CN101187658B - 一种测定作物活体生物量变化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定作物活体生物量变化的装置。该装置包括恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置，微孔容器，栽盆和称量设备；恒定水压供水装置能以恒定的水压向外供水，自动控制进水装置能够自动控制向恒定水势溶液的输水量，保证其水势恒定；半透性材料控水装置是一个以半透性材料为主要功能部件的装置，它实现恒定水势溶液和封闭水体之间的水交换，微孔容器的表面有许多微小孔径的孔，可以透水，但进气值较低，实现封闭水体和土壤之间的水交换，栽盆用于栽培作物，称量设备用于称量作物的重量变化。该装置能在恒定土壤水势的条件下精确测定作物活体生物量的变化，广泛适用于农业以及科研领域。

Description

一种测定作物活体生物量变化的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测定作物活体生物量变化的装置。属于农业科学研究领域。

背景技术

在农业科学研究中，经常需要对作物进行某种处理，把生物量的变化作为一种指标，来分析研究该处理对作物生长的影响，这时就需要测定作物的生物量。作物的生物量包括两个部分，一部分是地上部分的茎叶花果实种子，另一部分是地下部分的根(地下根或地下茎)。按照常规的方法，在实验室条件下，为了研究某种处理对作物生物量变化的影响，需要进行大量的盆栽试验，在试验过程中，需要在作物的不同的生育阶段将作物苗挖出，去除土进行称重(干重或鲜重)来研究该处理对作物生物量的影响。不难看出，这种试验方法存在一定的问题，①试验规模较大，为了研究某种处理在不同生育阶段对作物生物量的影响，需要在不同的生育阶段挖出作物苗称重研究，因此需要种植较大群体的作物苗来满足试验要求；②工作量较大，为了研究某种处理对作物活体生物量在全生育期的变化规律，需要在不同生育时期进行取样称量，加之试验规模较大，工作量随之就很大；③通过这种方法来研究作物生物量的变化规律，其结果是用统计方法得到的，不能得到单株作物生物量生长便化的曲线，为了使结果更具有代表性，试验种植规模和工作量就越大；④这种试验方法不能将作物的所有生物量测定出来，其中地下部分的根就很难完全取出称量；⑤这种研究方法不能自动、连续、简单地实现作物活体生物量变化的测量。

在对作物活体生物量变化的研究中，目前尚没有能够自动、连续、简单地研究作物活体生物量变化的装置。

发明内容

本发明旨在提供一种能精确测定作物活体生物量变化的装置。主要利用半透性材料和具有恒定水势的溶液来控制土壤水势恒定，进而保证土壤含水量稳定，在此条件下栽盆重量的变化就是作物活体生物量的变化。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，该装置包括恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置，微孔容器，栽盆和称量设备；恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置均设有进水口和出水口，微孔容器设有进水口；恒定水压供水装置的出水口连接自动控制进水装置的进水口，自动控制进水装置的出水口连接半透性材料控水装置的进水口，半透性材料控水装置的出水口连接微孔容器的进水口，微孔容器置于栽盆中，栽盆置于称量设备上，其中：

恒定水压供水装置为一装水容器，该装置能以恒定的水压向外供水，如马力奥特瓶。

自动控制进水装置为一盛装恒定水势溶液的容器，溶液不充满整个容器，除溶液以外部分装有空气，该部分空气处于封闭状态，气压恒定；该装置能够自动控制向恒定水势溶液的进水量，保证其体积和浓度的恒定；

半透性材料控水装置为一盛装液体的容器，通过设于容器中部附近的半透性材料将容器分成两个腔体，分别设有进水口和出水口，与进水口连接的腔体内装有恒定水势溶液，与出水口连接的腔体内装有水。半透性材料指的是那些允许溶液中的溶剂分子自由透过，而溶质不能透过的材料，如动物的膀胱、肠衣、细胞膜和利用外加压力净水的膜等。本发明半透性材料优选为反渗透膜或半透膜。

微孔容器为一装水容器，容器壁上有许多孔径微小的孔，可以用来透水，但不能透过空气和土壤。该装置直接和土壤接触，土壤散失的水分都是通过这个微孔容器补给的。本发明微孔容器优选为微孔陶瓷容器。其微孔直径在250-800微米范围内，该微孔陶瓷容器在其容器壁被水饱和时不能透过空气，其进气值较低，在0.3-0.6MPa范围内。进气值：当对水分饱和的多孔陶瓷板的一侧增加气压到一定值时，陶瓷板开始排水，但空气不能透过陶瓷板，此时陶瓷板的基模吸力(与陶瓷板两面的气压差对应)定义为进气值。

微孔容器壁和半透性材料之间的水处于封闭状态，形成一个封闭水体。

栽盆为一上端开口，侧面和底部封闭的不漏水容器，用于装填土壤和栽培作物。

称量设备用于称量置于其上的设备，包括微孔容器，栽盆以及作物等的重量，具有较高的精度和较大的称量范围。

进一步，上述恒定水压供水装置靠近出水口附近设有进气口，该进气口位于水面以下，在整个装置工作时处于打开状态；进水口在整个装置工作时处于关闭状态。注水时，先封闭下端的出水口和进气口，然后打开上端的进水口注水；至一定量后，先关闭上端的进水口，然后打开出水口供水，最后打开进气口，即可实现恒定水压供水。在工作期间需要注水时，先将出水口和进气口封闭，接着打开进水口注水，注水结束后，先关闭进水口，再打开出水口，最后打开进气口。该装置的工作原理简述如下：水压的计算公式P＝ρ×g×h中，ρ为水的密度1000kg/m³，g为重力加速度约9.8m/s²，h为该装置进气口到自动控制进水装置的滴水管出口间的竖直高度(m)。因此在该装置使用过程中，只要保持h的大小不变，即保持该装置和自动控制进水装置间的相对位置固定，该装置就能以恒定的水压向自动控制进水装置供水。

上述自动控制进水装置的进水口向装置内腔延伸进去一段，形成一个悬置于装置内腔的滴水管，可以形成水滴。该装置的工作原理简述如下：当该装置向半透性材料控水装置供水时，该装置中的恒定水势溶液减少，液面下降，使得液面上部的封闭空气体积增大，压强减小，于是滴水管开始滴水，液面逐渐升高，直至空气压强恢复到初始水平为止，此时液面上升到初始高度，空气体积恢复到初始体积，恒定水势溶液的体积，浓度，水势等数值均保持不变。

上述恒定水势溶液用高分子量、化学性质稳定的物质配制，其浓度和水势具有一一对应关系，可以计算或测定。如聚乙二醇(PEG)，水势通过下述公式进行计算，

_PEG＝1.29×[C_PEG]²×T-140×[C_PEG]²-4×[C_PEG]，

_PEG：水势(bar)，T：温度(℃)，C_PEG：聚乙二醇浓度(g/g)，水势误差在5％以内。根据上述公式可以计算欲控制土壤水势的水平，上述公式适宜的PEG浓度范围为0-0.8g/g，适宜作物生长的PEG浓度范围是0-0.3g/g。

上述各装置之间的连接方式均为使用橡皮管连接。

更进一步，作为本发明装置的一种简化，上述自动控制进水装置和半透性材料控水装置用于盛装恒定水势溶液的腔体共用同一个容器。或者说自动控制进水装置同时充当半透性材料控水装置用于盛装恒定水势溶液的腔体。

与现有的研究作物活体生物量变化的装置相比，本发明的优势在于：

1.本发明装置能够将作物地下部分重量变化准确地称量出来，传统的方法就有难度；

2.本发明装置能够连续跟踪研究作物生物量动态变化；

3.本发明装置能使试验规模得到有效的控制，比起传统方法来说小多了；

4.本发明装置能使试验工作量大大减少，与传统的方法比较，减少了浇水挖取地下部分等的工作量；

5.本发明装置节省了财力物力人力，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例各功能部件连接示意图

图2是本发明实施例恒定水压供水装置示意图

图3是本发明实施例自动控制进水装置示意图

图4(a)是本发明实施例半透性材料控水装置立体结构图

(b)是本发明实施例半透性材料控水装置侧视结构图

图5是本发明实施例自动控制进水装置和半透性材料控水装置简化结构示意图

图6是本发明实施例自动控制进水装置和半透性材料控水装置简化结构立体图

其中：

1-恒定水压供水装置

2-自动控制进水装置

3-半透性材料控水装置

4-微孔陶瓷容器

5-栽盆

6-作物植株

7-称量设备

11-进水口    12-水面      13-进气口

14-出水口    21-进水口    22-滴水管

23-液面      24-出水口    31-夹板

32-螺钉孔    33-螺钉      34-反渗透膜

35-进水口    36-出水口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如附图1所示，本装置由恒定水压供水装置1，自动控制进水装置2，半透性材料控水装置3，微孔陶瓷容器4，栽盆5和称量设备7组成。

如附图2所示，恒定水压供水装置1是一个圆柱形的装水容器，上端设有进水口11，下端设有出水口14，出水口14通过橡皮管连接自动控制进水装置2的进水口21，靠近出水口14设有进气口13，进气口13位于水面12以下，在正常使用过程中进水口11处于关闭状态，进气口13处于开启状态。该装置能以恒定的水压向外供水。注水时，先封闭下端的出水口14和进气口13，然后打开上端的进水口11注水；至所需的量后，先关闭上端的进水口11，然后打开出水口14，最后打开进气口13，即可实现恒定水压供水。在工作期间需要注水时，先将出水口14和进气口13封闭，接着打开进水口11注水，注水结束后，先关闭进水口11，再打开出水口14，最后打开进气口13。该装置的工作原理简述如下：水压的计算公式P＝ρ×g×h中，ρ为水的密度1000kg/m³，g为重力加速度约9.8m/s²，h为该装置进气口到自动控制进水装置的滴水管出口间的竖直高度(m)。因此在该装置使用过程中，只要保持h的大小不变，即保持该装置和自动控制进水装置2间的相对位置固定，该装置就能以恒定的水压向自动控制进水装置2供水。

如附图3所示，自动控制进水装置2是一个圆柱状的盛装恒定水势溶液的容器，上端设有进水口21，进水口21通过橡皮管连接恒定水压供水装置的出水口14，进水口21向装置内腔延伸进去一段，形成滴水管22，用来形成水滴，液面23位于容器中部上下；其上方区域A装有封闭空气，气压恒定，下端设有出水口24，出水口24通过橡皮管和半透性材料控水装置3的进水口35相连。该装置能够自动控制向恒定水势溶液的进水量，保证其体积和浓度恒定，进而保证恒定水势溶液的水势恒定。该装置的工作原理简述如下：当该装置供水时，该装置中的恒定水势溶液量减少，液面下降，使得液面上部的封闭空气体积增大，气压减小，于是滴水管开始滴水，液面逐渐升高，直至空气压强恢复到初始水平为止，此时液面上升到初始高度，空气体积恢复到初始体积，恒定水势溶液的体积，浓度，水势等数值均保持不变。

上述恒定水势溶液由化学性质稳定的物质配制，如氯化钠之类的强电解质或聚乙二醇之类的高分子物质均可。该溶液的水势和溶液的浓度一一对应，可以通过计算或者测量得到。以聚乙二醇(PEG)为例，水势可通过下述公式进行计算，

_PEG＝1.29×[C_PEG]²×T-140×[C_PEG]²-4×[C_PEG]，

_PEG：水势(bar)，T：温度(℃)，C_PEG：聚乙二醇浓度(g/g)，水势误差在5％以内。根据上述公式可以计算欲控制土壤水势的水平，上述公式适宜的PEG溶液的浓度范围是0-0.8g/g，适宜作物生长的PEG浓度范围是0-0.3g/g。

如附图4所示，半透性材料控水装置3是一个近似于球形的盛装液体的容器，容器中部设有反渗透膜34，反渗透膜34通过支撑板31夹持固定并和整个容器密封，支撑板31的中间被挖掉形成一个空洞以便溶液通过，支撑板31之间通过螺钉33固定。反渗透膜34将整个装置分成C和D两个独立腔体。C腔体设有进水口35，和自动控制进水装置2的出水口24连接，该腔体内装有恒定水势溶液，D腔体设有出水口36，和微孔陶瓷容器4的进水口连接，该腔体内装有水，从反渗透膜34到微孔陶瓷容器4之间的这一部分水体处于封闭状态。反渗透膜34把封闭水体和恒定水势溶液分隔开，成为两者之间水交换的介质，水分子可以自由透过，恒定水势溶液中的溶质分子则不能透过。本实施例使用的反渗透膜的型号为PA1-4040，在大约1Pa的压力条件下，反渗透膜34的透水能力是1.2255m³/m²/h。

微孔陶瓷容器4是一个圆柱形的装水容器，其容器壁被水饱和，容器壁上有许多孔径在250-800微米范围的微孔，进气值较低，在0.3-0.6MPa范围内，在压力差很小的情况下就可以排出微孔陶瓷容器壁的水。该装置和土壤直接接触，土壤散失的水分都是通过该装置补给的。

栽盆5是一个侧面和底部密封良好，不漏水的柱状容器，上端开口，能盛装土壤和栽培作物6；

称量设备7用来监测作物活体重量的变化过程，称量精度较高，最小称样量是1g，最大称量值为60kg。整个栽盆、栽盆内的土壤、微孔陶瓷容器4及微孔陶瓷容器内的水、植株的重量都加在称量设备上，发生变化的只有作物活体重量。

使用本发明装置时，首先将微孔陶瓷容器4和半透性材料控水装置3连接，并在微孔陶瓷容器4和半透性材料控水装置3的装水腔体中装水。为了能使装置更好地工作，装水时应尽可能地排出封闭水体中的空气，最好在水下完成安装。这一段封闭水体需要承受一定的负压，所以应做好密封工作。在装水结束后，用橡皮管连接自动控制进水装置2的出水口24和半透性材料控水装置3的进水口35。从自动控制进水装置2的进水口21处加注恒定水势溶液，直到液面23上升至自动控制进水装置2的中部左右。然后在恒定水压供水装置1中装水，完成后封闭进水口11和进气口13，用橡皮管把出水口14和自动控制进水装置2的进水口21连接，之后打开进气口13，这样就完成了主要功能部件的连接。最好标明液面23的位置，作为该液面的初始高度记录。此时将微孔容器4安装在栽盆5中，按一定的容重装填土壤，过一段的时间就可以在栽盆5里移栽作物植株6，由于移栽的作物苗根部带土，因此宜静候一段时间使这一部分土壤也参与水势平衡之后再开始使用称量设备7称量栽盆5的重量，以后栽盆的重量变化就是作物活体生物量的变化量。

值得说明的是，尽管加在称量设备上的微孔容器上面连接了橡皮管，橡皮管同时连接半透性材料供水装置，但橡皮管和半透性材料供水装置并不加在称量设备上，因此有可能产生这部分装置会引起称量结果不够准确的顾虑。实验发现，这一顾虑是没有必要的，因为在称量过程中，整个装置处于静止状态，这部分装置在两次称量间并没有发生重量变化，因此这部分装置的重量作为系统误差存在，不影响两次称量的差值。

本装置的核心在于恒定土壤的水势，而恒定土壤水势的驱动力来自土壤水势的变化。在使用过程中，由于作物吸收和表面蒸发，土壤的水势有所下降，这时土壤水势和恒定水势溶液的水势之间产生一个水势差，使得微孔陶瓷容器4中的水趋向于经过微孔流向土壤，因此封闭水体中的水量减少，由此产生的负压使得位于反渗透膜34另一边的恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入装水腔体，也即封闭水体，补充封闭水体散失的水分，直到土壤水势和溶液水势相等，水的移动才暂时停止。封闭水体在整个过程中起到了在恒定水势溶液和土壤之间传递水分的作用，同时也起到了将土壤水势变化向恒定水势溶液传递的作用。

当恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入封闭水体时，恒定水势溶液的体积减小，浓度升高，这个微小的体积变化在自动控制进水装置2中体现出来，该装置中的液面23下降，使得液面23上端空气体积增大，空气压强减小，于是自动控制进水装置2上端的滴水管22开始滴水，液面23升高，空气体积减小，压强增大，直至恢复到初始水平。此时恒定水势溶液的浓度和体积均保持不变，溶液的水势也因此保持不变。

正常情况下，土壤的水势等于或小于恒定水势溶液的水势，保证了上述装置能够正常工作，即水从恒定水势溶液通过反渗透膜34流向封闭水体进而通过微孔陶瓷容器4流向土壤。当土壤水势因为某些原因，如土壤所在区域降雨或者过多灌溉等，突然升高而高于恒定水势溶液时，就会发生逆流现象，即土壤中的水分进入微孔陶瓷容器4，封闭水体中的水分进入自动控制进水装置2。若发生逆流现象，应断开连接恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2的橡皮管，等恒定水势溶液液面23恢复到初始高度记录时，再连接该橡皮管，值得注意的是整个过程必须保证恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2之间的相对位置保持不变。

作为对本发明装置的一种简化，自动控制进水装置2和半透性材料控水装置3用于盛装恒定水势溶液的腔体之间的连接方式可以省去，两者共用同一个容器，或者说自动控制进水装置2同时充当半透性材料控水装置3用于盛装恒定水势溶液的腔体，如附图5和6所示。

Claims (9)

1.一种测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，该装置包含恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置，微孔容器，栽盆和称量设备；恒定水压供水装置，自动控制进水装置，半透性材料控水装置均设有进水口和出水口，微孔容器设有进水口；恒定水压供水装置的出水口连接自动控制进水装置的进水口，自动控制进水装置的出水口连接半透性材料控水装置的进水口，半透性材料控水装置的出水口连接微孔容器的进水口，微孔容器置于栽盆中，栽盆置于称量设备上，其中：

恒定水压供水装置为一装水容器，该装置能以恒定的水压向外供水；

自动控制进水装置为一盛装恒定水势溶液的容器，溶液不充满整个容器，除溶液以外部分装有空气，该部分空气处于封闭状态，气压恒定；

半透性材料控水装置为一盛装液体的容器，通过设于容器中部附近的半透性材料将容器分成两个腔体，分别与进水口和出水口连接，与进水口连接的腔体内装有恒定水势溶液，与出水口连接的腔体内装有水；

微孔容器为一装水容器，容器壁上有许多孔径微小的孔，可以用来透水，但不能透过空气和土壤；

位于微孔容器壁和半透性材料之间的水处于封闭状态；

栽盆为一上端开口，侧面和底部封闭的不漏水容器，用于栽培作物；

称量设备用于称量置于其上的设备包括微孔容器，微孔容器内的水，栽盆，栽盆内的土壤，以及作物的重量。

2.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述恒定水压供水装置靠近出水口附近设有进气口，该进气口位于水面以下，在整个装置工作时处于打开状态；进水口在整个装置工作时处于关闭状态。

3.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述自动控制进水装置的进水口向装置内腔延伸进去一段，形成一个悬置于装置内腔的滴水管，可以形成水滴。

4.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述恒定水势溶液由化学性质稳定的物质配制。

5.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述半透性材料控水装置中的半透性材料为反渗透膜或半透膜。

6.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述的微孔容器为微孔陶瓷容器。

7.如权利要求6所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述的微孔容器的微孔直径在250-800微米之间，进气值在0.3-0.6MPa范围内。

8.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，所述的装置之间的连接方式均为使用橡皮管连接。

9.如权利要求1所述的测定作物活体生物量变化的装置，其特征在于，自动控制进水装置和半透性材料控水装置用于盛装恒定水势溶液的腔体共用同一个容器。

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