一種土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖溶研究領(lǐng)域，具體涉及一種土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，以往對不同深度土壤的二氧化碳濃度梯度的研究，由于技術(shù)手段的限制，埋放在土壤中的探頭I極易受到土壤水分的影響而報廢，導(dǎo)致監(jiān)測中斷(由于雨季時連續(xù)降雨14后，土壤含水率升高，甚至達(dá)到飽和，使得探頭I直接浸泡在水中，導(dǎo)致探頭內(nèi)部短路)。而且，在安裝探頭I時采用直接開挖的方式:即先在需要安裝探頭I的地方，刨除地表的植物和枯枝落葉，再用鐵鍬、鏟、鎬等工具將土壤移除，挖到所需的深度，然后再在坑的側(cè)面不同深度處開槽安裝探頭1，最后將土壤進(jìn)行回填。上述研究方式存在如下的缺陷:
(I)對土壤的擾動太大，即使嚴(yán)格按原狀土 2進(jìn)行回填，也將導(dǎo)致新回填的部分土壤成分、孔隙度與原狀土差異很大，特別是有地表徑流3產(chǎn)生時，地表徑流3將優(yōu)先從原狀土 2和回填土 4的界面5流入土壤層中，類似于管道流，而不是均勻入滲，使得監(jiān)測結(jié)果的代表性大打折扣。國際上同行的研究結(jié)果表明，由于對土壤的擾動，這種方式安裝的探頭，一般要等半年后，或經(jīng)過六場以上的降雨后，等土壤自然密實到接近原先的狀態(tài)，監(jiān)測結(jié)果才具有代表性；(2)只適用于對干旱半干旱地區(qū)的土壤進(jìn)行監(jiān)測，如在熱帶、亞熱帶降雨較多地區(qū)使用的話，只適用在雨季末期和枯季進(jìn)行監(jiān)測，此時土壤含水率較低，未達(dá)到飽和，對探頭的損害較小，而在雨季連續(xù)降雨時，由于土壤含水率急劇上升，達(dá)到80% -100%，容易使探頭長時間浸泡在土壤水中而導(dǎo)致?lián)p壞。
[0003]還有另外一種野外現(xiàn)場測定土壤剖面二氧化碳濃度的方式，如圖2所示，先用一截軟管將去掉終端后的檢測管7與手動真空栗8連接起來，檢測管7的另一端連接長約50cm的軟管6，然后撥開地表的枯枝落葉，用鐵錘9將直徑約1.5cm的鋼釬10砸入土壤中特定深度，一般為20cm或50cm，接著將已錘到指定深度的鋼釬10拔出，迅速將已連接好的軟管6插入到孔中，并將孔口用土封閉，最后用手動真空栗8形成真空，抽取孔中的氣體通過檢測管7，通過二氧化碳?xì)怏w與檢測管7中的試劑反應(yīng)變色的程度，人工判讀最后的數(shù)據(jù)。這種方法的缺陷主要有:(I)在錘擊鉆進(jìn)過程中，鋼釬10對孔壁周邊的土壤存在擠壓密實作用，將孔壁周邊的孔隙封閉；在枯季，土壤含水率低時又極難鉆進(jìn)到較深的位置；(2)在檢測二氧化碳濃度時，由于只有孔口附近封閉，在真空作用下，使得整個孔中的氣體，甚至各深度土壤層中的氣體有可能進(jìn)入到檢測管中，測試的結(jié)果為混合氣體的濃度，無法真實代表特定深度的土壤二氧化碳濃度；(3)檢測管耗材使用量大；(4)讀數(shù)由人工根據(jù)試劑變色程度進(jìn)行判讀，誤差較大，精度小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]綜上所述，鑒于以上傳統(tǒng)監(jiān)測方式的缺陷，為了能將對土壤的擾動降低到最少，又能在熱帶、亞熱帶地區(qū)長期連續(xù)進(jìn)行土壤二氧化碳的監(jiān)測，不受連續(xù)降雨對監(jiān)測的影響，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置，包括鉆頭、二氧化碳濃度探頭、溫濕度探頭、供電模塊和數(shù)據(jù)采集器，所述鉆頭在土壤中分別鉆出埋放所述二氧化碳濃度探頭、所述溫濕度探頭的鉆孔，所述鉆頭的直徑大于所述二氧化碳濃度探頭和所述溫濕度探頭的直徑；
[0006]所述數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)線連接所述二氧化碳濃度探頭、所述溫濕度探頭，將所述二氧化碳濃度探頭和所述溫濕度探頭的監(jiān)測數(shù)據(jù)保存起來；
[0007]所述供電模塊通過導(dǎo)線連接所述二氧化碳濃度探頭、所述溫濕度探頭和所述數(shù)據(jù)采集器。
[0008]進(jìn)一步，所述鉆頭為中空結(jié)構(gòu)。
[0009]進(jìn)一步，所述二氧化碳濃度探頭處于PVC管內(nèi)，所述PVC管為開口向上的中空結(jié)構(gòu)，并且在所述PVC管的側(cè)壁上均勻布滿通孔。
[0010]進(jìn)一步，所述通孔的直徑為6_。
[0011]進(jìn)一步，在所述二氧化碳濃度探頭外包裹有PTFE防水透氣膜。
[0012]進(jìn)一步，所述供電模塊包括太陽能電池板、控制器和蓄電池，所述太陽能電池板利用光電效應(yīng)將太陽光的能量轉(zhuǎn)化成可利用的電能并且存儲到所述蓄電池內(nèi)，所述太陽能電池板通過所述控制器連接蓄電池，所述蓄電池通過所述控制器再連接所述二氧化碳濃度探頭、所述溫濕度探頭和所述數(shù)據(jù)采集器，所述控制器控制所述太陽能電池板對所述蓄電池的充電以及所述蓄電池對所述二氧化碳濃度探頭、所述溫濕度探頭和所述數(shù)據(jù)采集器的放電。
[0013]進(jìn)一步，在所述鉆頭上設(shè)有長度刻度。
[0014]一種通過土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0015](I)拔開在需要測量的巖溶區(qū)土壤表層的枯枝落葉，用所述鉆頭在土壤上分別鉆出埋放所述二氧化碳濃度探頭和所述溫濕度探頭的鉆孔，觀察所述鉆頭上的長度刻度直到鉆孔的深度達(dá)到要求后停止鉆孔，同時將鉆出的土壤按照出土順序堆放在干凈薄膜或塑料袋上，以便回填；
[0016](2)在二氧化碳濃度探頭外包裹PTFE防水透氣膜，再將連接好所述供電模塊和所述數(shù)據(jù)記錄器的二氧化碳濃度探頭放入PVC管中，然后將上述組裝好的組件放入步驟對應(yīng)所鉆的孔內(nèi)，將所述溫濕度探頭也連接好所述供電模塊和所述數(shù)據(jù)記錄器后放入步驟對應(yīng)的所鉆的其他孔內(nèi)；
[0017](3)將步驟鉆孔時取出的相應(yīng)的土壤按照堆放的順序回填各個鉆孔，蓋上原來的枯枝落葉便可。
[0018]進(jìn)一步，步驟中回填土回填鉆孔后，再于回填土上倒上蒸餾水。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定，對土壤的擾動降低到最小，能監(jiān)測特定深度的土壤二氧化碳濃度，探頭做保護(hù)處理，不受連續(xù)降雨對監(jiān)測的影響，能在熱帶、亞熱帶地區(qū)長期連續(xù)進(jìn)行土壤監(jiān)測。通過增加顯示表頭和使用電池供電，還可在野外快速測定土壤二氧化碳濃度，具有響應(yīng)迅速、精度高、無需試劑耗材等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0020]圖1為傳統(tǒng)自動連續(xù)監(jiān)測土壤剖面二氧化碳濃度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為傳統(tǒng)野外現(xiàn)場測土壤剖面二氧化碳濃度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明土壤二氧化碳濃度長期連續(xù)自動監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明土壤二氧化碳濃度野外快速測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0025]1、探頭，2、原狀土，3、地表徑流，4、回填土，5、界面，6、軟管，7、檢測管，8、手動真空栗，9、鐵錘，10、鋼釬，11、鉆頭，12、二氧化碳濃度探頭，13、溫濕度探頭，14、降雨，15、供電模塊，16、數(shù)據(jù)采集器，17、太陽能電池板，18、控制器，19、蓄電池，20、手持表頭。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0027]如圖3所示，一種土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置，包括鉆頭11、二氧化碳濃度探頭12、溫濕度探頭13、供電模塊15和數(shù)據(jù)采集器16，所述鉆頭11在土壤中分別鉆出埋放所述二氧化碳濃度探頭12、所述溫濕度探頭13的鉆孔，所述鉆頭11的直徑大于所述二氧化碳濃度探頭12和所述溫濕度探頭13的直徑。在所述鉆頭11上設(shè)有長度刻度，根據(jù)所要監(jiān)測土壤距離地表的深度，通過觀察長度刻度以便把握鉆頭11鉆孔的深度。另外鉆頭11為中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)的鉆頭11在鉆進(jìn)過程中，鉆出的土壤進(jìn)入到鉆頭11內(nèi)，避免鉆頭11擠壓密實周邊土壤，堵塞土壤孔隙。因為空心鉆頭11在鉆進(jìn)過程中，土壤是進(jìn)入到鉆頭11內(nèi)的，而不是擠壓到周邊土壤，與傳統(tǒng)方法使用鋼釬相比，能較大減小對周邊土壤的擠壓密實，保持土壤的天然孔隙，使測試獲得的數(shù)值更具代表性。
[0028]在所述二氧化碳濃度探頭12外包裹有PTFE防水透氣膜，所述二氧化碳濃度探頭12處于PVC管內(nèi)，所述PVC管為開口向上的中空結(jié)構(gòu)。二氧化碳濃度探頭12處于PVC管內(nèi)便于將二氧化碳濃度探