关于环境检测用土壤取样装置的技术研究

段继英

摘要：土壤是农业生产的主要自然资源，是构成自然环境的主要因素；本文对用于环境检测用的土壤取样装置进行技术研究，在实际应用中可取得良好的效果。关键词：环境检测、土壤取样、技术创新

引言

近些年来，我国经济快速发展带来的环境恶化问题突出。土壤和地下水环境的恶化对我国人民身体健康有着直接影响，因此我国对土壤以及地下水的污染也越来越重视。治理污染土壤以及被污染的地下水，首先要勘查污染区域，界定污染范围，探明污染物所在地层的地质条件，了解污染物在土壤中存在状态。根据调查结果制定治理方案，利用物理、化学和生物的方法进行污染土壤的修复。在土壤修复过程中以及修复工程结束后对土壤中的污染物进行跟踪监测，了解污染治理工程的进度，检验治理的效果。土壤取样作为一项基础工作，对于农田土壤质量环境监测的有序开展具有重要意义。

1.土壤取样的研究背景

1.1土壤取样

土壤取样是指采集土壤样品的方法，包括采样的布设和取样技术。采剖面土样，应在剖面观察记载结束后进行。 在采样前应先将剖面整修、清理，削去最表层的浮土，然后再按层次自上而下逐层从中心典型部位取样。

若要分析土壤中金属含量，则应避免使用金属器具取样。在田间采样时，由于土壤本身存在着空间分布的不均一性，因此应以地块为单位，多点取样，再混合成一个混合样品，这样才能更好地代表取样区域的土壤性状。采样方法一般有以下几种。

1.对角线采样法：适宜于污水灌溉地块，在对角线各等分中央点采样。

2.梅花形采样法：适宜于面积不大、地形平坦、土壤均匀的地块。

3.棋盘式采样法：适宜于中等面积、地势平坦、地形基本完整、土壤不太均匀的地块。

4.蛇形采样法：适应于面积较大地形不太平坦、土壤不够均匀须取采样点较多的地块。

深度视采样目的而定，一般采耕层0-20cm。取混合样1-2kg。如数量太多可用四分法将多余土壤弃去。将所采土样装入布袋或聚乙烯塑料袋，内外均应附标签，标明采样编号、名称、采样深度、采样地点、日期、采集人。用作化学分析（除重金属分析）的土壤样品可用土钻采样，用作容量测定的土壤样品，应用环刀法采样。

1.2土壤采样点

在了解污染源、污染方式以及污染历史和现状的基础上，全面考虑土壤的类型、成土母质、地形、天然植被或农作物等情况安排采样点。如果田块不大、形状规则，可用对角线法和梅花形法；如田块形状不规则，地形有变化,或面积较大,可用棋盘式法或蛇形法。力求采样点的情况能代表主要的土壤类型及其污染程度；同时要采集未受污染的土壤作为对照。污染物在土壤中的分布，既有因距离污染源的远近而引起的水平差异，还有因时间和其他因素的不同而造成的垂直差异，因而还要根据土壤剖面层次分层采集土样。土壤剖面分层要考虑到各类土壤的发生层次，并考虑土壤不同的机械组成、结构、有机质含量等，选择最有代表性的均匀的层次部位采集土样。有时为了完整地反映污染物在剖面中的分布特点，采取连续采样法。例如表层土以每5厘米为一单元分层，心土和底土以每5或10厘米为一单元分层，进行连续采样。一般先取底层土样，再向上逐层取样。

采集土壤样品的时间和数量，视采集的对象和目的而定。如为测定某种农药残留量，要在当年施用这种农药前采集，或者在作物成熟时、与植物样品同时采集。由于研究目的不同，对土壤样品的采集也有不同的要求。如研究土壤物理性质，要求采取原状土样，即所采土样应保持其自然结构和水分状态。研究土壤水分和农作物产量的关系，要求在各个生长期采集深2～3米处的土壤样品。为研究土壤形态特征，要求采样层次间界线清楚，能观察到各发生层的结构、质地、新生体、地下水位等。研究土壤化学性质用的土样，只要求在特征深度处能采到足够数量（如1～2公斤）的样品，而不必保持原来的形状。

1.3土壤采样器

土壤采样器有许多种类。采集农地或荒地表层土壤样品，可用小型铁铲。研究土壤一般物理性质，如土壤容重、孔隙率和持水特性等，可利用环刀。环刀为两端开口的圆筒，下口有刃，圆筒的高度和直径均为5 厘米左右。最常用的采样工具是土钻。土钻分手工操作和机械操作两类。手工操作的土钻式样甚多，有采集浅层土样的矮柄土钻,观察1米左右土层内剖面特征的螺丝头土钻，后者进土省力，尤其适用于观察地下水位变化，但采集土样量小。采集供化学分析或不需原状土的物理分析用的土样时，用开口式土钻。采集不破坏土壤结构或形状的原状土样,用套筒式土钻。机械采土钻由马达带动，使钻体进入一定深度的土壤,然后将土柱提上,平放观察，按需要切割采样。土柱直径可以用不同直径的钻体控制,如5厘米、10厘米或更粗。机械钻效率高，可节省人力，但不及手工钻灵活、轻便。

2.国内外研究情况

取样问题是一个很普遍，但解决起来较为复杂的问题。一个好的取样方案可以用较少的样本量获得较高精度的统计推断。通常而言，无论是在样本独立的假设条件下还是在样本不独立的空间相关假设条件下，取样主要解决如下问题：样本量数、样本布局、样本估计、不确定性衡量、方差等。在空间取样方法中，推断方式主要有二种，一种是基于设计的统计推断，另外一种是基于模型的统计推断。

2.1基于设计的空间取样方法

基于设计的空间取样方法或经典取样方法是将研究区域样本总体看做一组未知的值，除了任何测量误差外，值是不变的。经典的取样模型主要以下几种：简单随机取样、系统取样、分层取样和整群取样。简单随机取样是经典方法中最基本类型，它根据研究对象总体变化和目标精度，计算出样本量，而后从总体样本中随机抽取。当研究对象在研究区域随机分布时，则可通过简单随机方法得到较为可靠的估计值。

2.2基于模型的空间取样方法

空间采样的目的是以样本总体的个体子集为基础，对每个成员都具有地理参考价值或对地理编码的样本总体进行推理。采用的是空间抽样。经典取样方法中研究对象一般不具有空间位置概念，取样时每个对象被分配一个编号以便于区别不同的取样对象，对换任意编号对象并不影响取样结果。

模型的空间取样方法将研究域样本总体看做一些随机模型的一种实现。在样本中存在的随机源出自一个随机模型，即使抽样总体中所有样本全被调査，也还会存在抽样误差，误差来源于模拟随机过程的参数值的不确定性。模型抽样方法通常用于具有较强空间结构规律样点值在空间上分布规律的取样总体抽样前必须预先得到具有随机过程性质的空间结构。

3.目前土壤取样技术的不足

土壤检测是属于环境检测的一项，在进行环境检测时，土壤检测必不可少。土壤检测包括布点采样、样品制备、分析方法、结果表征、资料统计和质量评价等技术内容，布点采样是土壤检测的第一环节也是重要环节，因而土壤取样技术对土壤检测具有重大的影响。现有的土壤取样装置存在取样效率低、无法对土壤进行分层取样的缺点，因此亟需研发一种取样效率高、能够对土壤分层取样的土壤取样装置。

4.环境检测用土壤取样装置的原理

环境检测用土壤取样装置包括：取样管，取样管底端固设有钻头，取样管顶端固设有第一把手，第一把手上活动连接有第二把手，第二把手上固设有连接杆，连接杆上固设有固定架，固定架上固设有铲板，固定架用于将铲板与连接杆连接，取样管内部开设有多个储土腔，储土腔底端固设有隔板，隔板将多个储土腔进行隔开，第一把手上开设有供连接杆移动的第二弧形孔，储土腔上开设有进土口。

环境检测用土壤取样装置的工作原理：在使用的时候，用手抓住第一把手，然后顺时针旋转第一把手，带动钻头顺时针旋转，使得取样管插入土层中，然后抓住第二把手，将第二把手沿着第二弧形孔向第二弧形孔的另一头移动，从而第二把手带动连接杆移动，连接杆通过固定架带动铲板移动，使得铲板与储土腔之间的进土口裸露出来，且铲板从储土腔内延伸出去，与土壤抵触，然后逆时针旋转第二把手，使得移动过后的铲板对土壤进行刮取，土壤沿着铲板进入到储土腔中，最后控制第二把手在第二弧形孔中复位，使得铲板与储土腔重新闭合，避免土壤掉落，然后将取样管取出即可，其中取样管中储土腔有多个，且深度不一，所以通过上述取样管能够对不同深处的土壤进行同时取样，且储土腔之间通过隔板分隔，避免取出的土壤之间产生混合。

在上述环境检测用土壤取样装置中，隔板上开设有供连接杆移动的第一弧形孔。板上设有挡环，挡环面积远大于第一弧形孔的面积，连接杆依次穿过挡环、第一弧形孔。第一把手上固设有横板。横板上固设有胶体套。取样管贯穿连接有支架。支架上固设有墩块。取样管采用不锈钢材料制成。铲板上固设有用来与进土口连接的胶条。钻头下端呈锋利状。

上图1-4中各部位对应的名称：1、取样管；2、钻头；3、第一把手；4、第二把手；5、连接杆；6、横板；7、第二弧形孔；8、支架；9、墩块；10、挡环；11、储土腔；12、固定架；13、铲板；14、胶条；15、进土口；16、胶体套；17、隔板；18、第一弧形孔。

5.环境检测用土壤取样装置的优点

环境检测用土壤取样装置能够同时对多层土壤采样，且土壤分层有序，可以便捷、快速、准确地采集土壤样品,控制取样误差。并且使用简便、安全可靠、振动小、油耗低、作业效率高,大幅减免了土壤取样人员的劳动力。

6.结语

综上所述，本文环境检测用土壤取样装置进行了技术研究，提出改进方案并具体实现，最终得出结论：创新、优化后的环境检测用土壤取样装置可以有效提高采集土壤样品的效率，从而有效保障大幅减免了土壤取样人员的作业。

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