壤溫濕鹽傳感器50的傳輸線路52、co2濃度傳感器60的數據線路，還有集氣瓶80與外部環境連通的管路均可以穿過該通道，在上述線路和管道布設好之后，可以通過密封膠將通道密封，以保障人工氣候箱10的正常的溫濕度調控。同時，第一測試柜20中的pvc制成的圓柱形土柱40、土壤溫濕鹽傳感器50和溫室氣體傳輸采集通道整體為一密封的體系，以確保實驗的準確性。

請再結合圖3和圖4，凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100還包括與數據采集器70連接無線傳輸器90，以將測量數據發送至外部接收設備。

為了保障數據采集器70和無線傳輸器90的正常工作，凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100還設置有供電系統95。當遭遇停電時，供電系統95能夠提供緊急供電，可防止數據丟失。

本實施例的原理是：

對于土壤凍融的研究，由于其所處的惡劣的自然環境，使得開展土壤凍融過程的研究難度很大，并且研究成本高。因此，為了更好地研究土壤凍融的過程以及凍融過程中的溫室氣體濃度、濕度、水熱、微生物群落結構組成與功能等等，設計出本發明的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100。

將第一測試柜20和第二測試柜30都放置于人工氣候箱10中，這樣土柱40和第二測試柜30中的土壤樣品能夠同等程度地被提升或者降低溫度。人工氣候箱10根據研究所需，可以設置不同的溫度階段，例如，可以設為一天24小時幾個小時低于0.0℃，其他時間高于0.0℃，以代表日凍融；或者，可在一段時間設為低于0.0℃，另一段時間高于0.0℃，以代表季節凍融。

研究一個溫度階段的土柱40中的土壤樣品時，可以取用達到同樣溫度狀態的第二測試柜30中的土壤樣品，進行土壤理化和微生物特征等分析，完成后又能進行下一個溫度階段的研究。

由于是同處于一個人工氣候箱10，所以土柱40中的土壤和第二測試柜30中的土壤是同步變化的，這樣在不同的溫度階段，對于不同的微生物群落結構組成與功能、碳氮儲量等的分析便能夠順利開展，保證數據的一致性。

每個溫度階段中，co2的濃度變化是溫室氣體觀測的主要參數，因此，首先用co2濃度傳感器60來對每個土柱40進行co2的檢測，監測的數據直接由數據采集器70采集存儲，同時，土壤溫濕鹽傳感器50在每個溫度階段對于土柱40內部的土壤的監測數據也由數據采集器70采集存儲，以獲得最為直觀的土壤凍融過程的研究數據。

除了co2以外，還有其他溫室氣體也是需要量化研究的。集氣瓶80除了貯存土柱40排出的氣體以外，還有第二管道84連接到人工氣候箱10的外部，通過控制三通閥103，可以在不同的溫度階段定期采集集氣瓶80中的氣體，并將采集的氣體拿去做檢測研究，豐富研究數據，也提升本凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100得出的研究數據的可靠性。

在數據采集器70完成數據的采集后，還可以通過無線傳輸器90來將數據發送給外部接收設備，使得數據的采集和傳輸變得更加方便。

通過組建本實施例的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100，研究人員能夠在室內或者其他一些便于開展研究的場所進行土壤凍融過程的分析研究，以便于探索出土壤凍融帶來的更深層次的影響。凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100能夠縮短土壤樣品的凍融演化時間，在短期內獲得研究所需的數據，并且降低研究的成本。

本發明的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100，使用人工氣候箱10來調控第一測試柜20和第二測試柜30的溫度，通過分時段地控制溫度保持0.0℃以下或者以上來模擬土壤的凍融過程，并對處于不同溫度階段的土壤樣品進行各類數據相關的采集測定，使得對于土壤凍融的研究更為方便可行，既縮短了研究時間，降低研究成本，又能取得切實的研究數據，具有很好的使用價值。并且通過在合適的場所構建這樣的凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100，可以讓研究的難度得到降低，為土壤凍融的研究提供更好的數據采集基礎。

綜上所述，凍融過程對土壤環境影響的室內模擬系統100可方便快捷地進行土壤凍融過程中土壤水熱鹽條件、微生物群落結構組成與功能和碳/氮儲量的變化，以及溫室氣體(co2、ch4和n2o等)產生排放量的模擬研究，可為凍融對土壤環境影響方面的研究提供科學技術支撐并彌補原位控制試驗研究的不足。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。