一种土壤优先流区模拟研究装置和方法

1.本申请属于土壤监测技术领域，涉及一种土壤优先流区模拟研究装置和方法，尤其涉及一种基于水溶性材料聚乙烯醇3d打印模拟土壤孔隙形成的优先流区，用以研究环境影响导致土壤优先流区中微生物及土壤有机质改变的装置及方法。


背景技术：

2.在全球化和工业化的背景下，人类的生产活动对环境造成的影响不可忽视。例如，由于化石燃料的燃烧、汽车尾气和工业废气的排放，二氧化硫和氮氧化物在空气中与水蒸气相互作用，最终形成酸雨等大气酸沉降，从而对农业生产活动密切相关的土壤产生影响。土壤优先流是一种常见的土壤水分运动形式，优先流是水分和溶质运移由均质转向非均质研究的标志，代表不平衡的水流运动过程，优先流路径内的水流运动和溶质运移速率远高于土壤基质区内的速率。土壤的优先流区比基质流区对环境的影响更加敏感。但目前，缺乏真实有效的方法模拟土壤孔隙，无法研究环境因素改变对土壤优先流区中微生物及土壤有机质的影响，从而阻碍环境风险评价的开展。
3.本发明提出一种基于水溶性材料聚乙烯醇3d打印模拟土壤孔隙形成优先流区，分析酸雨对土壤优先流区中微生物及土壤有机质影响的装置及方法，土壤样品采集后可借助高通量测序和傅里叶变换离子回旋共振质谱等技术，实现对土壤样品中微生物和有机质的定性和定量分析。


技术实现要素：

4.本申请的目的是提供一种土壤优先流区模拟研究装置和方法，即利用水溶性材料聚乙烯醇3d打印模拟土壤孔隙形成优先流区，分析酸雨对土壤优先流区中微生物及土壤有机质影响的装置及方法，该装置由光纤测氧仪控制端、光纤测氧仪探头、树杈型孔隙、倒l型孔隙、圆柱型孔隙、s型孔隙、出水口、土壤、有机玻璃组成，具有先进、操作方便、不受外部环境限制的特点。
5.为实现上述目的，本申请采用以下技术方案：
6.一种土壤优先流区模拟研究装置和方法，由光纤测氧仪控制端、光纤测氧仪探头、树杈型孔隙、倒l型孔隙、圆柱型孔隙、s型孔隙、出水口、土壤、有机玻璃组成；
7.上述有机玻璃，长度为0.4米，宽度为0.2米，高度为0.3米，器皿内壁设置6个圆形出水口，这6个圆形出水口分别位于无盖方形有机玻璃的左、右侧靠下方同一高度处；
8.上述土壤以黑土、潮土和红壤为代表性土壤；
9.上述土壤优先流区孔隙由3d打印技术得到水溶性的聚乙烯醇树杈型管道、倒l形管道、圆柱型管道、s型管道等来模拟；
10.上述土壤样品采集后借助高通量测序和傅里叶变换离子回旋共振质谱等技术，分析测定土壤中微生物丰度和可溶性有机物分子特征等参数，通过对比这些参数，分析环境条件变化对土壤优先流区中微生物及土壤有机质的影响。
11.相比现有技术，本申请的有益效果包括但不限于：
12.1)本装置与先进的3d打印技术结合，用3d打印技术得到水溶性的聚乙烯醇树杈型管道、倒l形管道、圆柱型管道、s型管道等，可以真实有效地模拟土壤中的优先流区孔隙。
13.2)本装置组成部分较少，可以有效提高操作简易性。
14.3)本装置可以在具备一定条件的实验室内进行科研操作，不受外部气候环境的影响，可以有效提高实验操作性。
附图说明
15.图1为实例1采样装置结构示意图。图1中(1)为光纤测氧仪控制端，(2)为光纤测氧仪探头，(3)为树杈型孔隙，(4)为倒l型孔隙，(5)为圆柱型孔隙，(6)为s型孔隙，(7)为出水口，(8)为酸雨，(9)为土壤，(10)为有机玻璃。
具体实施方式
16.以下的实施例便于更好地理解本申请，但并不限定本申请。
17.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
18.实施例1
19.本发明提出一种土壤优先流区模拟研究装置和方法，即利用水溶性材料聚乙烯醇3d打印模拟土壤孔隙形成优先流区，分析酸雨对土壤优先流区中微生物及土壤有机质影响的装置和方法，包括光纤测氧仪控制端、光纤测氧仪探头、树杈型孔隙、倒l型孔隙、圆柱型孔隙、s型孔隙、出水口、土壤、有机玻璃，可有效对比酸雨对土壤优先流区和基质流区造成的影响。土壤样品采集于黑龙江、天津和浙江。
20.实施步骤如下：
21.先在无盖方形有机玻璃底部铺设一层石英棉，石英棉上方填装3cm厚石英砂。在土壤基质流区，少量多次均匀填装5kg土壤并压实，然后在土壤上方填装3cm厚石英砂。在土壤优先流区，先在预定位置处插入用3d打印技术得到的水溶性聚乙烯醇树杈型孔隙、倒l型孔隙、圆柱型孔隙、s型孔隙等，用小漏斗往管道中填装一定量石英砂并使之形成孔隙，待孔隙形成后抽出上述管道，少量多次均匀填装5kg土壤并压实，然后在土壤上方填装3cm厚石英砂。
22.用h2so4:hno3摩尔比(2:1)配制ph为4.5的酸雨，按天津年均降雨量500mm计算，则该装置日均降雨量为110ml，实验周期28天，流量为5ml/min。
23.实验结束后，采用急速冷却逐层剥离的方法获得土壤优先流区和基质流区土壤。即将装置置于液氮中快速冷却后，用不锈钢片将土壤分区取出，然后利用小型钢片以空隙石英砂为中心将土壤逐层分割以获得不同微区域土壤样品。
24.土壤样品采集后可借助高通量测序和傅里叶变换离子回旋共振质谱等技术，分析测定土壤中微生物丰度和可溶性有机物分子特征等参数。通过对比上述参数，分析酸雨对土壤优先流区中微生物及土壤有机质的影响。
25.最后，还需要说明的是，尽管上面已经通过本申请的具体实施例的描述对本申请进行了披露，但是，应该理解，本领域技术人员可在所附方案的精神和范围内设计对本申请的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本申请所要
求保护的范围内。


技术特征：
1.一种土壤优先流区模拟研究装置和方法，其特征在于，利用水溶性材料聚乙烯醇3d打印模拟土壤孔隙形成优先流区，用于分析环境影响下土壤优先流区中微生物及土壤有机质变化的装置和方法。2.如权利要求1所述的一种土壤优先流区模拟研究装置，其特征在于，所述装置由光纤测氧仪控制端、光纤测氧仪探头、树杈型孔隙、倒l型孔隙、圆柱型孔隙、s型孔隙、出水口、土壤、有机玻璃组成。3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光纤测氧仪型号为microx4&microx4 trace。4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述树杈型孔隙、倒l型孔隙、圆柱型孔隙、s型孔隙由水溶性材料聚乙烯醇3d打印得到。5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述土壤以黑土、潮土和红壤为代表性土壤。6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述有机玻璃长度为0.4米，宽度为0.2米，高度为0.3米，器皿内壁设置6个圆形出水口，这6个圆形出水口分别位于无盖方形有机玻璃的左、右侧靠高度0.05米为处。7.如权利要求1所述的一种土壤优先流区模拟研究方法，其特征在于，所述土壤优先流区和基质流区的待测样品采用急速冷却逐层剥离的方法获得，即将装置置于液氮中快速冷却后，用不锈钢片将土壤分区取出，然后利用小型钢片以空隙石英砂为中心将土壤逐层分割以获得不同微区域土壤样品。

技术总结
本申请提供一种土壤优先流区模拟研究装置和方法，即利用水溶性材料聚乙烯醇3D打印模拟土壤孔隙形成优先流区，分析不同环境条件对其中微生物及土壤有机质影响的装置及方法；其中该装置由光纤测氧仪控制端、光纤测氧仪探头、树杈型孔隙、倒L型孔隙、圆柱型孔隙、S型孔隙、出水口、土壤、有机玻璃组成；土壤样品采集后借助高通量测序和傅里叶变换离子回旋共振质谱等技术，分析测定土壤中微生物丰度和可溶性有机物分子特征等参数。通过对比上述参数，分析不同环境条件对土壤优先流区中微生物及土壤有机质的影响。具有先进、操作方便、不受外部环境限制的特点。部环境限制的特点。部环境限制的特点。


技术研发人员：汪磊 李雨荷 唐雪娇 赵龙飞
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2021.09.18
技术公布日：2021/11/30