本发明属于环境科学和环境工程，具体是涉及一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台。
背景技术：
1、汞是一种常温常压下呈液态的有毒有害重金属，具有很高的蒸汽压，广泛分布于大气、水体、岩石、土壤和生物体等地球表生环境中，能够对生态环境和人体健康造成很大的风险。汞的生物地球化学循环过程非常复杂，受制于汞测量技术的发展，目前关于汞在环境大气-水体-植被-土壤等重要迁移转化过程无法进行定性或者定量测量，尤其是在揭示降雨中的汞在土壤内的迁移分配过程存在以下难点：
2、(1)在降雨进入土壤并形成径流输出的过程中，径流中的汞实际上是由降雨中的汞、土壤中的有机结合态的汞以及部分受水流冲刷的颗粒态汞组成，因此仅监测径流输出过程无法明确降雨汞中的贡献；
3、(2)降雨中的汞残留在土壤后，会在土壤中通过光还原、微生物及有机质介导的暗反应等过程转化为气态汞的形式再次释放到大气中，而常规的地气通量监测也无法区分降雨汞在气态汞中的比例。
4、而随着近年来汞及其同位素稀释和预富集以及测量技术的发展，可以实现对环境样品中痕量汞及其同位素进行精确的定量和组成分析。因此，需要通过开展各种特定生态系统和气候环境的控制实验，才能非常好地研究降雨中汞在特定气候和环境下的循环机制。相较于传统实验室小型装置模拟环境要素过于简单、不够贴近自然环境条件、野外现实系统复杂不可控制、难以开展各种复杂过程和对比实验的局限等不足，基于不同的生态系统原位搭建的全过程控制平台不仅更贴合实际环境，而且可全程控制降雨输入量以及降雨中汞的浓度，甚至是降雨中汞的同位素组成。然而，由于缺乏原位的全过程控制平台，如何精确地、无损害地、更加贴近自然环境条件地开展降雨汞的示踪实验一直没有进展，极大地限制了对汞的环境过程和生物地球化学循环的研究和认识。
5、目前人工模拟降雨过程的实验装置主要用于水土保持方面的研究，主要是通过搭建庞大且复杂的室内降雨大厅，重点研究土壤侵蚀及不同类型土壤的水分涵养能力等，很少有研究以人工模拟降雨的实验装置探究降雨中汞随土壤径流的迁移。人工模拟降雨系统(图1)主要有泵源系统1-1、降雨系统1-2和调试系统1-3组成，泵源系统1-1包括过滤器一1-10、泵1-11、电机1-12、过滤器二1-13、流量计1-14、压力传感器1-15、调压阀1-16、安全阀1-17，通过对供水压力、喷头类型及数量的控制来调节降雨强度。泵源系统1-1中变频电机的转速及安全阀1-17的压力的调节能够为降雨系统提供持续稳定的水源，通过调节调压阀1-16和压力传感器1-15保证供水系统的压力。降雨系统1-2主要由多个阵列的喷头1-18、支管路及电磁开关阀1-19组成；通过电磁开关阀自动控制喷头开关，调整降雨量的大小。调试系统1-3主要由放气阀1-20、电磁开关阀及背压节流阀1-21组成，主要负责降雨系统的初始调试，以保证实验期间降雨强度的稳定。
6、传统的降雨汞随土壤径流的迁移环境过程模拟和控制实验主要还是通过小型的实验装置进行(图2)，土柱实验是目前被广泛应用于模拟土壤内部物质化学过程及溶质运移过程的小型实验装置。土柱装置主要由供水装置2-1、土柱渗流柱体2-2及淋滤液接收装置2-3三个部分组成，其中供水装置常用马氏瓶2-10提供恒定水头和进水流速，当流速精度要求高时也会采用蠕动泵2-11抽取储水桶2-12的水或人工降雨模拟器2-13等装置供水。土柱渗流柱体2-2由柱体2-14、采样口2-15和接水口2-16组成，一般会在土柱顶部和底部铺垫石英砂2-17，保证土柱顶部布水均匀并防止土壤颗粒堵塞底部接水口。在采样过程中，当土柱淋滤速度慢且需要长期监测时，可通过采样口直接收集淋出液；而土柱淋滤速度较快且观测短时间内的动态变化时，需要借助自动收集器2-18可快速采集以分、秒为单位产出的淋出液；淋滤液接收装置2-3包括采样瓶2-19、自动收集器2-18，自动收集器2-18上具有接水口。
7、现有的人工模拟降雨装置由于重点关注水土侵蚀过程，其设计之初要保证雨滴动能、雨滴直径、雨滴降落终点速度等参数尽可能与自然降雨相似，人工模拟降雨装置需要大功率的电源以配备相应扬程的水泵提升降雨高度至7m以上，才能确保雨滴达到其相应的终点速度。同时，人工模拟降雨装置为保证降雨过程会产生地表径流，人工模拟降雨装置控制的降雨强度较高，一般在10-300mm/h之间，不仅远超正常降雨强度，而且一场模拟降雨试验所需水量极大，野外环境可能无法提供足够水量补给。因此建设室内的人工模拟降雨装置的工程量大，建设成本高，难以满足在各种实验环境和气候条件下的灵活应用。此外，基于人工模拟降雨搭建的径流平台为了满足多种坡度下的可操作性，往往采用非原位土填充土槽。当关注的重点在于土壤对降雨汞的吸附解析等过程的影响时，土壤结构被破坏后是否仍然能够代表原位土壤中的反应是不确定的。最为关键的一点是，由于汞特殊的物理化学性质，很容易被各种金属和塑料制品吸附，因此开展环境汞控制实验的装置需要特氟龙和硼硅玻璃等非吸汞材料，而目前的大型人工降雨平台往往是钢制结构，在模拟降雨中的汞沉降过程中，难以控制系统空白，增加了实验过程的不确定性。
8、虽然土柱实验是研究者们最常选择的用来模拟降雨对土壤重金属淋滤的实验研究方法之一，但是土柱的材质、尺寸等都会显著影响降雨过程对土壤中重金属淋滤的过程。尽管可以采用原位土装填土柱，但是可能存在采样工具压实或碰撞破坏土壤孔隙度的现象，造成土柱内部的破裂，影响水分运输，产生优先流和侧壁流，不利于实验的重现性。此外，由于难以保证土壤在野外长期实验中不受人为或其他外界因素的干扰。目前绝大多数针对土壤重金属的研究为室内小型土柱模拟实验，所采用的土柱长度不超过60cm，直径不超过20cm，缺乏针对土壤重金属的室外大型土柱。而由于汞独特的物理化学性质，对小型土柱模拟实验做局部有限的土壤汞通量控制实验时，大气混匀度比较差，容易收到外界环境条件变化，如温度和光照的影响，从而导致汞通量箱内的汞浓度波动很大，增加了测量结果的不确定性。
9、综上所述，现有的降雨模拟平台和土柱实验装置只能在实验室进行模拟和条件实验，无法满足原位实验现场的自然过程研究，因此亟需研发一种能满足野外现场降雨汞在土壤中迁移过程的实验平台和装置。
技术实现思路
1、(一)要解决的技术问题
2、本发明主要针对以上问题，提出了一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其目的是解决传统实验条件下难以在自然环境中准确模拟和测量降雨中汞的迁移和再释放过程的问题。现有的模拟降雨装置和土柱实验虽然能够模拟某些环境过程，但无法全面模拟自然条件下的复杂互动，且难以控制降雨汞的准确测量和追踪。
3、(二)技术方案
4、为实现上述目的，本发明提供了一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，包括天然降雨收集子平台、汞标记子平台和示踪子平台，其中：
5、所述天然降雨收集子平台设置在整个控制平台的最高点，包括悬空的接雨板，所述接雨板上端开口、四周封闭，下端设置有汇水槽；
6、所述汞标记子平台包括收集用储水箱和标记用储水箱，所述收集用储水箱通过引流管与所述汇水槽连接，所述标记用储水箱与所述收集用储水箱通过引流管连接；
7、所述示踪子平台包括模拟降雨区，在所述模拟降雨区搭建预设高度的挡雨板，所述挡雨板下方铺设多排滴灌管路，多排所述滴灌管路通过引流管连接所述标记用储水箱；在所述模拟降雨区中，所述示踪子平台侧端出口处的不同深度设置第一径流收集槽，不同深度设置的所述第一径流收集槽分别连接至对应的第一收集桶，所述示踪子平台在所述模拟降雨区内设置有多个地气通量箱，多个所述地气通量箱通过特氟龙管路分别连接至仪器控制室，监测土壤中汞的释放。
8、进一步地，所述接雨板和所述挡雨板均由透光的亚克力材质制成，所述接雨板尺寸为所述挡雨板的2-3倍。
9、进一步地，在所述汇水槽的出口处布设有格栅过滤装置。
10、进一步地，所述汇水槽的出口处还设置特氟龙材质的滤膜。
11、进一步地，所述汞标记子平台还包括两个流量计水阀，其中一所述流量计水阀设置在所述收集用储水箱出水口，用于控制进入所述标记用储水箱的水量；另一所述流量计水阀设置在所述标记用储水箱出水口，用于控制进入所述滴灌管路的水量。
12、进一步地，所述标记用储水箱的出水口高于所述示踪子平台二米以上。
13、进一步地，所述示踪子平台还包括对照区，在所述对照区中，所述示踪子平台下端出口处的不同深度设置有第二径流收集槽，不同深度设置的所述第二径流收集槽分别连接至对应的第二收集桶。
14、进一步地，所述示踪子平台还包括缓冲区，所述缓冲区位于所述模拟降雨区和所述对照区之间。
15、进一步地，所述示踪子平台边界处设有向土壤插入1.5米深的隔水铝塑板。
16、进一步地，所述天然降雨收集子平台和所述示踪子平台与地面倾斜设置。
17、(三)有益效果
18、与现有技术相比，本发明提供的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，通过整合天然降雨收集、汞标记以及示踪系统，实现了降雨汞在土壤中的准确追踪和监测。首先，天然降雨收集子平台捕捉自然降雨，并通过汞标记子平台对收集到的雨水进行汞同位素标记，这使得降雨中的汞可以在后续的土壤迁移和释放过程中被精确跟踪。示踪子平台则模拟降雨，通过滴灌系统控制降雨量，并监测土壤径流和地气通量箱中汞的动态变化。这种设计不仅允许实验在更接近自然的气候环境下进行，还通过地形差异消除了对高功率电源的依赖，并使用非吸汞材料如特氟龙减少系统误差，提高了实验的准确性和重现性。因此，本平台能够在野外现场条件下，全面、准确地模拟和研究降雨汞在土壤中的迁移和再释放过程，极大地提升了环境汞研究的深度和广度。
1.一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，包括天然降雨收集子平台、汞标记子平台和示踪子平台，其中：
2.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述接雨板和所述挡雨板均由透光的亚克力材质制成，所述接雨板尺寸为所述挡雨板的2-3倍。
3.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，在所述汇水槽的出口处布设有格栅过滤装置。
4.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述汇水槽的出口处还设置特氟龙材质的滤膜。
5.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述汞标记子平台还包括两个流量计水阀，其中一所述流量计水阀设置在所述收集用储水箱出水口，用于控制进入所述标记用储水箱的水量；另一所述流量计水阀设置在所述标记用储水箱出水口，用于控制进入所述滴灌管路的水量。
6.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述标记用储水箱的出水口高于所述示踪子平台二米以上。
7.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述示踪子平台还包括对照区，在所述对照区中，所述示踪子平台下端出口处的不同深度设置有第二径流收集槽，不同深度设置的所述第二径流收集槽分别连接至对应的第二收集桶。
8.根据权利要求7所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述示踪子平台还包括缓冲区，所述缓冲区位于所述模拟降雨区和所述对照区之间。
9.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述示踪子平台边界处设有向土壤插入1.5米深的隔水铝塑板。
10.根据权利要求1所述的一种追踪降雨汞在土壤迁移过程的控制平台，其特征在于，所述天然降雨收集子平台和所述示踪子平台与地面倾斜设置。
