一种野外深层土壤取样装置及方法与流程

本发明涉及野外深层土壤的取样，属于土壤学、生态学研究领域，具体涉及可以便携、高效地完成野外深层土壤取样的装置及方法。

背景技术：

深层地下生态学是植被恢复、生态保护研究的重要方向，野外深层土壤样品的获取成为土壤和生态研究科技工作者主要的工作内容之一。研究区域从平地、农地，扩展到坡地、山地、甚至没有道路通达的林地、灌丛、草地。如何获取深层土样成为一大难题。

已有多种野外深层取样(打孔)的技术方案。例如，(1)地质勘探钻机，能够穿透岩层，但是机械设备体积庞大，移动运输成本高、人员费用高、维护成本高。(2)机械取样设备，一种深层土壤取样器(专利号：CN103424280A)公布了一种通过多级液压缸驱动取样杆的取样设备，通过机械力获取深层土样，但是多级液压缸本身重量大，移动需要依靠吊装设备或多个劳力完成。类似的借助机械力代替人工的方法，大部分存在移动困难、移动成本高的问题。(3)旋转式土钻法，这是目前生态学研究野外深层土壤取样的常用方法，常见于相关研究论文的方法描述中。该方法依靠人力旋转下压横杆、通过钻杆将扭力传导到钻头，依靠钻头的尖角切割土壤，并随着钻头的下压过程、将土壤带入钻头空腔中。该方法在获取2m以内土样时，比较轻便。但是2m以下、特别是10m以下，本身10m长的钻杆重量较大，又要依靠下压旋转将扭力通过10m的长度传递，扭力损失严重。也就是说要切割10m以下土层的土壤，地面上需要付出十几倍的旋转力。实践中，此方法钻取10m以下土样时，需要加长横杆，1人坐在横杆上，两边各2人推动横杆、转动钻头。调查发现，按20cm一层、分层获取10m深土样需要2-3天时间，获取15m-20m深土样则需要5-6天时间。因此，该方法获取10m以下土样，非常费时费力。(4)挖掘法，采用挖壕沟的方法，斜坡式下降，土方量非常大，而且10m以下的深度需要防护、以防坍塌危险。

实践中，生态学、土壤学等研究需要多个重复取样，导致取样费用不能太高；野外取样环境的特点是地形复杂、植被类型多样，导致机械移动不方便，甚至是机械无法到达取样点，只能依靠人力进行。另外，科学研究本身具有周期性，取样时间不能拖得太长。因此，生态学、土壤学等研究所需的野外深层土壤取样方案，首先要求能够实现10m以下土样的获取，同时必须满足低成本、取样装置靠少量人力能够搬运、取样效率高的要求。目前还没有便携、快捷、性价比高的取土样的技术方案报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有生态学、土壤学等研究中深层土壤取样的问题，提供一种野外深层土壤取样装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种野外深层土壤取样装置，该取样装置包括基架、定位套筒、重力沉降杆、钻头、吊绳及设置于基架上的吊绳架，所述定位套筒包括沿铅锤方向设置于基架上的导管，吊绳架上设置有位于导管上方的滑轮，吊绳设置于滑轮上，重力沉降杆的一端与吊绳相连，另一端与钻头相连，钻头、重力沉降杆和吊绳可沿导管的上下端面贯穿导管。

所述基架包括架腿、连接杆以及基座板，连接杆分层连接于相对设置的两个架腿之间，基座板设置于架腿底部；所述吊绳架由两个三角形支架通过连接杆拼接而成；所述定位套筒还包括与基架相连的横杆，所述导管与横杆相连。

所述重力沉降杆包括若干节杆体单元(例如实心钢管)，多个杆体单元通过丝扣依次相连。

所述吊绳包括不可被拉长的抗拉线芯(例如钢丝)以及设置在抗拉线芯外侧的保护皮层(例如尼龙)。

所述取样装置还包括螺纹杆、螺母以及吊环，螺纹杆固定在吊绳架上，吊环和螺母设置在螺纹杆上，螺母通过与螺纹杆配合对吊环在螺纹杆上的位置进行固定，所述滑轮与吊环相连。

一种基于上述野外深层土壤取样装置的取样方法，包括以下步骤：

1)在取样位置安放基架，将定位套筒固定在基架上并对准取样点，将钻杆穿过定位套筒后带动与钻杆连接的钻头自土壤表层开始取样(钻孔)；取样(钻孔)过程中不断增加钻杆长度，直至钻头达到取样深度A，将钻头与钻杆分离；

2)将钻头与可贯穿定位套筒的重力沉降杆连接，并将重力沉降杆与吊绳连接，在基架上安放吊绳架，利用安装至吊绳架上的吊绳将连接有钻头的重力沉降杆悬吊于取样点上方；

3)释放吊绳，钻头及重力沉降杆在重力作用下下落，在下落过程中依次穿过定位套筒，然后沿自土壤表层向下取样形成的路径下落，下落过程结束后，提拉吊绳，使钻头上升至土壤表层之上，完成一次土壤的深层取样；

4)重复步骤3)，直至取样到预定深度。

所述A≤7m，一般超过7m钻头拔出地面时钻杆不能够垂直立定，不宜再利用人工旋转钻杆完成取样。

所述步骤1)中，定位套筒的固定具体包括以下步骤：将两个架腿利用连接杆连接，在架腿底部固定基座板，组装得到基座，在确定的取样点处放置基座，使基座围绕于该取样点外侧，将定位套筒通过基架固定，确保定位套筒保持铅锤状态，且下端与取样点正对。

所述吊绳架上设置有用于安装吊绳的滑轮。

所述步骤2)中，通过移动滑轮位置，使得钻头及重力沉降杆悬吊于取样点上方。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用定位套筒和吊绳架、吊绳以及重力沉降杆与钻头配合，利用重力作用下钻头的下落过程获得对土壤深层取样的动力，钻头的取样深度的增加过程无需钻杆配合，因此，钻头实际自重轻(相比钻头与不断延伸的钻杆连接体相比)，竖直上、下速度快，吊绳架配合钻头免去了每一次深位置长钻杆的拆卸，直接缩短了取样时间消耗，而且无需使用液压设备等体积大、重量大的动力设备，装置整体结构简单，易于人力搬运和组装，解决了野外深层土壤取样的难题，降低了采样成本。同时，本发明与现有取样过程保持良好延续性，在浅层取样时钻杆在基架和定位套筒的配合下，钻孔位置不偏移，取样点不易发生破坏。因此，本发明特别适宜于野外生态学研究获取深层土样。

附图说明

图1为吊绳架的结构示意图；

图2为基架的结构示意图；

图3为垂直取样架的结构示意图；

图4为架腿内外连接点示意图；

图5为连接杆的结构示意图，其中：(a)两开孔，(b)三开孔；

图6为垂直定位套筒的结构示意图；

图7为三角架的结构示意图；

图8为钻杆的结构示意图；

图9为固定滑轮装置的结构示意图；

图中：1-固定滑轮装置，2-支撑架，3-支撑杆，4-连接杆，5-定位套筒，6-架腿，7-木板，8-凹槽，9-丝口，10-定位块，11-螺纹杆，12-吊环，13-螺母，14-滑轮，15-导管，16-横杆，17-支撑片，18-支撑盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1、图2以及图3，本发明提供的野外深层土壤取样装置包括垂直取样架、可延伸钻杆、钻头、垂直定位套筒5、固定滑轮装置1及吊绳。

所述垂直取样架包括两大部件，分别是基架(高度：80cm)和吊绳架(高度：150cm)，基架和吊绳架采用分体式结构。

所述基架包括架腿6、木板7(可选用)和连接杆4，架腿6采用截面尺寸为20mm的方管(钢制)焊接而成，共2个，大致呈梯形，按照四棱台的棱边位置排布(两架腿底部跨距：60cm，顶部跨距：35cm)，主要起支撑作用，每个架腿6上固定有三层L字型的支撑片17(铁片制成，宽2cm，长6cm，层间距：30～35cm，图4)，连接杆4采用钢条(厚度：15mm)制成，架腿6内的连接杆4通过支撑片分层焊接固定，两架腿间的连接杆4通过螺栓与支撑片17相连，从而通过支撑片分层固定在架腿6之间，连接杆4上除了设置用于连接支撑片17的螺栓孔，还可根据需要设置垂直定位套筒安装孔(图5a、图5b)；基架能够拆卸、整体的重量轻，便于人力搬运，主要的功能是固定取样位置、确保取样过程不偏移，以及保护钻孔边缘不被踩踏破坏。

所述垂直定位套筒5包括由长约50cm、内径20mm的钢管形成的保证钻杆能够自如地通过的导管15，导管15通过上下两个固定横杆16垂直安放在基架上，两个固定横杆16的端部通过螺栓对应固定在基架的上端两层连接杆4的安装孔处(图6)；结合以上基架的平稳定位功能，能够确保钻孔水平位置不偏移、钻杆始终竖直向下并与取样水平面垂直。

如果取样面松软、摩擦小，则需要在架腿6底部安装木板7，架腿6的底部设置有支撑盘18(铁片制成，直径15cm)，用于安装木板7。木板尺寸为：厚5cm、宽15cm、长80cm，增大与取样平面接触面积，结合水平尺也容易调平；并且增加与地面摩擦力，取样时确保钻孔位置不偏移。

所述吊绳架包括两个三角形支架，三角形支架包括采用截面尺寸为20mm的方管(钢制)焊接而成的人字型支撑架2，人字型支撑架2自底部至顶部，分层焊接固定有与人字型支撑架2两臂(两臂底部跨距：35cm)相连的支撑杆3以及分别固定于两臂的支撑片17(铁片制成，层间距：40～50cm)，人字型支撑架2的顶部具有固定滑轮装置安装凹槽8(图7，槽深：50mm)；两个三角形支架通过与各自支撑片相连的连接杆4固定在一起(底部间距：35cm，顶部间距：15cm)；取样深度达到7m后，可以安装吊绳架于基架上。目的是通过吊绳取样，减少钻杆的拆装过程。

参见图8，所述钻杆的长度为1m、外径为18mm，均匀外径，头尾端具有丝口9，丝口处外壁面无凸点，不影响穿过导管15。首节钻杆底部与钻头(洛阳铲或炮铲等)相连，顶部与下一节钻杆底部相连，通过续接新的钻杆可将采样深度一值延伸至采样面地下7m。

参见图9，所述固定滑轮装置1包括螺纹杆11、吊环12、螺母13以及定滑轮14，螺纹杆11的两端具有定位块10，将两个定位块对应安放在两个三角形支架顶部的安装凹槽8内，即可利用螺栓将该装置两端与三角形支架上方安装凹槽8固定；吊环12吊放在螺纹杆上，可灵活移动；螺纹杆上设置有两个螺母13，吊环12位于两个螺母13之间，吊绳绕在与吊环12相连的定滑轮14上，吊绳一端通过定滑轮竖直向下悬垂，当吊绳和垂直定位套筒的导管15在同一铅垂线上，用螺母13固定吊环12位置，防止定滑轮14左右移动。

所述吊绳直径在12mm，保证手拉的舒适度，吊绳外表为尼龙绳，其内为钢丝芯，保证绳子在受力后，长度保持不变，能够精确量测取样深度。在7m后采样过程中，需要在吊绳上标记号，便于确定取样深度。

浅层采样(取样深度7m以内)需要人力协助使钻头插入土中，深层采样则依靠钻头在重力作用下下落即可；提升钻头，钻头本身的结构能够将土样带出。

基于上述野外深层土壤取样装置，本发明还提出了一种野外深层土壤取样方法，包括以下步骤：

1)将钻头、钻杆、吊绳、固定滑轮装置1、三角形支架、架腿6、垂直定位套筒5，及可拆卸的连接杆4等通过人力搬运到取样点；

2)通过螺栓将连接杆4和三角形支架、架腿6分别组装为吊绳架、基架，将垂直定位套筒5安放于基架上，利用铁钉或螺丝将基架底部支撑盘18固定在木板7上，参见图1、图2；

3)固定基架：在取样点构成正方形的周边开挖能够放置支撑木板7的平面，将基架安置在取样处，导管15对准取样点，利用水平尺，通过垫土、夯实土等方法调整垂直定位套筒5的导管15在水平面内两个方向上均处于垂直状态；

4)钻头和钻杆连接：先在钻杆上标定好取样尺寸(例如每20cm取样，可以用钢锯在钻杆上锯出印记)，然后将一根钻杆穿过垂直定位套筒5的导管15，再将钻头与钻杆底部的丝口9(外螺纹)旋转连接；

5)取样：上、下移动钻杆，钻头钻入土中，提起钻杆，钻头夹带出土壤，用锤子敲击钻头，使土样与钻头分离，完成一次取样；随取样深度延伸，连接第2根钻杆、第3根钻杆、直到连接的钻杆达到7m左右(此时，钻杆过长易弯且重量大、无法垂直立定)；基架上的连接杆，可以作为取样人员的踩踏支撑结构；

6)安装吊绳架：卸掉钻杆，在钻头一端依次连接安装2～3根同直径、0.5m长的实心钢管；将固定滑轮装置1安装在吊绳架上，将吊绳绕于固定滑轮装置1的定滑轮14上，然后将吊绳架底部固定在基架最上层支撑片17上(图3)；将吊绳与钢管连接，在确保钢管及其连接的钻头可自如通过垂直定位套筒5的导管15后，将固定滑轮装置1中吊环12的位置固定在螺纹杆11上；

7)深层取样：利用吊绳提拉钢管至钻头达到导管15上端，释放吊绳(确保吊绳远离钻头的一端不脱离定滑轮)，在重力作用下，钻头沿之前的取样路径下落并插入土壤，提拉吊绳，分离钻头带出的土壤，重复进行上述提拉、分离以及释放过程，直至取样到预定深度；

8)单个取样点取样完毕，如需继续采样，只需拆卸吊绳架，直接将基架移至下一个取样点，重复执行步骤4～8即可；如全部取样完毕，将所有部件拆除、运走。