CN101731110B - 一种田间原位智能气密植物生长箱 - Google Patents
一种田间原位智能气密植物生长箱 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101731110B CN101731110B CN2009102321843A CN200910232184A CN101731110B CN 101731110 B CN101731110 B CN 101731110B CN 2009102321843 A CN2009102321843 A CN 2009102321843A CN 200910232184 A CN200910232184 A CN 200910232184A CN 101731110 B CN101731110 B CN 101731110B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- box
- carbon dioxide
- gas
- temperature
- concentration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 230000012010 growth Effects 0.000 title description 33
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 title 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 188
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 94
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 92
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 39
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000009333 weeding Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 10
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 81
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 74
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 29
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 22
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 18
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 6
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 4
- 239000010985 leather Substances 0.000 claims description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000013589 supplement Substances 0.000 claims description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 claims description 2
- 230000009469 supplementation Effects 0.000 claims description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 18
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 15
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 13
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 13
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 13
- 238000004178 biological nitrogen fixation Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 4
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 3
- 230000002528 anti-freeze Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 3
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 3
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 3
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 2
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 2
- 230000037039 plant physiology Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 2
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 description 1
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 244000207740 Lemna minor Species 0.000 description 1
- 235000006439 Lemna minor Nutrition 0.000 description 1
- 235000001855 Portulaca oleracea Nutrition 0.000 description 1
- 241000607479 Yersinia pestis Species 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 1
- UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide;molecular oxygen Chemical compound O=O.O=C=O UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000009313 farming Methods 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000010249 in-situ analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001948 isotopic labelling Methods 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004172 nitrogen cycle Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001863 plant nutrition Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000475 sunscreen effect Effects 0.000 description 1
- 239000000516 sunscreening agent Substances 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cultivation Of Plants (AREA)
Abstract
一种田间原位智能气密植物生长箱，设有箱体、温度和二氧化碳自动控制系统以及除草、喷药、浇水系统；箱体设有上、下两部分箱体，上箱体为有盖无底的透明体，下箱体无盖无底，在下箱体上缘设有水槽，上箱体下缘放置在水槽内由水密封，将下箱体埋入土壤，植物培育在箱体内土壤中；温度自动控制系统设有分别置于箱体内、外的两个温、湿度传感器，采集的温度至数据采集控制器及计算机进行比较，当箱体内温度高于箱体外温度设定值时，继电器启动二级制冷系统工作；二氧化碳自动控制系统将箱内气体泵入二氧化碳气体检测器进行检测，检测结果与设定浓度比较，如果大于设定浓度，则启动电磁阀的常闭出口开启，经氢氧化钠吸收后至箱体内，如果低于设定浓度，则启动电磁阀向箱内补充高纯二氧化碳；如果气体二氧化碳浓度在正常范围内，气体直接返回箱体内。
Description
技术领域
本发明涉及生物固氮能力的研究，尤其是一种田间原位智能气密植物生长箱，可用于同位素标记、碳、氮循环，有机污染物来源和植物排放挥发性无机和有机化合物研究，属于土壤学、生态学、微生物学、污染生物学、植物营养学、植物生理学等技术领域。
背景技术
氮肥的生产和使用提高了作物产量，基本解决了全球人口增长和食物供应间的矛盾，但也加剧了全球环境变化，对大气、土壤和水体造成污染。生物固氮是微生物利用大气N2做原料，合成生物生长需要的氮源。发挥自然生物固氮作用可减少人工合成氮肥使用，既能减少能源消耗、降低农民种田成本，又能减轻对环境的污染，减少温室气体排放。
稻米在我国粮食作物中占据非常重要的地位，因而研究稻田施肥量，评估稻田生物固氮潜力显得尤为重要。稻田生态系统中蓝藻、浮萍和多种异养微生物均能进行生物固氮。由于所有稻田和湿地均具有生物固氮功能，所以在研究稻田生物固氮潜力时没有参照系，造成研究工作基本停滞。
目前研究稻田和湿地固氮能力常用的方法是利用乙炔还原法：即把土壤样品从田间取回实验室，在试验室内加入乙炔，测定乙炔浓度的变化来估算稻田固氮能力。这种方法有以下几方面不足：一是土壤从田间取回实验室，土壤条件发生了很大改变；二是根据乙炔还原量转换成生物固氮量系数不统一，造成稻田固氮能力估算偏差；三是乙炔法是即时值，无法进行长期试验，用即时值代替水稻生育期又会造成巨大误差。
稳定性同位素15N2标记技术是研究稻田生物固氮最直接和准确的方法，许多科技工作者一直倡导、呼吁发展该技术，但由于缺乏关键设备一直未能得到解决。在上世纪80年代初，国外曾经做过这方面尝试，但是他们只能进行室内试验，通过控制室内温度，将水稻种在室内人工密闭生长环境中，而无法运用于野外田间条件，与自然环境相差极大。
目前市场销售的室内植物生长箱采用的是定温设计和人工光源。夏日太阳光照强度能达到10万勒克斯，而人工光源最大光照强度只有正常太阳光照强度的1/5-1/3左右，水稻无法像田间一样正常生长。传统室内生长箱的定温设计温控系统，不能随环境温度的变化而变化，当箱内温度超过环境温度时，箱内就产生雾气，相对湿度RH达到100％，严重影响光照和植物生长，高湿环境还容易诱发植物生病。传统生长箱是通过箱内外空气流通来控制箱内雾气，无法实现植物生长箱的密闭，因而不能进行同位素气体标记也无法应用于稻田生物固氮能力研究。如果简单的将目前市面有售的植物生长箱的温度控制方法用于野外生长箱，生长箱内温度将急剧升高并产生大量雾气，生长箱内植物很快死亡，因而重新设计生长箱内温度控制技术是解决田间原位生长箱内植物正常生长的关键。常规制冷技术通常是采用氟利昂作为制冷剂，利用氟利昂的气化吸收热量达到制冷目的。采用常规制冷机如空调制冷我们的野外植物生长箱，由于生长箱内温度频繁变动，造成制冷机启动非常频繁，致使压缩机自我保护或烧毁压缩机而使系统无法正常运转。
发明内容
本发明目的就是为克服上述缺陷，提供了一种田间原位智能气密植物生长箱，它能够将多种因素(温度，湿度，光照，氧气，二氧化碳，植物病害，采样等)综合控制，用于开展稻田生物固氮能力研究。本发明涉及计算机控制技术、二级制冷技术、变温自动控制技术和CO2浓度自动控制技术、气密技术、气体压力缓冲技术、除草、治病防虫技术，可用于研究植物光合碳固定、转运和土壤碳周转；还可用于研究豆科植物固氮动态、固氮量及影响因素，固氮植物体系与非固氮植物体系氮传递和氮周转；区分植物体内污染物来源(土壤、大气)；研究植物排放有机、无机化合物种类、数量和动态等，是研究全球气候变化与植物相互作用、食品污染控制和植物生源要素循环的关键设备。
实现上述目的技术方案是：一种田间原位智能气密植物生长箱，设有箱体、温湿度自动控制系统、二氧化碳自动控制系统和除草系统、喷药浇水系统；
箱体设有上、下两部分箱体，上箱体为有盖无底的透明体，下箱体无盖无底，在下箱体上缘设有水槽，上箱体下缘放置在水槽内由水密封，将下箱体埋入土壤，地表与水槽底面持平，植物培育在箱体内土壤中；
温湿度自动控制系统中设有分别置于箱体内、外的两个温湿度传感器，它们采集的温湿度分别输入至数据采集控制器并输入计算机通过设定程序进行比较，当箱体内温度高于箱体外田间温度设定值时，计算机通过数据采集控制器输出电信号至继电器启动制冷系统工作，制冷系统为二级制冷，首先采用常规制冷剂氟利昂对装有乙二醇水溶液的容器制冷，然后将制冷后的乙二醇水溶液作为二次制冷剂通过泵、管路及设置于上箱体内侧壁的蒸发器回到乙二醇水溶液的容器进行制冷循环；
二氧化碳自动控制系统包括二氧化碳测量与二氧化碳控制两个分系统，其中二氧化碳控制分系统又分别设置二氧化碳补充及二氧化碳吸收两个子系统；二氧化碳测量分系统是在箱体上设置采集口，将箱内气体通过管路泵入二氧化碳气体分析仪进行检测，检测结果输入至数据采集控制器并输入计算机通过设定程序进行浓度比较，如果箱内气体二氧化碳浓度大于设定浓度，则计算机通过数据采集控制器输出电信号，通过二氧化碳吸收子系统中的继电器启动该子系统中的电磁阀的常闭出口开启，常开出口关闭；该电磁阀为一个进口、二个出口的三通阀，其进口通过管路及泵与箱体出气孔连通，二个出口中，一个为常闭口，常闭口后联接管路及氢氧化钠吸收液容器连通箱内，另一个为常开口，常开口经管路直接连通箱内；如果箱内浓度低于设定浓度，则计算机通过数据采集控制器输出电信号通过二氧化碳补充子系统中的继电器启动该子系统中的电磁阀向箱内补充高纯二氧化碳；如果气体二氧化碳浓度在正常范围内，则数据采集控制器无输出电信号，二氧化碳补充及二氧化碳吸收两子系统中的继电器不工作，采集口出来的箱内气体经二氧化碳吸收子系统中的电磁阀常开口直接返回箱内；
除草系统和喷药浇水系统中，除草系统是在上箱体靠近底端的两面，各开有圆孔，圆孔周边密封联接橡胶手套口，手伸入手套内去除箱内杂草；喷药浇水系统是在上箱体开1孔洞，用1根皮管连接箱体内外，箱内一端接喷头，箱外一端接手动压力容器，手动压力容器内注有水或药剂。
所说上箱体透光率要高于90％，用于二氧化碳吸收的氢氧化钠吸收液浓度4mol/L左右。
在对二氧化碳测量时，将箱内气体泵出后最好经过滤器和干燥器，去除气体杂质、降低湿度后，再送入二氧化碳气体分析仪。
在上箱体顶盖上还设有2孔，1孔接氧气分析仪入口，氧气分析仪出口联接另一孔返回箱内；上箱体内壁上还设有风扇；上箱体壁面上设有15N2气体注入口；外设缓冲气袋与箱体内连通，连通口≥10mm。
本发明的优点及显著效果：
(1)变温控制技术：本发明装置具有能够采用田间自然光源，在气密条件下能自动实现箱内温度随环境温度的变化而变化，解决了箱内温度升高和产雾导致植物不能生长的问题，这是目前市场中人工气候植物生长箱所不具备的，国际国内都没有同类或相似装置。例如在研究稻田生物固氮能力范畴，国际国内均无此技术手段报道；
(2)二级制冷技术：首先采用常规制冷剂通过盘管制冷低冰点、低挥发、高热容的乙二醇水溶液，然后通过循环泵将制冷后的乙二醇水溶液泵入生长箱内的蒸发器，实现了降低生长箱内温度的目的。该技术解决了常规制冷机(如空调)的频繁启动而造成的制冷机自保护或毁坏问题，解决了常规制冷机制冷量难以控制的问题。
(3)集成性：本发明融计算机控制技术、变温控制技术、二级制冷技术、二氧化碳浓度控制技术和除草、喷药、浇水功能于一体，实现了系统温度和二氧化碳浓度的智能控制，提高了试验可靠性和降低了实验人员的工作强度。实验表明即使在炎热夏季，箱内温度和环境温度差也能控制在正负2度范围内；
(4)箱体设计科学：上箱体有机玻璃透光率高不影响光照；气体检测与控制均在箱外进行，易维护和保养仪器。同时蒸发器安装在生长箱两侧，不影响生长箱光照，箱内也有足够的空间满足植物生长要求
附图说明
图1是生长箱总体示意图；
图2是生长箱俯视图；
图3是生长箱立体图；
图4是计算机程序编写流程图；
图5～7是生长箱实际应用实施例效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
附图标号说明：1，数据采集控制器；2，信号传输线；3，浇水喷药口；4，风扇；5，橡胶手套；6，上部生长箱；7，氢氧化钠溶液；8，25，26继电器；9，27，电磁阀；10，28，循环泵；11，下部生长箱；12，制冷机；13，箱内温度传感器；14，29，气体流量计；15，高纯二氧化碳；16，田间温度传感器；17，缓冲气袋；18，阀门；19，二氧化碳红外分析仪；20，气体过滤器；21，干燥器；22，蒸发器；23，采样注气口；24，尼龙管；30，计算机；31，抗冻剂容器；32，制冷循环泵。
参看图1-3，生长箱箱体系统是由上箱体6和下箱体11共同组成，上箱体可由高透光率(高于90％)的透明有机玻璃加工而成(有机玻璃板为10mm厚；长为110cm，宽为50cm，高为95cm)，下箱体可由高强度耐腐蚀的PVC面板制作(长为100cm，宽为50cm，高为45cm)，下箱体上缘设有水槽(水槽高度为10cm)，上箱体下缘放置在水槽内由水密封，当箱内气压变化时，可以清楚的看到水位高低变化。将下箱体埋入土壤，地表与水槽底面持平，植物培育在箱体内土壤中。
温湿度自动控制系统中设有分别置于箱体内、外的两个温湿度传感器13、16，它们采集的温度分别通过信号传输线2输入至数据采集控制器1并输入计算机30进行比较，当箱体内温度高于箱体外田间温度设定范围时值时，计算机通过数据采集控制器输出电信号至继电器26启动循环泵32工作。制冷系统为二级制冷，首先采制冷机12工作，用常规制冷剂氟利昂对装有乙二醇水溶液的容器31制冷，然后将制冷后的乙二醇水溶液通过泵32、管路及设置于上箱体两侧壁的蒸发器22回到二醇水溶液的容器31进行二次制冷循环，以迅速降低箱内温、湿度。还通过两侧内壁安装的风扇4(口径为12cm，采用220v交流电源)，加速蒸发器与箱内热量交换。本发明中的制冷机12只是用来给乙二醇水溶液降温，根据设定温度参数，制冷机12自行启动。当乙二醇水溶液达到设定温度时，制冷机便停止工作，否则制冷机将一直工作到设定温度为止。
由于本发明采用了上述二级制冷系统的设计，首先由常规氟利昂制冷低冰点、低挥发、高热容的乙二醇水溶液，然后由冷却后的乙二醇制冷生长箱。如果乙二醇温度低于设定温度，那么制冷机自行启动，直到将乙二醇抗冻剂冷却到设定温度为止。夏季太阳光照强度很高，世界气象组织(WMO)在1981年推荐的太阳常数值是1368瓦每平方米，因此制冷压缩机制冷量必须大于1368瓦每平方米。本发明中制冷机额定功率为950W，最大制冷量能达到2500W。其次，乙二醇水溶液要具有低冰点、低挥发、高热容的特性，因为通常制冷机需要将乙二醇冷却至零下20℃左右，才能迅速将箱内温度降至环境温度。本发明中，我们采用60％的乙二醇水溶液(即乙二醇和水体积比为60/40)作为循环冷却介质，60％的乙二醇水溶液在-40℃时才结冰。本发明中乙二醇水溶液体积为20L。本发明中循环泵32的功率为60W，扬程为9-12m。数据采集控制器通过继电器26间接控制循环泵32，实现箱内温度自动控制。根据实际运行观测，在夏季中午高温时期，冷却至零下20℃的乙二醇水溶液能在5分钟内，迅速将生长箱内温度降低至环境温度，因而给箱内温度实时变化创造了条件。
同时，本发明采用的变温设计，即箱内温度随环境温度的变化而变化，很好地解决了箱内产雾问题。采用了2根温度传感器13、16，一根置于箱外，一根置于箱内，箱内外温湿度传感器属于同一型号，主要有薄膜铂电阻、高分子薄膜湿敏电容组成。测量温度精度为±0.3℃，测量湿度精度为±5％，温度输出为四引线电阻，湿度输出为0-1V电压，市场可以买到。数据采集控制器每隔5秒自动采集内外温度传感器数据，并将数据传输至计算机进行比较。当箱内温度高于环境温度一定值时，数据采集控制器就会启动乙二醇水溶液循环泵，经过制冷机冷却后的乙二醇水溶液经由管路泵入上箱体内侧壁安置的蒸发器，吸收箱内热量后的乙二醇水溶液再循环回到容器被制冷，使箱内温度实现了变温控制，能随着环境温度的改变而改变，满足植物实际生长条件。
二氧化碳自动控制系统包括二氧化碳测量与二氧化碳控制两个独立的管路系统，其中二氧化碳控制系统又分别设置二氧化碳补充及二氧化碳吸收两独立子系统；二氧化碳测量系统是在箱体上设置采集口，将箱内气体通过管路、泵28泵入二氧化碳气体红外分析仪19进行检测。二氧化碳气体红外分析仪采用量程为0-3000ppm，响应时间为0.3秒，精度为±1ppm。双通道模拟输出，有100mv，5v和20mA可供选择，12bit D/A，市场有售。
由于水汽吸收分布于整个中红外波段，它的存在干扰红外光谱的定量分析。所以利用红外光谱分析二氧化碳浓度时，必须考虑水汽的吸收特征。湿度大及露点温度高于环境温度的被测气体通过仪器分析室时会出现冷凝现象，这时需要采取增加过滤器或者对气体加温来消除。传统的生长箱由于是开放式的，不考虑密封性，所以没有遇到这个问题。由于本发明是气密生长箱，箱内气体不能泄露，分析二氧化碳浓度后的气体仍需要返回箱内，所以需要克服水汽干扰问题。本发明中，在分析气体二氧化碳浓度前，首先将气体通过气体过滤器去除气体中的杂质以及大部分水蒸气，然后再通过气体干燥器，最后再至二氧化碳分析仪。采用的气体干燥器基于气态水梯度差的水分转移机理，能有效的将气体湿度降到水汽干扰值以下。检测前气体通过过滤器20和气体干燥器21使气体杂质和气体湿度降低。否则仪器不能正确分析二氧化碳浓度，这点在田间原位分析中非常重要，因为气体中存在的水汽极大的影响红外二氧化碳分析仪19检测的准确度。二氧化碳分析仪检测结果至数据采集控制器1并输入计算机30，通过设定程序浓度进行比较，如果箱内气体二氧化碳浓度大于设定浓度，则计算机通过数据采集控制器输出电信号，通过二氧化碳吸收子系统中的继电器8启动该分系统中的电磁阀9的常闭出口开启，常开出口关闭；该电磁阀9为一个进口、二个出口的三通阀，其进口通过管路及泵10与箱体出气孔连通，二个出口中，一个为常闭口，常闭口后联接管路及氢氧化钠吸收液容器7吸收二氧化碳后连通箱内另一个为常开口，常开口经管路直接连通箱内；如果箱内浓度低于设定浓度，则计算机通过数据采集控制器输出电信号，通过二氧化碳补充子系统中的继电器25启动该分系统中的电磁阀27，由高纯二氧化碳气瓶15经减压阀、流量计14向箱内补充高纯二氧化碳气体；如果气体二氧化碳浓度在正常范围内，则数据采集控制器无输出电信号，二氧化碳补充及二氧化碳吸收两独立分系统中的继电器25、8不工作，采集口出来的箱内气体经二氧化碳吸收子系统中的电磁阀9常开口、循环泵10直接返回箱内。循环泵10、28的流量为4L/min，流量过大不适合二氧化碳分析仪检测。由于是24小时监测二氧化碳气体浓度，循环泵10和28也是24小时运转。
根据由植物生理学可知，白天箱内植物需要吸收二氧化碳，晚上植物释放二氧化碳。根据我们预备试验，水稻在晚上释放出来的二氧化碳可使箱内二氧化碳气体浓度达到1000ppm左右，由二氧化碳气体和氢氧化钠液体反应公式可知：2NaOH+CO2＝Na2CO3+H2O设箱内有600L气体，其中含有CO20.1％(即1000ppm)，30天为一个时期，共600*0.1％*30＝18L，在标准状况下，气体的摩尔体积约为22.4L/mol。气体物质的量为：n(CO2)＝18/22.4＝0.8mol 由公式知N(NaOH)＝2n(CO2)＝1.6mol即吸收18L二氧化碳气体，需要1.6*40＝64g的氢氧化钠固体，配制成氢氧化钠溶液就是1.6mol/L。由于本实验中循环泵的流量为4L/min，为了更快的吸收二氧化碳气体，所以氢氧化钠溶液浓度可以配成4mol/L左右。
除草系统、喷药浇水系统中，除草系统是在上箱体靠近底端的两面，各开有3个圆孔(直径15cm)，圆孔周边密封连接橡胶手套口5，手伸入手套内去除箱内杂草，手套要求耐晒，质量优良，同时在手套外面还要套上保护盖子；喷药浇水系统是在上箱体开1孔洞3，用1根皮管连接箱体内外并要求密封，箱内一端接喷头，箱外一端接手动压力容器，容器容量为10升，手动压力容器内注有水或药剂。
本发明考虑到氧气浓度检测问题，在上箱体顶盖上设有2孔，1孔连接氧气分析仪入口，氧气分析仪的出口连接另一孔返回箱内，即可检测氧气浓度。上箱体内壁上的2个风扇可用于混匀箱内气体；上箱体壁面上还设有氮气注入口，需要使用时打开螺帽即可。上箱体顶盖上设有2孔，一孔可接氧气分析仪入口，氧气分析仪的出口连接另一孔返回箱内，可检测箱体内氧气浓度；上箱体壁面上设有注氮气口；外设缓冲气袋17与箱体内连通，连通口直径≥10mm。
本发明中设置缓冲气袋17与箱体内连通，缓冲气袋17的作用是：当制冷系统完成一次箱内制冷暂停工作时，太阳直射在透明箱体上，箱内温度升高很快。根据理想气体状态方程，质量为m，摩尔质量为M的理想气体，其状态参量压强p、体积V和绝对温度T之间的函数关系为pV＝mRT/M＝nRT。在摩尔表示的状态方程中，R为比例常数，对任意理想气体而言，R是定值。我们假设箱内的气体压强和气体物质的量不变，那么气体温度就是气体体积的一次函数。根据计算，假设箱内温度从32度升高至35度时，气体体积就要增大5L左右，所以本发明气袋体积为10L，连通口直径≥10mm。设置缓冲气袋就可以暂时缓冲箱内气体压力，等待下次抗冻剂循环来降低箱内温度，而不至于箱内气体压力过高造成箱内气体泄露。
计算机软件是系统自动运行的核心，目前市场没有现成软件可供购买，系我们自主开发。本发明中，数据采集控制器每隔5秒采集一次箱内温度湿度、箱外温度湿度，每隔30秒采集一次箱内二氧化碳气体浓度，并自动保存采集的数据，科研工作者也可以通过数据线，连接数据采集控制器随时下载保存的数据。结合数据采集控制器提供的支持软件包，控制人员可以用数字或者曲线图形显示测量数据和控制状态，也可以适时对控制参数进行修改，实现人机对话。本发明中软件包可以在Windows 3.1/95/98/NT/2000/XP平台上运行，完整安装需要15MB硬盘空间。最低计算机处理器为486，具备RS232接口(DB-9)，即可与数据采集控制器实现通信，数据传输速率默认为9600b/s。
本发明生长箱的组装、操作方法及实施例如下：
(1)将箱体下半部分11埋入土壤中20cm，压实土体与箱壁间内外空隙，并让土体与箱体间土壤自然沉实以达到土体与箱体下半部箱壁的密封；
(2)本实验数据采集控制器(型号为CR10x，自编Edlog语言控制程序)有12个通道，A/D位数为13位，模拟电压分辨率为0.33μv，程序内存为16k，可以在市场买到。自编计算机控制程序，根据实验需要设置温度和二氧化碳浓度的控制参数。由于是在室外使用数据采集控制器，所以要求数据采集控制器放置在防晒防雨的箱内，以保证数据采集控制器性能稳定。
(3)二氧化碳检测系统需要将循环泵28和空气过滤器20，空气干燥器21，流量计29，二氧化碳分析仪19，阀门18，循环泵28和上部箱体6，计算机30连接起来；补充高纯二氧化碳气体系统，需要将高纯二氧化碳气体15，流量计14，电磁阀27，继电器25，数据采集控制器1，计算机30，管路阀门和上部箱体6连接起来；吸收二氧化碳需要将数据采集控制器1，电磁阀9，循环泵10，继电器8，氢氧化钠7和上部箱体6连接起来；连接用的尼龙管24口径为3-5mm；
(5)制冷系统需要将数据采集控制器1，制冷机12，继电器26，蒸发器22，循环泵32，计算机30，乙二醇水溶液容器31和上部箱体6连接起来；连接箱内外温湿度传感器，数据采集控制器和计算机使用铜丝编织屏蔽软电线，以减少对信号的干扰；连接继电器、循环泵、二氧化碳分析仪使用普通铜芯电线即可。
(6)连接除草系统和喷药浇水系统：将防晒橡胶手套5和上部箱体6连接起来，将浇水和喷药口3和上部箱体6连接起来，这几处连接必须要求密封性好，防止漏气；
(7)放入植物：揭开箱体上半部分6，把所须研究植物移栽或播种入箱体下半部11空间中，盖上箱体上半部6，下部箱体上缘水槽内注入约8cm水；下部箱体内也可以放小盆子，盆栽植物；
(8)根据实验目的充入氮气同位素：在重新检查系统密封和系统运行正常后，先从箱体内取出10％气体，从采样口23马上注入与取出气体相同体积的99％丰度15N2气体，以保持箱内气压稳定；
(10)日常管理：密切观察土壤水分状况和病虫害情况，及时添加水分和喷药；密切观察二氧化分析仪，气体过滤器，气体干燥器，温湿度传感器，保证仪器正常工作。同时定期拷贝、分析数据。
(11)根据实验目的进行样品分析：到植物成熟后，停止系统运行，取适量气体样品，打开箱体上半部分，取出生长植株和土壤，测定植株干重，分析土壤和植株体内氮含量和15N丰度，同时分析箱内各种气体浓度和15N2丰度；
(12)清点仪器配件，实验结束。
本发明在江都市小纪镇马良村良种场，将生长箱放置在水稻田中。自7月1日盖箱，温度设定为与田间温度相差正负2度；二氧化碳浓度设定为400ppm，正负相差不超过30ppm。图5、6、7为根据仪器运行1个月箱内实际运行数据作图。
图5是箱内温度控制情况；从图中可以看出来，田间温度(实线)与箱内温度(虚线)几乎重叠，说明箱内温度近似田间自然温度，设计符合试验要求。
图6是箱内二氧化碳实际控制情况；从图中可以看出来，白天箱内二氧化碳浓度平均值在410ppm左右，符合稻田的实际情况。说明生长箱内二氧化碳浓度控制符合要求。
图7是箱内相对湿度情况；从图中可以看出来，箱内湿度随着温度变化而变化，白天生长箱内相对湿度平均值在90％左右，符合稻田的实际情况。
Claims (5)
1.一种田间原位智能气密植物生长箱，设有箱体、温湿度自动控制系统、二氧化碳自动控制系统和除草系统、喷药浇水系统；
箱体设有上、下两部分箱体，上箱体为有盖无底的透明体，下箱体无盖无底，在下箱体上缘设有水槽，上箱体下缘放置在水槽内由水密封，将下箱体埋入土壤，地表与水槽底面持平，植物培育在箱体内土壤中；
温湿度自动控制系统中设有分别置于箱体内、外的两个温湿度传感器，它们采集的温湿度分别输入至数据采集控制器并输入计算机通过设定程序进行比较，当箱体内温度高于箱体外田间温度设定值时，计算机通过数据采集控制器输出电信号至继电器启动制冷系统工作，制冷系统为二级制冷，首先采用常规制冷剂氟利昂对装有乙二醇水溶液的容器制冷，然后将制冷后的乙二醇水溶液通过泵、管路及设置于上箱体内侧壁的蒸发器回到乙二醇水溶液的容器进行制冷循环；
二氧化碳自动控制系统包括二氧化碳测量与二氧化碳控制两个分系统，其中二氧化碳控制分系统又分别设置二氧化碳补充及二氧化碳吸收两个子系统；二氧化碳测量分系统是在箱体上设置采集口，将箱内气体通过管路泵入二氧化碳气体分析仪进行检测，检测结果输入至数据采集控制器并输入计算机通过设定程序进行浓度比较，如果箱内气体二氧化碳浓度大于设定浓度，则计算机通过数据采集控制器输出电信号，通过二氧化碳吸收子系统中的继电器启动该子系统中的电磁阀的常闭出口开启，常开出口关闭；该电磁阀为一个进口、二个出口的三通阀，其进口通过管路及泵与箱体出气孔连通，二个出口中，一个为常闭口，常闭口后联接管路及氢氧化钠吸收液容器连通箱内，另一个为常开口，常开口经管路直接连通箱内；如果箱内浓度低于设定浓度，则计算机通过数据采集控制器输出电信号通过二氧化碳补充子系统中的继电器启动该子系统中的电磁阀向箱内补充高纯二氧化碳；如果气体二氧化碳浓度在正常范围内，则数据采集控制器无输出电信号，二氧化碳补充及二氧化碳吸收两子系统中的继电器不工作，采集口出来的箱内气体经二氧化碳吸收子系统中的电磁阀常开口直接返回箱内；
除草系统和喷药浇水系统中，除草系统是在上箱体靠近底端的两面，各开有圆孔，圆孔周边密封联接橡胶手套口，手伸入手套内去除箱内杂草；喷药浇水系统是在上箱体开1孔洞，用1根皮管连接箱体内外，箱内一端接喷头，箱外一端接手动压力容器，手动压力容器内注有水或药剂。
2.根据权利要求1所述的田间原位智能气密植物生长箱，其特征是：上箱体透光率高于90％，用于二氧化碳吸收的氢氧化钠吸收液浓度4mol/L。
3.根据权利要求1或2所述的田间原位智能气密植物生长箱，其特征是：对二氧化碳测量时，将箱内气体泵出后经过过滤器和干燥器，去除气体杂质、降低湿度后，再送入二氧化碳气体分析仪。
4.根据权利要求1或2所述的田间原位智能气密植物生长箱，其特征是：上箱体顶盖上还设有2孔，1孔接氧气分析仪入口，氧气分析仪出口联接另一孔返回箱内；上箱体内壁上还设有风扇；上箱体壁面上设有15N2气体注入口；外设缓冲气袋与箱体内连通，连通口≥10mm。
5.根据权利要求3所述的田间原位智能气密植物生长箱，其特征是：上箱体顶盖上还设有2孔，1孔接氧气分析仪入口，氧气分析仪出口联接另一孔返回箱内；上箱体内壁上还设有风扇；上箱体壁面上设有15N2气体注入口；外设缓冲气袋与箱体内连通，连通口≥10mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009102321843A CN101731110B (zh) | 2009-12-02 | 2009-12-02 | 一种田间原位智能气密植物生长箱 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009102321843A CN101731110B (zh) | 2009-12-02 | 2009-12-02 | 一种田间原位智能气密植物生长箱 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101731110A CN101731110A (zh) | 2010-06-16 |
| CN101731110B true CN101731110B (zh) | 2011-05-11 |
Family
ID=42455525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009102321843A Expired - Fee Related CN101731110B (zh) | 2009-12-02 | 2009-12-02 | 一种田间原位智能气密植物生长箱 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101731110B (zh) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102169008B (zh) * | 2010-12-07 | 2012-07-25 | 北京农业智能装备技术研究中心 | 一种农作物生物量测量装置及方法 |
| CN102440153B (zh) * | 2011-09-09 | 2013-02-27 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | 一种脉冲式13co2量化标记植物的装置及利用其标记植物方法 |
| CN103598025B (zh) * | 2013-10-28 | 2015-04-15 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | 一种田间原位连续低丰度13co2同位素标记装置及方法 |
| CN104898725A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-09-09 | 国家海洋局第三海洋研究所 | 模拟未来海洋酸化场景的海水酸化控制系统 |
| CN105532314B (zh) * | 2016-01-11 | 2019-03-19 | 中国农业科学院作物科学研究所 | 一种基础科研用的低浓度二氧化碳培养箱及控制方法 |
| CN105627453A (zh) * | 2016-03-08 | 2016-06-01 | 苏州市光生环境科技有限公司 | 一种智能型多功能空气检测净化装置 |
| CN105699134A (zh) * | 2016-04-12 | 2016-06-22 | 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 | 一种利用双向硅胶环密封的农田温室气体采集装置及其应用 |
| CN107743830A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-03-02 | 罗成喜 | 一种新型香菇培植房 |
| CN109239282B (zh) * | 2018-11-19 | 2024-03-12 | 中国计量大学 | 煤矿井粉尘、甲烷、湿度环境球型模拟及控制装置和方法 |
| CN110412541B (zh) * | 2019-08-21 | 2022-06-14 | 上海禾赛科技有限公司 | 用于激光雷达的液冷装置、激光雷达系统和车辆 |
| CN111024779B (zh) * | 2019-12-11 | 2022-08-02 | 郑州贝博电子股份有限公司 | 一种多参数粮情一体化检测杆 |
| CN111990178A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-11-27 | 程克宏 | 一种可自动换气的蘑菇种植棚及其使用方法 |
| CN116210475A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-06-06 | 山东省花生研究所 | 一种花生根瘤固氮通气装置及其使用方法 |
| CN117099669A (zh) * | 2023-09-02 | 2023-11-24 | 西南大学 | 一种植物培养设备及培养方法 |
| CN117686684A (zh) * | 2023-11-29 | 2024-03-12 | 青岛农业大学 | 一种用于估算生物固氮量的同位素标记装置及其控制方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201709183U (zh) * | 2009-12-02 | 2011-01-19 | 中国科学院南京土壤研究所 | 一种田间原位智能气密植物生长箱 |
-
2009
- 2009-12-02 CN CN2009102321843A patent/CN101731110B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201709183U (zh) * | 2009-12-02 | 2011-01-19 | 中国科学院南京土壤研究所 | 一种田间原位智能气密植物生长箱 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101731110A (zh) | 2010-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101731110B (zh) | 一种田间原位智能气密植物生长箱 | |
| CN201709183U (zh) | 一种田间原位智能气密植物生长箱 | |
| Both et al. | Guidelines for measuring and reporting environmental parameters for experiments in greenhouses | |
| CN107047265B (zh) | 一种培养高丰度同位素碳、氮双标记植物样品的循环系统 | |
| CN103698330B (zh) | 一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法 | |
| CN106885875A (zh) | 一种气体通量测量系统 | |
| CN106932241A (zh) | 一种测定室内培养土壤温室气体排放的方法 | |
| CN203761964U (zh) | 一种光照培养以及同位素标记一体化装置 | |
| CN106900425B (zh) | 一种农业蔬菜大棚智能一体化控制系统 | |
| CN202819146U (zh) | 智能型鸟巢式综合种植大棚 | |
| CN204536307U (zh) | 微碳汇计量系统 | |
| CN201780265U (zh) | 用于污染物释放研究的小型环境测试舱 | |
| CN101347081B (zh) | 用于进行植物的气体释放和气体转化规律研究的密闭装置 | |
| Zhou et al. | Multi-objective environment chamber system for studying plant responses to climate change | |
| CN207380011U (zh) | 一种检测作物根际呼吸和植株碳标记的装置 | |
| CN104620959B (zh) | 一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法 | |
| Mayeux et al. | A controlled environment chamber for growing plants across a subambient CO 2 gradient | |
| CN104374901B (zh) | 多功能小型碳汇测量同化箱装置 | |
| CN102279179B (zh) | 田间原位研究作物冠层氨交换的装置及监测方法 | |
| CN204560492U (zh) | 一种优化植物氮肥施用量的实验系统 | |
| CN109097273A (zh) | 一种新型制冷厌氧培养箱 | |
| CN216116143U (zh) | 一种农业物联网环境测控装置 | |
| CN205580913U (zh) | 一种试管苗蒸腾强度测定仪 | |
| CN111256775B (zh) | 一种快速确定有效体积的同化箱系统及使用方法 | |
| CN213903310U (zh) | 一种检测臭氧毒性的动物暴露装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110511 Termination date: 20131202 |