CN101526446B - 用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种特别适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置和该装置的应用方法，该采集器采集准确迅速，对水饱和土壤扰动小。一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，包括真空泵、真空控制器、压力感应器、缓冲瓶、微样品收集器和植物生长箱，所述植物生长箱上设有土壤微溶液采集器，土壤微溶液采集器通过导液管与微样品收集器的接液管相连，微样品收集器通过真空管与缓冲瓶连接，连接微样品收集器和缓冲瓶的真空管上设有真空三通开关，压力感应器设于缓冲瓶上，缓冲瓶通过真空管与真空泵连接，真空控制器分别与真空泵和压力感应器电源连接。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种土壤溶液原位采集装置及其应用，该装置适用于土壤科学、植物营养科学和环境科学中对植物根际化学和土壤溶液化学的研究，特别适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集。
二、背景技术
现有技术中对于土壤溶液原位采样装置，已经有很多，但由于个体大、对土体及根际扰动大等原因，很多不适合于水田根际原位溶液的采集。自从微根际土壤溶液采样器诞生以来，根际原位溶液的研究已经有很多，但这些研究至今为止仅限于旱地，对于水田种植系统来说，存在很大的问题，导致无法开展具体的研究。
相比旱地，水田种植体系中，土壤在绝大多数时间处于淹水饱和状态，将前人运用于旱地研究的装置应用于水田系统后，装置四周均出现漏水情况，这会影响到淹水土体及根际养分迁移、氧化还原等原位状况；另外，适用于旱地的装置系统箱体窄，对于水田作物如水稻这样的须根植物而言，尤其在饱和情况下，过窄的箱体不利于根际和土体间的区分，这些问题均是水田根际原位溶液相研究的重要制约因素。
三、发明内容
技术问题：本发明针对上述技术空白，提供一种特别适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置和该装置的应用方法，该采集装置采集准确迅速，对水饱和土壤扰动小。
技术方案：一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，包括真空泵、真空控制器、压力感应器、缓冲瓶、微样品收集器和植物生长箱，所述植物生长箱上设有土壤微溶液采集器，土壤微溶液采集器通过导液管与微样品收集器的接液管相连，微样品收集器通过真空管与缓冲瓶连接，连接微样品收集器和 缓冲瓶的真空管上设有真空三通开关，压力感应器设于缓冲瓶上，缓冲瓶通过真空管与真空泵连接，真空控制器分别与真空泵和压力感应器电源连接。
上述的一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，包括土壤微溶液采集器，所述植物生长箱为上端开口的单匣箱体，箱体相对的前面板和后面板上设有一一对应的孔阵列，前面板的内侧设有密封膜，土壤微溶液采集器穿过前面板上的阵列孔和密封膜，伸入箱体内。
上述的一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，所述前面板和后面板上设有与孔阵列一一对应的座标代码。
一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置的应用方法，水田植物种植于植物生长箱内一侧，植物根系会向植物生长箱的另外一侧向下延伸，将土壤微溶液采集器插入长有根系的植物生长箱上相应的阵列孔中，设定真空控制器的负压数值，待缓冲瓶内负压稳定后，打开真空三通开关进行采样。所述负压数值为-500hPa。采样时间为5分钟，采样量小于50uL。
有益效果：本发明装置部分组装与拆卸均操作简便、快捷；采样方法中采用经纬法定位准确，适用性广，可以实现水田种植体系内各种植物(如水稻)土壤原位微溶液的迅速、准确地采集；采样器体积小(直径仅有1mm)、采样点小，采样过程中获取采样点周围溶液体积极小，对水饱和土壤扰动小；不仅适用于群根根际溶液采集，更适用于单根根际土壤溶液采集，研究更贴近于大田植物生长的实际情况。样品采集到所需各种养分数据的检出的时间短可以在数分钟内完成。
四、附图说明
图1：本发明整体结构示意图。其中，1，真空控制器；2，电源线；3，真空连接管；4，玻璃导气管；5，缓冲瓶；6，真空泵；7，压力感应器；8，接液管；9，弹性橡胶封套；10，导液管；11，真空收集箱；12，微样品收集器；13，真空三通开关；14，微土壤溶液采样器；15，植物生长箱
图2：植物生长箱前面箱体组合元件。其中，16，前面箱体上小孔的列代码；17，前面箱体上的小孔；18，前面箱体上小孔的行代码；
图3：植物生长箱后面箱体组合元件。其中，19，后面箱体上小孔的列代码；20，后面箱体上的小孔；21，后面箱体上小孔的行代码；
图4：植物生长箱内部结构示意图。其中，22，植物的根；23，后面箱体；24，前面箱体；25，前面箱体内侧上的贴膜；
图5：采样过程示意图；26，土体入渗流；27，根际区横截面28，根际外渗流；29，非根际区横截面
图6：根际土壤原位溶液NH4 +亏缺以及Ca2+富集指数示意图。
图7：获取不同体积根际土壤原位溶液中NH4 +浓度示意图。
五、具体实施方式
实施例1：
如图1所示，两个串联起来的缓冲瓶、真空泵、压力感应器、收集器在使用真空连接管3、玻璃导气管4连接时，连接部位的接缝处，均用真空油脂反复均匀涂抹。真空三通开关13与真空连接管3的连接处均有生胶带包裹后再进行连接。真空泵电源和压力感应器7的信号端分别连接在真空控制器的特定部位，通过真空控制器设定所需负压，当布置在串联缓冲瓶5上的压力感应器7感应到缓冲瓶内负压不足或超过时，真空控制器自动开启或关闭真空泵电源。在采样过程时，打开真空控制器开关并设定好负压数值，待缓冲瓶内负压稳定后，打开真空三通开关13，进行采样。
如图1所示，真空收集箱11内放置有微样品收集器12，它由连盖200ulPCR管替代，一次性使用，收集样品。真空收集箱11上表面固定有接液管8，它与导液管10和微土壤溶液采样器14连接成土壤微溶液传导通路，接缝处有弹性橡胶封套9固定并密封。
如图1所示，植物生长箱是采样两种PVC材料组合而成的单匣上端开口的箱体，内部厚度为14mm(如图4所示)，其前面箱体(如图2所示)是由布满圆孔18的不透明PVC板组成，此圆孔可以布置微土壤溶液采样器，在采样时，前面箱体的内侧要用特种密封膜25密封，防止箱体内的土壤水溶液由圆孔透出；后面箱体(如图3所示)是由透明的PVC板构成，前后两面PVC板之间有弹性密封垫连接，螺丝加固。前面箱体的每个小孔根据所在的行、列(如图2的16、17所示)建立自己的坐标，并且每个小孔在后面箱体的透明PVC板上的投影位置均有描点(如图3的21所示)与之一一对应，并有相同的坐标。有植物种植时，种植部位靠近植物生长箱15的一侧，植物根系则向着植物生长箱另外一侧和向下延伸，需要采集样品时，从植物生长箱后面箱体(如图3或23所示)观察所要采集的某个点位的行列坐标，然后将微土壤溶液原位采样器14从前面箱体(如图2或24所示)相应坐标的孔内植入植物生长箱的后面箱体23内侧(如图4所示)。微土壤溶液采样器的内部结构如图4所示，它分前后两部 分，前部分由长为4mm的多孔材料组成，后部分由不透水材料组成用来传输由前部采来的样品。
实施例2
采用本发明人自有根际土壤溶液原位采集装置进行该方法。首先用水校验植物生长箱箱内各处是否漏水，不漏水的箱体方可应用。为了减少土壤团粒的带来的土体水分和养分的不均一性，本发明采用100目土壤作为土壤材料。土壤材料在充分拌匀肥料的情况下，缓慢注入蒸馏水，静置12小时后墩实，以保证土体均匀，方可栽种植物。选用刚刚萌发的种子进行播种，播种部位靠近植物生长箱的一侧，植物根系则向着植物生长箱另外一侧和向下延伸。采样过程详细结构如图5所示，在植物生长的某个时期，需要采集样品时，从植物生长箱后面箱体观察所要采集的根际或土体某点位的行列坐标，然后将土壤微溶原位采样器从前面箱体相应坐标的孔内植入，植入深度直至植物生长箱的后面箱体内侧表面，然后将微土壤溶液采样器的另外一端用PEEK管连接到样品收集器中。
打开真空控制器待压力控制系统稳定后，打开真空三通开关，微土壤溶液采样器周围溶液就可以通过微土壤溶液采样器和真空管路系统进入样品收集器，从而实现根际土壤溶液的原位采集。本发明使用的条件是采用相对较高负压条件(-500hPa)在短时间内(5分钟)采样，以获取50ul以内(视观测根的直径)体积的溶液样品。样品采集完成后，迅速打开样品收集器取出样品，然后分别采用微pH电极和毛细管电泳仪进行pH值和相关养分的毛细管电泳分析。
采用本发明应用于苗龄为30天的水稻根际土壤溶液原位研究。施入肥料以N(NH4 +)、P、K+计，用量各为150mg/Kg干土，采样点位于水稻根系具有根毛的伸长区，距根尖为5cm，设重复4次。
各样品浓度分析显示，群根根表NH4 +浓度为1.84ppm，亏缺指数(即某点位NH4 +浓度/距单根根表2cm点位NH4 +浓度×100％)为指数为11％；Ca2+群根根表浓度为229.97ppm，富集指数(某点位Ca2+浓度/群根根表Ca2+浓度×100％)为指数为100％。距单根根表不同距离的NH4 +亏缺指数以及Ca2+富集指数如图6所示，单根根表土壤溶液中NH4 +亏缺指数与群根根表类似，亦呈大量耗竭趋势，Ca2+则呈累积趋势。另外，群根根表NH4 +耗竭高于单根根表，Ca2+富集也高于单根根表，可见根系聚集增加了表面NH4 +亏缺趋势和Ca2+的累积趋势。以往的研究都是以在群根体系下取得的结果来指示单根根际养分状况，我们的结果表明这与实际情况相比有所偏高。
应用实例证明，本发明所述根际土壤溶液原位采集方法适用于水田种植系统根际土壤溶液相的原位研究，采样点间相互干扰小，采样精确，不仅适合群根根际研究，更适合单根根际研究。
实施例3
图5所示说明了采样过程中采样点的具体情况，微土壤溶液采样器紧贴根表布置，采集单根或群根根表土壤溶液原位样品。以单根(直径1-2mm)根际(距根表2mm以内)状况为例，如图5所示，根表周围采样点为半圆柱体形状，半圆柱体积计算公式为：根表截面积×根表范围；根表溶液体积计算公式为：根表体积×土壤容重×土壤含水量。
以单根1-2mm，根际范围2mm半径计，则此根表采样区域的体积为：最小，3.14×(5/2)2×5/2＝49.0625mm3。最大为：3.14×(6/2)2×6/2＝84.78mm3。土壤灌水后容重1.18g/cm3。所以根际溶液样品重范围：最小49.0625×1.18×47％＝27.21ul，最大84.78×1.18×47％＝47.02ul。
根据此理论推算值，安排了获取不同体积(50ul、100ul、200ul)的单根根际土壤原位溶液样品的实验，将各体积处理的样品NH4 +浓度进行比较，实验结果如图7所示，结果显示获取体积为50ul的样品最能体现根际土壤养分的梯度变化。
Claims (6)
1.一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，其特征在于包括真空泵(6)、真空控制器(1)、压力感应器(7)、缓冲瓶(5)、微样品收集器(12)和植物生长箱(15)，所述植物生长箱上设有土壤微溶液采集器(14)，土壤微溶液采集器(14)通过导液管(10)与微样品收集器(12)的接液管(8)相连，微样品收集器(12)通过真空管(3)与缓冲瓶(5)连接，连接微样品收集器(12)和缓冲瓶(5)的真空管上设有真空三通开关(13)，压力感应器(7)设于缓冲瓶(5)上，缓冲瓶(5)通过真空管(3)与真空泵(6)连接，真空控制器(1)分别与真空泵(6)和压力感应器(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，其特征在于所述植物生长箱为上端开口的单匣箱体，箱体相对的前面板和后面板上设有一一对应的孔阵列，前面板的内侧设有密封膜，土壤微溶液采集器穿过前面板上的阵列孔和密封膜，伸入箱体内。
3.根据权利要求2所述的一种适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置，其特征在于所述前面板和后面板上设有与孔阵列一一对应的座标代码。
4.一种权利要求1所述适用于水田种植系统根际的土壤溶液原位采集装置的应用方法，其特征在于水田植物种植于植物生长箱内一侧，植物根系会向植物生长箱的另外一侧向下延伸，将土壤微溶液采集器插入长有根系的植物生长箱上相应的阵列孔中，设定真空控制器的负压数值，待缓冲瓶内负压稳定后，打开真空三通开关进行采样。
5.根据权利要求4所述的土壤溶液原位采集装置的应用方法，其特征在于所述负压数值为-500hPa。
6.根据权利要求5所述的土壤溶液原位采集装置的应用方法，其特征在于采样时间为5分钟，采样量小于50uL。
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