土壤钻取采样器类型的研究_贾书刚

吉林农业大学学报　1996,18(1):51～55

JournalofJilinAgriculturalUniversity

土壤钻取采样器类型的研究X

贾书刚　王淑平　姚玉霞　徐　冰

(吉林农业大学土化系　长春130118)

摘　要　笔者根据现有土壤钻取采样器及国内外有关文献,对土壤钻取采样器的结构机理、

动力源和操作方式以及土壤钻取采样器的用途、要求进行了较为系统的分类研究。本文是对

这一问题的首次系统总结,可为土壤钻取采样器的进一步研制及土体钻取领域的进一步发展

提供借鉴。

关键词　土壤采样器　分类　类型

中图分类号　P634.4

StudyontheTypeofSoilSamplers

JiaShugangetal.

(Dept.ofSoilandAgrochemistry,JilinAgri.Univ.,Changchun130118)

Abstract　Thetypeandclassficationofsoilsamplerswerestudiedbyresearch-

ingstructuralmechanism,operationmethods,powersourceanduseofsoilsam-

plers.Basedoncurentsoilsamplersandthedocumentsrelativetothisprob-

lem.

KeyWords:soilsampler;classification;type

有关取土采样器的分类,国内外现有文献尚无报道[2]。本文借鉴现有采样器及国内外

有关文献报道,结合作者在这方面的研究及应用实践,对土壤钻取采样器进行了系统分

类,同时就每一类型的功能特点及使用上的优缺点进行分析,从而提供了相对完整、全面

的土样采集器分类及类型资料。可为今后土体钻取采样器的研制及土体钻取领域的进一

步发展在理论及实践上提供借鉴。

1　结构、机理分类

结构决定功能,结构不同,对土体及土体对钻体的作用机理不同,进而钻体的功能及

性能不同。现按钻体壁的结构、钻头刃口结构、刃口形状及各自作用机理分类如下。

1.1　钻体壁结构分类

1.1.1　光滑表面壁钻　钻体内、外壁均为光滑表面,无凸起、凹陷或其它非光滑表面特X收稿日期:1995-06-30征,多数为内直外楔形,见图1—A。目前国内取土钻几乎都属此类型[3,4]。该类型钻在工作

中靠刃口切(削)开土壤,克服整个吃土深度的内外壁全表面摩擦阻力及切削阻力,使钻体

进入土体,阻力巨大[1],尤其湿润粘性土粘附明显,多产生“推土”,采样几乎不能进行。这

正是原有取土钻不能广泛应用的原因所在。

1.1.2　非光滑表面壁钻　钻壁为非光滑表面,有相对的凸起和凹陷,具非光滑表面特征。

现仅就作者研制的非光没表面壁采样器加以介绍。

1)内凸结构。钻头刃口内壁高于钻筒内壁,相对于钻筒内壁形成内凸,见图1—B。这

种结构可有效减少所取土柱与钻体内壁的接触面积,从而达到有效减小土柱对钻体的摩

擦阻力和切削阻力。同时,这种相对凸凹的非光滑表面还具有减粘脱土作用,利于原状土

柱的保持[1]。

2)外凸结构。锥形钻头锥底高出钻筒外壁,相对于钻筒外壁形成外凸,见图1—B。这

种结构可有效减少外壁与周围土体的接触面积,从而大大减小土体对钻体的摩擦阻力和

和切削阻力,同时也利用钻体减粘脱土[1]。

3)双凸结构。钻头内外壁相对于钻筒内外壁的内凸和外凸构成采样器的双凸,见图

1—B。这种结构具有明显减粘降阻和脱土功能,是采样钻有效克服土体阻力的有效结构,

在取土钻上应用将实现现有土钻的更新换代。

1.2　钻头刃口结构分类

1.2.1　裁口钻　钻头刃口裁口[4],见图2—A。这种结构便于从钻筒内取土,但不利于从

土体中获取原状土样。

1.2.2　开口钻　钻头刃口由两个可开合的半圆筒组成[5],见图2—B。开口时,土柱极易

取出,下钻时,可将活动半片放下,与固定半片相合,并用套环固定。其可获得独立土柱。缺

点是结构相对复杂,加工及取样操作相对繁琐。

图1　钻壁结构

Fig.1.Structureofbore

A　内直外楔形verticalinternalsurface

andwedgeexternalsurface

B　双凸double

eoncave图2　钻头刃口结构

Fig.2.Structureofdrilledge

A　裁口cut　B　开口　open

C　非开口non-open52吉　林　农　业　大　学　学　报1996年1.2.3　非开口钻　钻头刃口一体,非裁口或开口,利于土柱或原状独立土柱的获得。有钻

筒裁口和不裁口两种,如图2—C所示。钻筒裁口利于原状土柱的取出。该结构在新型直

压式手动原状土取土钻上首次使用,效果良好。

1.3　刃口形状分类

1.3.1　平刃口　刃口展开呈一平直线,见图3-A。

1.3.2　倾斜刃口　刃口展开为一抛物线形,见图3-B。该结构钻借高压强的刃口尖端及

斜面克服土体阻力。

1.3.3　旋刀刃口　刃口展开为锯齿状,如图3-C所示。这种结构借助刃口斜面通过下

压旋转减小土体阻力,同时利于对植物根系的切割。但据H.V.Groenewoud研究,平刃口

旋转取森林土壤原状样本效果更好[6]。

图3　刃口展开形状

Fig.3.Formofedgestretched

A　平刃口flatedge　B　倾斜刃口declineedge　C　旋刀刃口rotaryedge

2　操作方式分类

操作方式不同,采样器入土需克服土体的阻力及获得土样的质量效是也不同,据此可

分以下3种类型。

2.1　直压式

采用垂直稳压的方式使采样器进入土体[1,2,4],操作主过程不存在水平方向的旋转和

垂直方向的重力(或加速)冲击。该类土钻操作简单,不易造成土体压实变形,利于原状土

柱的获得及保持。但其特点是不利于克服土体阻力。故采用此操作方式的采样器必须以

能有效克服土体阻力为前提。属于此类的采样器有直压式裁口钻[4]、新型直压式手动原状

土取土钻[1,2]及环刀[2,3]。

2.2　螺旋式

采用直压旋转方式,利用斜面原理减小或克服土体阻力。又可分为导轨螺旋式和非导

轨螺旋式两类。

2.2.1　导轨螺旋式　采样器钻头(筒)或钻杆具有螺纹构造,工作中借助螺纹结构产生向

下旋转达到入土目的。导轨螺旋式依导轨介质不同又可分为土壤介质导轨和具螺纹咬合

关系的器械螺纹导轨。土壤介质导轨螺旋式采样器包括有麻花钻[3]和钻筒外壁螺纹导轨

钻(如熊毅开口钻)[5]。麻花钻与木工钻相似,可有效入土,但取钻十分困难。熊毅开口钻因土壤非致密物的特殊性,土钻入土和取钻操作困难,效果不佳。器械螺纹导轨[2,6]依赖钻筒

或钻杆上的螺纹构造,通过与工作基板的螺纹咬合关系很好地解决了土壤非致密物不利53第18卷　第1期贾书刚等:土壤钻取采样器类型的研究于导轨的难题,斜面充分发挥作用,有效克服土体阻力,取样容易。该类型钻对于多根系土

壤原状土取样及致密板结土壤取样具有其它类型采样器无可比拟的优点,可基本实现一

切非石质土壤取样。但其工作基板往往较大和沉重,这给它的应用造成一定困难。

2.2.2　非导轨螺旋式　钻体上不具有钻进螺纹构造,钻筒平直,操作中借助钻头(旋刀)

刃口的旋转切割达到降低入钻阻力的目的。该类采样器手动操作较复杂困难,但因能相对

减小土体阻力,被广泛采用。螺旋裁口站[3,4]属于此类型。

2.3　重力锤击式

借助外力锤击或自身重力冲击,使采样器克服土体阻力进入土体。该类型采样器可有

效克服土体阻力,使较硬土质甚至冻土采样成为可能。洛阳铲[3]、多石质土壤取样器[7]属

于此类型。

3　动力源分类

按操作力源不同,采样器可分为两类。

3.1　手动取土钻

以人体手或足动力为其操作力源,不借助机械动力[1,2,8]。该类型采样器具有结构简

单,重量轻,操作、携带方便,使用不受地形、能源、交通条件限制等特点,是目前应用最广

泛的采样器。国内几乎所有采样器均属此类型。

3.2　机械动力采样器

以机械动力为操作力源,主要靠液压(气压)、机械直接传动等方式使采样钻体进入土

体[9,10,11]。该类型采样器在设计上克服土体阻力方面退居次要位置,更主要的是要能减粘

脱土。该类型采样器较适合于平原区使用,若能真正解决减粘脱土问题,则可获取较大的

柱状原状土标本。它应作为我国未来采样器发展的方向。

4　用途、要求分类

土壤钻取采样器按用途、要求可分成若干类型,常见的有以下几类。

4.1　表(耕)层土壤采样器

专门用于采集表(耕)层土壤的工具,其采样深度为0～20cm或15cm。它的广泛应用

可避免锹采样造成的人为上下土层不匀及采样过程过于繁琐等特点,从而增加耕层土样

的典型性和代表性。作者设计试制的土壤耕层采样器集采样、贮样及运移于一体,效果良

好,在完成实地布点的同时即完成采样工作[2]。

4.2　剖面采样器

用于获取要求深度剖面土样,即可取要求深度的继承(完整)剖面土样,又可取任意深

度范围内的土样。该采样器在设计上要求有较小的土体阻力或能有效克服土体阻力,以保

证取样成为可能。同时还要求能保持原状土柱,满足土壤剖面观察、描述及分析要求,另外

采样钻顺利脱土也十分重要,它关系到采样器的使用质量及使用效率。作者研制的新型直

压式手动原状土取土钻是目前最适用的一种剖面采样器[1,3]。

4.3　淹水土壤采样器

用于淹水土壤,如水稻土、沼泽土等取土。淹水土壤剖面挖掘和观察是土壤调查中最54吉　林　农　业　大　学　学　报1996年棘手的事,若水稻生长或表面积水季节难度更大。淹水土壤采样钻自取土钻产生以来就为

土壤调查工作者所重视[12,13],但直至目前为止尚无令人满意的取土钻。淹水土壤采样器

要求具有明显的减粘脱土功能。新型直压式手动原状土取土钻在水稻土上获取剖面原状

土样效果良好[1],可满足野外剖面观察描述及室内物理、化学分析的需要。

4.4　其它特殊用途采样器

用于土壤微生物区系研究的采样器[14],多石质土壤采集器[7],森林土壤采样器[2,6]

等。

5　结　语

1)目前采样器数量、种类繁多,但绝大多数处于搁置状态,究其原因,主要在于土体

阻力。土体阻力决定采样器生命力,故克服土体阻力是当前一段时间研究的重点。

2)双凸结构可有效克服土体阻力、减粘脱土,使剖面原状土及淹水土壤原状土取样

成为可能。但双凸仅仅是非光滑表面的一种简单特例,其它非光滑表面是否更有益于钻体

减粘降阻和脱土,有待进一步发掘和探讨。

3)各种结构类型及操作方式的合理搭配组合,可望获得更加理想的取土钻。

参考文献

1　贾书刚等.新型直压式手动原状土取土钻的设计及应用.土壤学报,1995,32(1):108～111

2　JiaShugangetal.NewSeriesofSoilsamplersandTheirApplication.Pedosphere,1995,5(2):179～182

3　贾书刚等.取土钻的现状、发展及未业.吉林农业大学学报,1993,15(4):63～66

4　山东农学院.简易平板仪、诊断取样土钻、土壤水分测定箱.土壤,1977,(5):259～261

5　熊　毅等.开口钻的设计.土壤学报,1967,4(2):197～199

6　GroenewoudHV.MethodesandSamplersforobtainingUndisturbedSoilSamlesintheForest.SoilSei,1960,