一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置

1.本实用新型属于土壤冻融循环模拟技术领域，涉及一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置。


背景技术：

2.冻融在全球中、高纬以及高海拔地区普遍存在。冻融作用指的是在低温环境下土壤表层及一定深度土层中随着季节变化或昼夜更替而不断出现解冻、冻结的过程，其可以大幅度地改变土壤的理化性质，影响微生物活性，继而影响到土壤碳、氮生物地球化学循环过程。冻融循环是中国北方季节性冻土地带常见的自然现象，多发生在早春或深秋时节。然而，由于目前技术的限制，国内大部分研究只针对冻融循环条件下水体中微生物污染问题进行分析，几乎很少有研究者做关于模拟冻融循环条件下，土壤性质以及土壤微生物存活的变化。这很大一部分原因在于目前还没有一套能够在室内模拟冻融循环条件下的完整的土柱实验装置。
3.中国东北地区土壤中的冻融循环情况更符合土壤中病原菌真实存在状态。因此了解冻融循环条件下微生物在不同土壤深度的垂直方向上存活行为的变化及影响机理，将有助于全面了解冻融循环条件下土壤微生物污染的持久性，对深入理解“土壤健康”、“土壤微生态安全”具有重要意义。目前的土柱实验装置，由于一般的土柱尺规格较小，大多设计直径为10厘米，高度在50厘米以下，底部开口以采集土壤样品，但这种土柱模拟土壤体积不够大，且未设计合理的土壤采样口。经过冻融循环后，从底部取样时不同深度土壤易混合，造成交叉污染，同时从土柱底部取样后，土柱中土壤体积明显减少。为了保证后期实验结果可靠性，需进行土壤回填，但底部取样导致后期土壤的回填十分困难，因此难以对不同深度土壤中的病原菌存活情况进行准确分析以了解病原菌在不同深度土壤中的污染风险。此外，目前土柱实验装置均未设置土柱保温层，影响后期实验结果准确性。


技术实现要素：

4.本实用新型为了克服现有技术存在的上述问题，提供了一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置。该实验装置在保证冻融循环条件的真实性和有效性基础上，将土壤检测技术与室内模拟土柱实验相结合，准确地获取冻融循环下土柱中不同深度土壤的性质与微生物存活的变化情况。
5.本实用新型是采用如下技术方案实现的：
6.一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，包括一个高低温交变试验箱，高低温交变试验箱中设置有一个带有顶部开口、底部封闭的中空的圆柱筒状的土柱实验装置，土柱实验装置具有保温材料填充形成的土柱保温层，土柱实验装置的内壁上从下至上间隔均匀地标记有四个环形的刻度线将土柱实验装置的内部空腔标记为间隔均匀的五个实验土样层，以便于从下至上依次向每个实验土样层中分层加入实验土样，五个从下至上间隔均匀设置的取样管从土柱实验装置外部穿过土柱保温层伸入土柱实验装置对应的实
验土样层中，还包括五个土柱温度参数监测器，五个土柱温度参数监测器用于显示数据的终端设备均设置在高低温交变试验箱的内部、土柱实验装置的外部，五个土柱温度参数监测器用于监测实验土样的温度和含水率的传感器探测头通过土柱实验装置的顶部开口依次伸入对应的实验土样层中的实验土样中。
7.进一步的技术方案包括：
8.高低温交变试验箱底部的四个角均设置有底座滑轮。
9.土柱实验装置由两个不同直径、不同高度的顶部开口、底部封闭的中空的 pvc管套在一起组成，两个pvc管的管壁之间形成的环形空隙和两个pvc管底部之间形成的空隙中均填充有保温材料形成土柱保温层。
10.土柱保温层中的保温材料为聚氨酯保温材料。
11.取样管与土柱保温层之间设置有密封圈以保证气密性。
12.取样管位于土柱保温层外部的开口处设置可以插入和拔出的橡胶活塞，用于打开和封闭取样管的开口。
13.高低温交变试验箱的温控范围为-40℃～120℃。
14.每个取样管距离该实验土样层的底部的高度为该实验土样层高度的二分之一。
15.与现有技术相比本实用新型的有益效果是：
16.1)本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，该实验装置能填补空白，在室内搭建一套冻融循环条件下的模拟土柱实验装置，能够在室内实现模拟冻融循环对土壤理化性质及微生物存活在垂直方向上变化的影响，对于研究东北地区季节性冻土地带典型土壤中致病菌微生物存活的规律提供了可能；
17.2)本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，将高低温交变试验箱与室内模拟土柱装置相结合，增加室内土柱实验系统的温度控制装置，来模拟东北地区冻融循环对土壤理化性质和微生物存活的影响；
18.3)本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，整体结构较为简单，成本显著降低，并且通过设置不同冻融时间和温度可以模拟不同冻融循环周期对土壤各项指标的影响作用，实用性较强；
19.4)本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，通过土柱保温层的设置，可以降低其他因素的影响，提升实验的准确性；
20.5)本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，实验土样分层填充，可方便模拟冻融循环条件下土壤的垂直方向上理化性质及微生物存活的变化情况；
21.6)本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，通过取样管对不同高度的实验土样多次取样测试，可以了解冻融循环过程中不同深度土壤的理化性质及微生物存活在一定时间内的变化情况，通过连续取样测试即可形成动态的变化过程，具有较高的参考价值。
附图说明
22.下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
23.图1为本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置的整体结
构示意图；
24.图2为本实用新型中装满实验土样的土柱实验装置的结构示意图；
25.图3为本实用新型中的土柱温度参数监测器结构示意图。
26.图中：1.高低温交变试验箱，2.土柱实验装置，3.土柱保温层，4.土柱温度参数监测器，5.取样管，6.实验土样，7.底座滑轮。
具体实施方式
27.下面结合附图对本实用新型作详细的描述：
28.本实用新型提供的一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，如图1、图2及图3所示，包括：高低温交变试验箱1、土柱实验装置2、土柱保温层3、土柱温度参数监测器4、取样管5及底座滑轮7。
29.高低温交变试验箱1为控温设备，高低温交变试验箱1的长度、宽度和高度分别为60cm、60cm、70cm，为整个实验装置的主体结构，为其他结构提供支撑和连接，且高低温交变试验箱1底部的四个角设有四个底座滑轮7以方便实验装置移动。所述高低温交变试验箱1控制其内部温度以模拟冻融循环下的土壤性质及微生物存活变化情况。
30.高低温交变试验箱1可采用市面上常见的控温设备。在上述基础上，考虑到高低温交变试验箱1作为支撑主体的需要，作为可选的一种实施方式，高低温交变试验箱1的主体采用不锈钢材质、保温材料采用超细玻璃棉，高低温交变试验箱1的温度控制范围为-40℃-120℃。高低温交变试验箱1底部厚度为 100mm，侧壁厚度为50mm。
31.高低温交变试验箱1内部设有土柱实验装置2。土柱实验装置2为两个不同直径、不同高度的顶部开口、底部封闭的中空的pvc管镶套在一起从而形成的顶部开口、底部封闭的空心圆柱体，本实施方式中，两个pvc管的直径分别为 110mm和160mm，其中内层pvc管的高度为60cm，外层pvc管的高度为 62.5cm，两个pvc管的管壁之间的间隙为25mm，两个pvc管底部之间的间隙为25mm，土柱实验装置2主要是作为承装实验土样6的容器使用。因此，土柱实验装置2为内径110mm、外径160mm、高度62.5cm、内部空腔高度60cm、壁厚为25mm的空心圆柱体，土柱实验装置2内部空腔用于设置实验土样6。土柱实验装置2尺寸规格较大，模拟土壤体积够大，更能够反应土壤的真实状况，后期取样也更具有代表性。
32.如附图2所示，实验土样6分层填充，将高为60cm的土柱实验装置2的内部空腔每间隔12cm标记为一个实验土样层，共设置五个实验土样层，以方便分析冻融循环条件下土壤的垂直方向上理化性质及微生物存活的变化情况。本实施方式中，采用在土柱实验装置2的内壁上从下至上每间隔12cm标记一个环形刻度线共标记四个环形刻度线的方式来标记这五个实验土样层，土柱实验装置2 侧面沿土柱实验装置2的内部空腔的高度从下至上间隔均匀地设有五个取样管 5，取样管5从土柱实验装置2外部穿过土柱保温层3伸入土柱实验装置2对应的实验土样层中，每个取样管5距离该实验土样层的底部的高度为该实验土样层高度的二分之一，本实施例中，每个取样管5距离该实验土样层的底部的高度为6cm，取样管5与土柱保温层3之间设置有密封圈以保证气密性，相邻的两个取样管5之间的间隔为12cm。
33.土柱保温层3为两个不同直径、高度不同的pvc管镶套后的空隙经填充聚氨酯保温材料形成，本实施方式中采用聚氨酯黑白料发泡剂制作而成，准备聚氨酯黑白料，按照黑白料的比例(1:1或者白料多一点)混合倒入黑白料，搅拌 2-5秒，至液体刚显白色停止，快速
倒入两个pvc管镶套后的空隙部位。黑白料混合液开始自动发泡3-5分钟后，以发泡温度降至常温为准，发泡结束，此步骤可多次操作以得到均匀的土柱保温层3，两个pvc管的管壁之间形成的环形空隙和两个pvc管底部之间形成的空隙均为25mm且充满聚氨酯保温材料，即所述土柱保温层3的厚度为25mm，保证土柱整体初始条件一致，排除冻融循环以外其他因素对本实验结果造成的影响。
34.五个土柱温度参数监测器4用于监控每个实验土样层中的实验土样6的温度和含水率。其中，土柱温度参数监测器4包括传感器探测头以及显示数据的终端设备。土柱温度参数监测器4的测温范围为-50℃～70℃，分辨率为0.1℃，准确度为
±
1℃。传感器探测头与终端设备采用有线连接，线长1.5m，为了便于设置土柱温度参数监测器4，我们设置五个土柱温度参数监测器4的传感器探测头通过土柱实验装置2的顶部依次埋于不同深度的实验土样层的实验土样6内部，五个土柱温度参数监测器4的显示数据的终端设备位于土柱实验装置2的外部、高低温交变试验箱1的内部。以便监测冻融循环过程中土柱内部不同层实验土样6的温湿度变化情况。
35.每根取样管5位于土柱保温层3外部的开口处，设置有一个可以插入和拔出的橡胶活塞，用于打开和封闭取样管5的开口，便于随时抽取土样测试，并且可以在不破坏冻融循环实验过程的情况下进行取样测试，具有很好的实用性。其中，取样管5为内径30mm长度40mm的钢管。
36.使用本实施例所述一种冻融循环条件下的室内模拟土柱实验装置，用来研究在冻融循环条件下的冻结和融化过程中，土柱中不同深度实验土样理化性质及大肠杆菌存活的变化情况，具体操作如下：
37.(1)经野外调查取样获取具有东北地区代表性的天然土样若干，将土样自然风干后，测定该土样的田间持水量(whc)；
38.(2)称取一定量的上述土壤按照1％的质量比例向土壤中添加大肠杆菌菌液，并使得所添加土壤水分达到50％-60％的whc，保证菌液与土壤混匀均匀，且防止土壤水分过多而影响土柱填充，经过上述设置得到实验土样6；
39.(3)将含菌液均匀的实验土样6分次(每次装入12cm高度的土样)装入上述土柱中，每装完一层土样后将土柱温度参数监测器4的传感器探测头通过土柱实验装置2顶部开口伸入并埋于该层实验土样6内部，并压实每层土壤。
40.(4)将装好实验土样6的土柱实验装置2和土柱温度参数监测器4放入高低温交变试验箱1中，通过调节高低温交变试验箱1设置一定的冻融循环周期 (如-15℃冻12h， 10℃融12h)，定时观察冻融循环温度值。每间隔24h自下而上分别经取样管5取出各层的实验土样6，分别测定各层实验土样6理化性质及大肠杆菌存活数量，实验过程中连续取样直至实验土样6中大肠杆菌数量低于土壤检出限(100cfu/gdw)；
41.(5)重复以上步骤，调节冻融循环温度，进行对比。