專利名稱：一種田間試驗模擬系統(tǒng)及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種試驗模擬裝置，具體涉及一種用來研究中國南方水旱輪作農田氮素滲漏、徑流的田間試驗模擬系統(tǒng)及其制造方法。
背景技術：
在田塊尺度進行氮素各個去向的研究存在一定難度，尤其是滲漏和徑流。而原狀土柱(Field undisturbed tension-free monolith lysimeters)具有近似田間無擾動的土壤結構和采樣、實施、管理等方面的可操作性等優(yōu)點，是近年來研究農田氮素去向的經典方法。但一般的原狀土柱從田里取出相當于切斷了地下水的補給，這樣原狀土柱實際運行過程中就不能完全反映田間水分狀況，從而影響到氮素的遷移、轉化過程。例如，我國南方稻麥輪作農田去一般地下水位較高，在Im左右。1米深的原狀土柱剛好切斷了地下水的向上補給，造成整個土體的水分和養(yǎng)分遷移與田間實際情況有所不同，此類模擬試驗結果往往與真實田間情況有所出入。中國專利文獻CN101256182A公開一種制備大型原狀土柱的方法，但其主要針對旱作農田滲漏，無法模擬中國南方地區(qū)主要農田類型——稻麥等水旱輪作農田氮素徑流和滲漏。眾所周知，南方稻麥輪作農田水分管理與北方旱地不同，有其特殊之處。以稻麥輪作為例水稻季需要灌溉淹水、而小麥季無灌溉，主要靠降雨供給土壤水分，且由于冬季雨水較多，為防止小麥漬害，往往需開溝排水(10 20cm)。這就要求原狀土柱必須有獨特的設計同時滿足水旱兩季的需求。本發(fā)明正是針對南方水旱輪作農田這一獨特的水分管理模式設計，并充分考慮田間水分運移等較難解決的問題，加設很多附屬裝置， 例如傳感器等，將近似模擬研究水旱輪作農田水分、養(yǎng)分等運移的作用最大化。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種可真實模擬田間水分運行狀況的田間試驗模擬系統(tǒng)，進而為模擬研究田間氮素轉移情況提供可靠的物質保障，同時還公開了該田間試驗模擬系統(tǒng)的制造方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是
一種田間試驗模擬系統(tǒng)，至少包括一個置于相匹配的圓管或圓筒中的原狀土柱，所述原狀土柱下端均安裝于覆有沙層的圓盤底座上，在所述圓盤底座內的沙層中依次布設有連通外界大氣的放氣管、連通供水容器(帶有刻度的供水容器還能準確提供土面蒸散量，包括作物蒸騰和土壤蒸發(fā))的進水管、連通集液容器的滲漏管；在所述原狀土柱的上端土壤界面處和/或在土壤界面上方一定距離處的圓管或圓筒壁上設置有溢流口，并設有溢流管連通該溢流口和相應的溢流收集容器；在所述原狀土柱的上端土壤界面下方一定距離處的圓管壁或圓筒壁上設有徑流口，并設有徑流管連通該徑流口和相應的徑流收集容器；各原狀土柱的管壁或筒壁外側填充有高度與原狀土柱高度相匹配的土壤層。沿所述原狀土柱的豎直方向間每隔一定的距離相應的埋設一只水勢傳感器。在所放氣管、進水管、滲漏管上均安裝有相匹配的閥門。
放置所述原狀土柱的圓管或圓筒的上端帶有法蘭接口，且相應的對接有一定長度的加長管或筒。所述原狀土柱均安裝于方形或圓形水泥池中。上述田間試驗模擬系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟
(1)原狀土柱掘取取無底無蓋的圓筒或圓管，通過壓力機或者人力將其垂直插入農田土壤中，在施工中插入一定深度后將筒外壁四周的土壤挖去，以減少土壤的阻力，達到預定深度后，水平割斷土柱，修正土柱底部平面，重復該步驟，掘取一定數量的原狀土柱并移送至安裝場地；
(2)原狀土柱安裝在安裝場地設置與圓筒或圓管端口相匹配的圓盤底座，在圓盤底座內鋪設一定厚度的砂層，且在沙層中依次布設連通外界大氣的放氣管、連通供水容器的進水管、連通集液容器的滲漏管，再將原狀土柱垂直安裝在該圓盤底座上，并密封膠密封接口處；
(3)輔助設施安裝在所述原狀土柱的上端土壤界面處和/或在土壤界面上方一定距離處的圓管或圓筒壁上開設溢流口，并設溢流管將該溢流口和對應的溢流收集容器連通； 在所述原狀土柱的上端土壤界面下方一定距離處的圓管壁或圓筒壁上開設徑流口，并設徑流管將該徑流口和相應的徑流收集容器連通；安裝供水容器并與所述進水管連接；
(4)回填土在所述各原狀土柱的管壁或筒壁外側周圍填充土壤，填充的高度與原狀土柱的高度相匹配。在所述步驟(3)中，沿所述原狀土柱的豎直方向間每隔一定的距離相應的埋設一只水勢傳感器。所述原狀土柱均安裝于方形或圓形水泥池中，池內剩余空間內填充土壤，高度與所述原狀土柱的高度相適應。在所述放氣管、進水管、滲漏管、溢流管、滲漏管中均安裝有相匹配的閥門。本發(fā)明具有積極有益的效果
1.本發(fā)明裝置具有補水裝置，可近似模擬地下水供給，特別是旱季作物生長季，可有效防止土壤干裂，且可營造更為接近田間的真實土體水分狀況，獲取更為真實的田間水分運行、氮素遷移等方面的數據；可區(qū)分稻季徑流、麥季地表和排水溝徑流；可用來研究中國南方水旱輪作農田氮素滲漏、徑流情況；
2.在土體不同深度安裝水分傳感器，可獲取大量土壤水分數據，為田塊尺度水分運移模型提供重要參數。3.以本發(fā)明裝置進行補充流動抽氣法(airflow enclosure method)測定氨揮發(fā)裝置后，結合15N示蹤技術便可進行氮素去向的完整觀測(植物吸收、殘留、氨揮發(fā)、淋洗、 徑流、反硝化)；除氮外，也可進行農田其它養(yǎng)分如磷，或重金屬等遷移特點的研究。4.本發(fā)明裝置易于實施操作，制備方法簡單，成本低，易推廣。


圖1為一種田間試驗模擬系統(tǒng)的俯視圖； 圖2為圖1的A-A視圖3為一種田間試驗模擬系統(tǒng)的橫剖面結構示意圖；圖4為一種田間試驗模擬系統(tǒng)中圓盤底座的結構示意圖； 圖5為一種田間試驗模擬系統(tǒng)中的水勢傳感器的安裝示意圖。圖中，1為原狀土柱，2為加長筒，3為放氣管，4為水勢傳感器，5為滲漏管，6為徑流管，7為溢流管，8為基礎墻體，9為進水管，10為沙層，11為圓筒，12為圓盤底座，13為水泥池，14為貯水桶，15為支撐塊，16為上溢流口，17為下溢流口，18為徑流口。
具體實施例方式實施例1 一種田間試驗模擬系統(tǒng)，參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，包括九個置于圓筒11中的原狀土柱1，并排放置于長方形的水泥池13 (長500cm，寬50 cm，高110cm)中， 各原狀土柱1經由下端均安裝于覆有沙層10的圓盤底座12上，在圓盤底座12內的沙層10 中依次布設連通外界大氣的放氣管3、連通貯水桶14的進水管9、連通集液容器的滲漏管5， 且在圓盤底座12內放氣管進口所在位置高于進水管9出口和滲漏管5進口所在位置；在各原狀土柱的上端土壤界面處的圓筒11壁上設有下溢流口 17，在該土壤界面上方5cm處的圓筒11壁上設有上溢流口 16，并設有溢流管7連通該溢流口和相應的溢流收集容器；在原狀土柱1的上端土壤界面下方15cm處的圓筒壁上設有徑流口 18，并設有徑流管6連通該徑流口和相應的徑流收集容器；各原狀土柱的圓筒壁外側填充有高度與原狀土柱1高度相匹配的土壤層。放置各原狀土柱1的圓筒11的上端帶有法蘭接口，且可相應的對接一定長度的加長筒2。上述田間試驗模擬系統(tǒng)的制備方法如下
(1)原狀土柱掘取將長105cm，內徑38cm，壁厚Icm的硬質PVC材料管子焊接加工成無底無蓋的圓筒11，通過壓力機或者人力將此圓筒垂直插入農田土壤中，在施工中插入一定深度后將筒外壁四周的土壤挖去，以減少土壤的阻力，達到預定IOOcm深度后，水平割斷土柱，修正土柱底部平面，依次類推，共采集原狀土柱九個，并移送至安裝場地；
(2)原狀土柱安裝在安裝場地內的水泥池(長500cm，寬50cm，高110cm)中設置一排與圓筒11端口直徑相匹配的圓盤底座12，在圓盤底座內鋪設厚IOcm的沙層10，且在沙層10中依次布設連通外界大氣的放氣管3、連通貯水桶14的進水管9、連通集液容器的滲漏管5，且在圓盤底座12內使放氣管進口所在位置高于進水管9出口和滲漏管5進口所在位置；再將原狀土柱1垂直安裝在該圓盤底座12內的四個支撐塊15上，然后用樹脂密封接口，使原狀土柱1的圓筒11與圓盤底座12連為一體；
(3)輔助設施安裝在原狀土柱1的上端土壤界面處和在土壤界面上方一定距離處的圓筒11壁上開設溢流口，并設溢流管7將該溢流口和對應的溢流收集容器連通；在原狀土柱1的上端土壤界面下方一定距離處的圓筒壁上開設徑流口，并設徑流管6將該徑流口和相應的徑流收集容器連通；安裝貯水桶14并與進水管9連接；
(4)回填土在各原狀土柱的筒壁外側周圍填充土壤，即用土壤填筑九個原狀土柱與水泥池之間的剩余體積，填充的高度與原狀土柱的高度相匹配，并種植水稻或小麥，作為原狀土柱的保護行。上述田間試驗模擬系統(tǒng)水稻生長季的使用
將加長筒2用橡皮墊、螺栓固定在原狀土柱1的圓筒11法蘭上，以滿足水稻生長季需要保持淹水層的需要。并用橡皮塞塞住下下溢流口 17和徑流口 18，用一小段水管將將加
5長筒2上的上溢流口 16與溢水管7連接，打開上溢流口 16，如此可以模擬田面水高度超過 5cm的水稻生長季的徑流。用2. 5 L塑料桶作為溢流收集容器連接溢流管7，收集每次稻季徑流水樣，記錄徑流水量，并采樣分析；同樣方法在滲漏口收集IOOcm處滲漏水，計量分析； 滲漏水可按照每天水層下滲2mm收集。 由于南方稻麥輪作農田小麥生長季無灌溉，雨水是唯一來源。且往往開溝排水，防止?jié)澈?。排水溝一般深約15cm。這種排水溝可加速氮素徑流損失。本發(fā)明在原狀土柱內土壤表層和15cm深度設置徑流設施，首次區(qū)分了表層和排水溝徑流，結果顯示，84%的徑流氮發(fā)生在15cm深度排水溝。上述田間試驗模擬系統(tǒng)在小麥生長季的使用
去掉加長筒2，將溢流口 17和徑流口 18處的橡皮塞取下。此做法可以近似模擬麥季土壤表層和15cm深度排水溝徑流。啟動自動補水系統(tǒng)，具體過程為調整該裝置固定架位置，使貯水桶14的水位指示咀與滲漏管5高度一致。將放氣管3、進水管9、滲漏管5上的角閥關閉。將貯水桶14下方的寶塔放水咀用硅膠管與進水管9角閥相連。取一小段硅膠管夾上彈簧夾，安裝在貯水桶14水位指示咀上。打開貯水桶14上方的硅膠塞，加滿自來水， 塞緊硅膠塞，打開進水管9角閥，取下水位指示咀上帶彈簧夾的硅膠管；自動補水裝置開始運行，貯水桶14內有氣泡泛起，伴隨咕咕的聲音。理論上，當沙層10內水位高度與寶塔放水咀高度一致后，便自動停止補水。初次使用時自來水加入量較大，土柱第一次進水要打開放氣管3上的閥門，待滲漏管5冒水，說明沙層10空氣已被趕盡，就關閉放水閥，以后進水不需要再打開。此后，自動補水裝置自動根據土柱植物的蒸騰和土面蒸發(fā)情況自行運轉補水。記錄貯水桶14液面下降的刻度。貯水桶14內的水份減少量即為土柱蒸騰和蒸發(fā)的水分量。當貯水桶14內的液面快接近水位指示咀時，需要及時加水。加水方法同前。在土表、15cm深度土層收集不同深度徑流，計量分析。麥季滲漏水的收集要參考天氣預報，預報有雨水時，應提前關閉進水管角閥，打開滲漏管角閥，收集滲漏水，計量分析。及時記錄不同土壤層次水分傳感器數據，這一系列數據可為田間水分遷移模型提供重要參數。
權利要求
1.一種田間試驗模擬系統(tǒng)，至少包括一個置于相匹配的圓管或圓筒中的原狀土柱，其特征在于，所述原狀土柱下端均安裝于覆有沙層的圓盤底座上，在所述圓盤底座內的沙層中依次布設有連通外界大氣的放氣管、連通供水容器的進水管、連通集液容器的滲漏管；在所述原狀土柱的上端土壤界面處和/或在土壤界面上方一定距離處的圓管或圓筒壁上設置有溢流口，并設有溢流管連通該溢流口和相應的溢流收集容器；在所述原狀土柱的上端土壤界面下方一定距離處的圓管壁或圓筒壁上設有徑流口，并設有徑流管連通該徑流口和相應的徑流收集容器；各原狀土柱的管壁或筒壁外側填充有高度與原狀土柱高度相匹配的土壤層。
2.根據權利要求1所述的田間試驗模擬系統(tǒng)，其特征在于，沿所述原狀土柱的豎直方向間每隔一定的距離相應的埋設一只水勢傳感器。
3.根據權利要求1所述的田間試驗模擬系統(tǒng)，其特征在于，在所放氣管、進水管、滲漏管上均安裝有相匹配的閥門。
4.根據權利要求1所述的田間試驗模擬系統(tǒng)，其特征在于，放置所述原狀土柱的圓管或圓筒的上端帶有法蘭接口，且相應的對接有一定長度的加長管或筒。
5.根據權利要求1所述的田間試驗模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述原狀土柱均安裝于方形或圓形水泥池中。
6.權利要求1所述田間試驗模擬系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟(1)原狀土柱掘取取無底無蓋的圓筒或圓管，通過壓力機或者人力將其垂直插入農田土壤中，在施工中插入一定深度后將筒外壁四周的土壤挖去，以減少土壤的阻力，達到預定深度后，水平割斷土柱，修正土柱底部平面，重復該步驟，掘取一定數量的原狀土柱并移送至安裝場地；(2)原狀土柱安裝在安裝場地設置與圓筒或圓管端口相匹配的圓盤底座，在圓盤底座內鋪設一定厚度的砂層，且在沙層中依次布設連通外界大氣的放氣管、連通供水容器的進水管、連通集液容器的滲漏管，再將原狀土柱垂直安裝在該圓盤底座上，并密封膠密封接口處；(3)輔助設施安裝在所述原狀土柱的上端土壤界面處和/或在土壤界面上方一定距離處的圓管或圓筒壁上開設溢流口，并設溢流管將該溢流口和對應的溢流收集容器連通； 在所述原狀土柱的上端土壤界面下方一定距離處的圓管壁或圓筒壁上開設徑流口，并設徑流管將該徑流口和相應的徑流收集容器連通；安裝供水容器并與所述進水管連接；(4)回填土在所述各原狀土柱的管壁或筒壁外側周圍填充土壤，填充的高度與原狀土柱的高度相匹配。
7.根據權利要求6所述田間試驗模擬系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，在所述步驟(3) 中，沿所述原狀土柱的豎直方向間每隔一定的距離相應的埋設一只水勢傳感器。
8.根據權利要求6所述田間試驗模擬系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，所述原狀土柱均安裝于方形或圓形水泥池中，池內剩余空間內填充土壤，高度與所述原狀土柱的高度相適應。
9.根據權利要求6所述田間試驗模擬系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，在所述放氣管、進水管、滲漏管、溢流管、滲漏管中均安裝有相匹配的閥門。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種田間試驗模擬系統(tǒng)及其制造方法。該系統(tǒng)包括安裝于圓盤底座上的圓管和原狀土柱，圓盤底座內布設有放氣管、進水管、滲漏管；圓管壁的上部設置有溢流口，溢流管連通該溢流口連通溢流收集容器；在原狀土柱的上端土壤界面下方一定距離處的圓管壁上設有徑流口，徑流管連通該徑流口和徑流收集容器；原狀土柱的管壁外側填充有高度與原狀土柱高度相匹配的土壤層。本發(fā)明裝置可近似模擬地下水供給，營造更為接近田間的真實土體水分狀況，獲取更為真實的田間水分運行、氮素遷移、稻季徑流、麥季地表和排水溝徑流等方面的數據；可用來研究中國南方水旱輪作農田氮素滲漏、徑流情況；也可進行農田其它養(yǎng)分如磷，或重金屬等遷移特點的研究。
文檔編號G01N33/24GK102230930SQ20111007615
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權日2011年3月29日
發(fā)明者張宗侯, 施衛(wèi)明, 楊林章, 王慎強, 趙旭, 邢光熹 申請人:中國科學院南京土壤研究所