一种生物质炭改良红壤抬田的模拟实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及一种生物质炭改良红壤抬田的模拟实验装置及其实验方法，属于农田生态环境实验领域。

背景技术：

兴修大型水利工程往往会造成大面积的耕地淹没和大量移民外迁，而抬田工程是保护耕地的新型技术措施，也是目前最经济、最合理、最有效的减少耕地淹没的保护措施。江西省峡江水利枢纽工程是鄱阳湖生态经济区建设的重点工程，修于赣江上游，吉安市峡江县境内，其投资与规模在江西省水利工程中均属最大。由于该工程的兴建，导致峡江流域不少农民生活用地以及耕地被淹，移民外迁以及耕地淹没，不仅加重了工程投资，还严重影响着两岸居民收入以及农业生产力等问题。为了有效的解决此问题，该工程须考虑采取抬田工程等措施减少耕地损失。抬田工程土层结构是指抬田工程中为避免耕地淹没及作物涝渍灾害，保持耕作土壤水肥，而进行的耕地土层结构设计，自下而上分为基础料层、保水层和耕作层。抬田工程的施工工艺流程为:施工准备→耕作土层剥离与堆放→基础料层土石方填筑与验收→保水层填筑与验收→耕作土回填、摊平→道路工程施工→田间工程施工→施工结束。耕作层利用剥离的原耕作层回填以保证作物较好的生长；保水层由防渗性能较好的黏土组成以防止灌溉水分过快产生深层渗漏，同时可以防止库水上涨顶托对作物根部的浸泡；底部基础料层采用当地风化料或砂砾石填筑。江西土壤多以红壤多，因此研究生物质炭对红壤的作用具有重要意义。抬田中耕作层和黏土层的厚度对于抬田的影响比较大，因此研究抬田厚度对于抬田的影响很重要。但是现有实验室柱筒中没有合适的柱筒应用研究不同厚度抬田的设备。

技术实现要素：

本大明提供了一种生物质炭改良红壤抬田的模拟实验装置及其实验方法，解决了现有抬田研究中柱筒需要频繁更换，无法自由改变高度等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种生物质炭改良红壤抬田的模拟实验装置包括支架、供水装置、柱筒、地下水水位模拟机构和数据监测系统，所述的供水装置、柱筒和地下水水位模拟机构固定在支架上，所述的柱筒包括上柱筒、中柱筒和下柱筒，所述的上柱筒、中柱筒和下柱筒之间通过法兰连接在一起，所述的下柱筒为透明有机玻璃柱，所述的上柱筒和中柱筒的结构一样，包括弹性塑料外筒、弹性塑料内筒、固定环、法兰、若干根弹簧和自动伸缩机构，所述的弹簧的两端固定在固定环内，所述的固定环设置在弹性塑料外筒和弹性塑料内筒之间，所述的固定环与所述的法兰安装在一起，且把弹性塑料外筒和弹性塑料内筒固定，所述的自动伸缩机构的两端分别固定在法兰上，所述的上柱筒和中柱筒上分别设置有土壤墒情传感器安装口、土壤电导率传感器安装口和取样口；

所述数据监测系统包括土壤墒情传感器、土壤电导率传感器、数据采集控制器、和上位机；所述数据采集控制器，用于采集土壤墒情传感器安装口和土壤电导率传感器的数据，并对供水装置、地下水水位模拟机构和自动伸缩机构进行控制；上位机与数据采集控制器连接，用于实现对土柱内土壤墒情和土壤电导率的数据的实时监测、记录和显示。

优选地：所述的供水装置包括供水马氏瓶、供水大气连通管以及供水水管，所述供水大气连通管的一端浸入在供水马氏瓶的液态水中，其另一端延伸在供水马氏瓶外而暴露于空气中，所述供水水管的一端与喷水器连通，其另一端与供水马氏瓶的底部连通，所述的供水水管上设置有供水电磁阀和流量计，所述的供水电磁阀和流量计分别与数据监控系统连接。

优选地：所述的地下水水位模拟机构包括地下水位马氏瓶、地下水位大气连通管以及地下水位水管，所述地下水位大气连通管的一端浸入在地下水位马氏瓶的液态水中，其另一端延伸在地下水位马氏瓶外而暴露于空气中，所述地下水位水管的一端通过与下柱筒的底部连通，其另一端与地下水位马氏瓶的底部连通，所述的地下水位水管上设置有地下水位电磁阀，所述的地下水位电磁阀与控制器连接。

优选地：所述的上柱筒的底部和中柱筒设置有保护网。

优选地：所述的下柱筒上设置有通气孔。

优选地：所述的自动伸缩机构为液压缸，所述的液压缸固定在法兰上，所述的液压缸与控制器连接。

优选地：所述的模拟实验装置还包括蒸发模拟器，所述的蒸发模拟器为悬设于上柱筒的端口之上的红外线灯或白炽灯。

一种生物质炭改良红壤抬田的实验方法，采用本发明模拟实验装置，，包括以下步骤：

(1)剥离红壤耕作土，然后按照比例添加生物质炭备用；

(2)柱筒装填：先装填下柱筒，下柱筒装填基础料层；然后装填中柱筒，将中柱筒设置在最高高度，然后装填黏土层；最后装填上柱筒，将上柱筒设置在最高高度，装填红壤和生物质炭混合材料的耕作层；

(3)装填好的柱筒固定在支架上，然后安装供水装置、地下水水位模拟机构和蒸发模拟器等，且连接好管路；

(4)将土壤墒情传感器和土壤电导率传感器安装在柱筒上，然后连接数据监控系统，然后开始实验；

(5)开展土柱入渗实验和进行蒸发实验，观测生物质炭对红壤抬田的改善；

(6)在一个高度实验完毕，自动伸缩机构收缩，上柱筒或中柱筒在自动伸缩机构的带动下，压缩弹簧，改变上柱筒或中柱筒的高度，当上柱筒或中柱筒的高度到设定高度，自动伸缩机构停止，移除多余填土，然后安装好上柱筒或中柱筒，进行不同红壤抬田耕作层和黏土层高度的实验。

本发明的有益效果：

本发明中的上柱筒和中柱筒的结构一样，包括弹性塑料外筒、弹性塑料内筒、固定环、法兰、若干根弹簧和自动伸缩机构，所述的弹簧的两端固定在固定环内，所述的固定环设置在弹性塑料外筒和弹性塑料内筒之间，所述的固定环与所述的法兰安装在一起，且把弹性塑料外筒和弹性塑料内筒固定，所述的自动伸缩机构的两端分别固定法兰，在实验开始的时候，弹性塑料外筒和弹性塑料内筒在弹簧的作用下，达到最高高度，然后填充填土。在需要改变填土高度的时候，通过自动伸缩机构收缩，使弹性塑料外筒和弹性塑料内筒压缩，高度降低，然后移除多余的填土，即可方便快捷的达到改变土柱高度的目的，操作方便，可以有效地进行耕作层和黏土层不同高度实验，操作简单、高效，可以有效地避免频繁更换不同高度土柱，并且可以避免不同土柱填充导致实验结果重复性不好的问题。

本发明的实验装置可完成毛管水上升、模拟蒸发条件下土壤墒情和电导率运移、控制地下水位变化条件下土壤墒情和电导率运移等实验，利用该套装置可以实现抬田红壤与生物质炭中的土壤墒情和电导率运移状态的动态观测，探寻出最适宜于作物生长的复合模式，结果精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模拟实验装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的中柱筒的主视图；

图3为本发明的中柱筒的后视图；

图4为本发明的数据监控系统的结构框图；

图中，1为支架，2为下柱筒，3为中柱筒，4为上柱筒，5为供水马氏瓶，6为供水大气连通管，7为供水水管，8为供水电磁阀，9为流量计，10为蒸发模拟器，11为喷水器，12为地下水位马氏瓶，13为地下水位大气连通管，14为地下水位水管，15为地下水位电磁阀，16为法兰，17为固定环，18为保护网，19为弹性塑料外筒，20为弹簧，21为弹性塑料内筒，22为取样口，23为土壤墒情传感器安装口，24为土壤电导率传感器安装口，25为液压缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种生物质炭改良红壤抬田的模拟实验装置包括支架1、供水装置、柱筒、地下水水位模拟机构和控制系统，所述的供水装置、柱筒和地下水水位模拟机构固定在支架1上，

供水装置包括供水马氏瓶5、供水大气连通管6以及供水水管7，所述供水大气连通管6的一端浸入在供水马氏瓶5的液态水中，其另一端延伸在供水马氏瓶5外而暴露于空气中，所述供水水管7的一端与喷水器11连通，另一端与供水马氏瓶5的底部连通，所述的供水水管7上设置有供水电磁阀8和流量计9，所述的供水电磁阀8和流量计9分别与数据监控系统连接。

柱筒包括上柱筒4、中柱筒3和下柱筒2，所述的上柱筒4、中柱筒3和下柱筒2之间通过法兰16连接在一起，所述的下柱筒2为透明有机玻璃柱，所述的上柱筒4和中柱筒3的结构一样，包括弹性塑料外筒19、弹性塑料内筒21、固定环17、法兰16、若干根弹簧20和自动伸缩机构，所述的弹簧20的两端固定在固定环17上，所述的固定环17设置在弹性塑料外筒19和弹性塑料内筒21之间，所述的固定环17与所述的法兰16安装在一起，且把弹性塑料外筒19和弹性塑料内筒21固定，所述的自动伸缩机构的两端分别固定在法兰16上，所述的上柱筒4和中柱筒3上分别设置有土壤墒情传感器安装口23、土壤电导率传感器安装口24和取样口22；土壤墒情传感器安装口23和土壤电导率传感器安装口24设置多个，可以根据实际情况安装土壤墒情传感器和土壤电导率传感器，不需要的安装口用盖子密封。

地下水水位模拟机构包括地下水位马氏瓶12、地下水位大气连通管13以及地下水位水管14，所述地下水位大气连通管13的一端浸入在地下水位马氏瓶12的液态水中，其另一端延伸在地下水位马氏瓶12外而暴露于空气中，所述地下水位水管14的一端通过与下柱筒2的底部连通，其另一端与地下水位马氏瓶12的底部连通，所述的地下水位水管14上设置有地下水位电磁阀15，所述的地下水位电磁阀15与数据监控系统连接。

上柱筒4的底部和中柱筒3的底部设置有保护网18。上柱筒4和中柱筒3在实验过程中需要多次改变上柱筒和中柱筒高度，移动频繁，依次设置保护网18可以有效的防止上柱筒4和中柱筒3在移动过程中填土松动和损失的问题。保护网18一般采用尼龙网、塑料网或铁丝网等。

下柱筒2上设置有通气孔，上柱筒4和中柱筒33改变长度以后或者土柱装填完毕后，土柱中可能会存在气泡，可以通过通气孔连接真空泵，除去气泡。

自动伸缩机构为液压缸25，所述的液压缸25固定在法兰16上，所述的液压缸25与数据监控系统连接。采用上述装置，可以精确到控制土柱的高度。

模拟实验装置还包括蒸发模拟器10，所述的蒸发模拟器10为悬设于上柱筒4的端口之上的红外线灯或白炽灯。

所述数据监测系统包括土壤墒情传感器、土壤电导率传感器、数据采集控制器和上位机；所述数据采集控制器，用于采集土壤墒情传感器23和土壤电导率传感器的数据，并对供水电磁阀8、地下水位电磁阀15、流量计9和汽缸进行控制；上位机与数据采集控制器连接，用于实现对土柱内土壤墒情和土壤电导率的数据的实时监测、记录和显示。

一种生物质炭改良红壤抬田的实验方法，采用上述模拟实验装置，包括以下步骤：

(1)剥离红壤耕作土，然后按照比例添加生物质炭备用；

(2)柱筒装填：先装填下柱筒2，下柱筒2装填基础料层；然后装填中柱筒3，将中柱筒3设置在最高高度，然后装填黏土层；最后装填上柱筒4，将上柱筒4设置在最高高度，装填红壤和生物质炭混合材料的耕作层；

(3)装填好的柱筒固定在支架1上，然后安装供水装置、地下水水位模拟机构和蒸发模拟器10等，且连接好管路；

(4)将土壤墒情传感器和土壤电导率传感器安装在柱筒上，然后连接数据监控系统，然后开始实验；

(5)开展土柱入渗实验和进行蒸发实验，观测生物质炭对红壤抬田的改善；

(6)在一个高度实验完毕，自动伸缩机构收缩，上柱筒4或中柱筒3在自动伸缩机构的带动下，压缩弹簧20，改变上柱筒4或中柱筒3的高度，当上柱筒4或中柱筒3的高度到设定高度，自动伸缩机构停止，移除多余填土，然后安装好上柱筒4或中柱筒3，进行不同红壤抬田耕作层和黏土层高度的实验。

本发明的实验装置可完成毛管水上升、模拟蒸发条件下土壤墒情和电导率运移、控制地下水位变化条件下土壤墒情和电导率运移等实验，利用该套装置可以实现抬田红壤与生物质炭中的土壤墒情和电导率运移状态的动态观测，探寻出最适宜于作物生长的复合模式，结果精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。