CN103141320A - 一种植物根系自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于植物根系检测技术领域，提供了一种植物根系自动监测系统，有机玻璃土柱在不损伤原有植株的情况下，直接观看根系生长状态，植物根系监测子系统实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度、植株蒸发量以及作植物根系生长参数的数据和图像，植物根系及叶片分析子系统对植物根系图像和叶片图像进行分析，并探讨叶片生长与根系生长的关系，可通过观察有机玻璃土柱上可开合的小窗对根际土壤的水分、养分、温度、微生物指标进行监测和取样，以进行各种生理、生化指标测定分析、进行断根试验，减少了单一大田试验带来的误差，为更深层次研究提供了有力的数据来源，风险小、易维护、使用范围广、可操作性能强。

Description

一种植物根系自动监测系统

技术领域

本发明属于植物根系监测技术领域，尤其涉及一种植物根系自动监测系统。

背景技术

植物根系具有养分和水分的吸收、传输和储存、植物体的固定与支撑等重要的生理功能，对作物起支撑作用，在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色。

植物根系研究的重要性为国内、外专家所关注，但因观察取样之复杂和困难，其研究进展较为缓慢。根系是植物重要的组成部分，其生长状态与整个植株的生长密切相关，根系具有固持土壤、抵抗土壤侵蚀的功能。由于土壤不可观测性的限制，无法对根系的生长状态进行直接观测，这对于根系生理、生化指标的研究十分不便。目前，对根系生理、生化方面的分析测定基本上都是通过挖掘法、根钻法，剖面法等传统的取根方法，不仅费时费力，更重要的是破坏甚至终止了原有植株的生长，而且取出的根系也常常是不完整或有不同程度的损坏，所以佐证了地下生态学的研究难度之大，植物根系研究方法的选择，相对于植物地上部分而言对研究结果具有更大的影响。因此，寻找原位观察监测根系生长和空间形态分布的方法就显得十分必要。鉴于目前该领域的薄弱状况，为了更好的进行植物根系研究，更深入地了解地下“隐藏的一半”，有必要建立植物根系自动监测、分析、控水研究的专用设施，以便于对植物根系更深层次的研究。

发明内容

本发明提供了一种植物根系自动监测系统，旨在解决目前对根系生理、生化方面的分析测定基本上都是通过传统的挖掘法、根钻法，剖面法取根，费时费力，破坏甚至终止了原有植株的生长，取出的根系也常常是不完整或有不同程度的损坏，使得佐证地下生态学的研究难度较大的问题。

本发明的目的在于提供一种植物根系自动监测系统，该自动监测系统包括：

有机玻璃土柱，用于在不损伤原有植株的情况下，直接观看根系生长状态；

植物根系监测子系统，用于实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度、植株蒸发量以及作植物根系生长参数的数据和图像；

植物根系及叶片分析子系统，用于对植物根系图像和叶片图像进行分析，并探讨叶片生长与根系生长的关系。

进一步，有机玻璃土柱上设置有对根际土壤的水分、养分、温度、微生物进行监测和取样的可开合式小窗。

进一步，该自动监测系统还可通过观察有机玻璃土柱上可开合式小窗获取植物根系样品，以进行各种生理、生化指标测定分析及断根试验。

进一步，所述植物根系监测子系统中设置有SM200-DT80土壤水分动态监测子系统、TDR200土壤水分探测器、蒸发电子天平、蒸发全时监控及数据采集子系统、

进一步，所述SM200-DT80土壤水分动态监测子系统中设置有土壤水分传感器、数字采集器。

进一步，所述植物根系及叶片分析子系统中设置有WinRHIZO根系分析子系统、WinFOLIA叶分析子系统、LI-6400便携式光合测定仪、便携式调制叶绿素荧光仪。

进一步，该自动监测系统还包括：观察室，由钢筋及水泥构建而成，用于放置有机玻璃土柱，并通过有机玻璃土柱直接观看根系生长状态；

系统地上部分，采用防锈钢架拱型结构，由顶部为透光遮雨板材、四周为通风防雨板材及供电供水设施的移动大棚、钢架吊装装置及地上防辐射板组成；

系统地下部分，顶部用钢筋及水泥浇筑而成，并预留有机玻璃土柱放置的水泥标准孔，观察、监测的有机玻璃土柱；

系统配套设施，用水泥浇筑而成，具有根土沉淀池的洗根场、洗根机、运输根管的洗根车构成；

系统辅助仪器设备，由有机玻璃土柱地上吊装设备、地下有机玻璃土柱升降设施及植物断根环锯构成，用于与有机玻璃土柱相配合使用。

本发明提供的植物根系自动监测系统，有机玻璃土柱在不损伤原有植株的情况下，直接观看根系生长状态，植物根系监测子系统实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度、植株蒸发量以及作植物根系生长参数的数据和图像，植物根系及叶片分析子系统对植物根系图像和叶片图像进行分析，并探讨叶片生长与根系生长的关系，可通过观察有机玻璃土柱上可开合的小窗对根际土壤的水分、养分、温度、微生物指标进行监测和取样，以进行各种生理、生化指标测定分析、进行断根试验，提高了生理、生化实验的可信度，减少了单一大田试验带来的误差，为更深层次研究提供了有力的数据来源，为许多创新性研究可控试验减少一些环境因素的干扰，利于创新研究的实现，节省了人力、物力、财力的消耗，可进行多种植物根系的观察、取样、监控、断根实验，可长年进行生理、生化试验，风险很小，易维护，使用范围广，可操作性能强，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的植物根系自动监测系统的结构框图；

图2是本发明提供的植物根系监测子系统的结构框图，

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的植物根系自动监测系统的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

该自动监测系统包括：

有机玻璃土柱，用于在不损伤原有植株的情况下，直接观看根系生长状态；

植物根系监测子系统，用于实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度、植株蒸发量以及作植物根系生长参数的数据和图像；

植物根系及叶片分析子系统，用于对植物根系图像和叶片图像进行分析，

并探讨叶片生长与根系生长的关系。

在本发明实施例中，有机玻璃土柱上设置有对根际土壤的水分、养分、温度、微生物进行监测和取样的可开合式小窗。

在本发明实施例中，该自动监测系统还可通过观察有机玻璃土柱上可开合式小窗获取植物根系样品，以进行各种生理、生化指标测定分析及断根试验。

在本发明实施例中，所述植物根系监测子系统中设置有SM200-DT80土壤水分动态监测子系统、TDR200土壤水分探测器、蒸发电子天平、蒸发全时监控及数据采集子系统。

作为本发明实施例的一个优化化方案，图2示出了本发明实施案例提供的植物根系监测子系统模块图，该植物根系监测子系统包括：

植物植株和根系的观察取样子系统4，用于采集植物植株和根系空间分布的图像资料；

利用植物根系及叶片分析子系统3对植物的植物植株和根系进行各方面的数据采集；对植物的植株和根系进行理化指标等方面的样品采集；通过根窗对栽培植物土壤、根系分期进行采样；地下观察室进行植物根系生长及图像资料数据采集。

土壤蒸发和植物蒸腾监测子系统5，用于采集植物栽培试验土壤蒸发量、植物蒸腾量、土壤和植物蒸发、蒸腾总量的试验数据。

土壤水分全时监测子系统6，用于采集有机玻璃土柱土壤土层含水量值。

不同深度植物根系断根子系统7，用于根据植物栽培试验要求，按照植物不锈钢断根环锯的使用方法，对植物根系进行不同深度的断根操作，再利用其它根系监测子系统观察、测试试验植株和根系有关图像及试验数据。

植物光合监测子系统8，用于进行植株光合作用、叶绿素、温度等相关指标的测定，导出植株合光数据和曲线，并进行分析。

在本发明实施例中，所述SM200-DT80土壤水分动态监测子系统中设置有土壤水分传感器、数字采集器。

在本发明实施例中，所述植物根系及叶片分析子系统中设置有WinRHIZO根系分析子系统、WinFOLIA叶分析子系统、LI-6400便携式光合测定仪、便携式调制叶绿素荧光仪。

在本发明实施例中，该自动监测系统还包括：观察室，由钢筋及水泥构建而成，用于放置有机玻璃土柱，并通过有机玻璃土柱直接观看根系生长状态；

系统地上部分，采用防锈钢架拱型结构，由顶部为透光遮雨板材、四周为通风防雨板材及供电供水设施的移动大棚、钢架吊装装置及地上防辐射板组成；

系统地下部分，顶部用钢筋及水泥浇筑而成，并预留有机玻璃土柱放置的水泥标准孔，观察、监测的有机玻璃土柱；

系统配套设施，用水泥浇筑而成，具有根土沉淀池的洗根场、洗根机、运输根管的洗根车构成；

系统辅助仪器设备，由有机玻璃土柱地上吊装设备、地下有机玻璃土柱升降设施及植物断根环锯构成，用于与有机玻璃土柱相配合使用。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

植物根系研究系统由五部分构成：

1、观察室的基础设施建设：用钢筋、水泥按照植物根系系统设计要求的图纸建成可放置20个有机玻璃土柱的观察室(标准孔)和配套的工作室。

2、系统地上部分：按照植物根系系统设计要求的图纸，采用防锈钢架拱型结构，顶部为透光遮雨板材，四周为通风防雨板材，供电供水设施的移动大棚和钢架吊装装置(自行研制)以及地上防辐射板组成。

3、系统地下部分：顶部用钢筋、水泥按系统设计要求浇筑，并预留有机玻璃土柱放置的水泥标准孔，观察、监测的有机玻璃土柱(自行研制、14个根窗、吊装设施)、蒸发天平自动监测系统(自行研制的软件)、土柱水分自动监测系统、温度监测、土柱遮光设施和升降支架、配有观察所需的照明系统，试验仪器等用电设备的供电系统等构成。

4、系统配套设施：按系统设计要求用水泥浇筑而成具有根土沉淀池的洗根场、洗根机、运输根管的洗根车(自行研制)构成。

该系统的建成，具有综合性、操作简便、易于观察、便于取样、误差小、节省人工费用、性价比高等特点，从长远看系统也有超前性，必将对植物根系研究具有一定的推动作用。

5、配套、辅助仪器设备：植物根系自动监测、分析、控水研究系统配套了先进的监测、分析仪器设备，使根系研究的环境得到改观，科学研究更加深入，全年使用，以满足科学研究的需要。

(1)SM200-DT80土壤水分动态监测系统(土壤水分传感器、数字采集器)

(2)TDR200土壤水分探测器

(4)WinRHIZO根系分析系统(升级为专业版、根系扫描仪)

(5)WinFOLIA叶分析系统(升级为专业版、叶片扫描仪)

(6)LI-6400便携式光合测定仪

(7)便携式调制叶绿素荧光仪

(8)蒸发电子天平

(9)蒸发全时监控、数据采集系统(自行研制、数据采集、蒸发曲线)

(10)地上吊装设备(自行研制)

(11)有机玻璃观察、监测土柱(自行研制、14个根窗)

(12)地下有机玻璃土柱升降设施(自行研制)

(13)植物断根环锯(自行研制)

建立具有地下观察室的植物根系研究系统，是在不损伤原有植株的情况下对根系进行原位动态监测、分析最有效的方法。

通过透明的高强度有机玻璃土柱，可以直接观看到根系的生长状态；

通过植物根系监测系统，可以实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度和土壤、植株蒸发量以及作植物根系生长等参数的数据和图像；

利用植物根系和叶片分析软件，可以对植物根系图像和叶片图像进行分析，继而探讨叶片生长与根系生长的关系；

可通过观察土柱上可开合的小窗对根际土壤的水分、养分、温度、微生物等指标进行监测和取样；

还可通过观察土柱上可开合的小窗获取植物根系样品以进行各种生理、生化指标测定分析、进行断根试验；

利用作物根系研究系统，可以很方便地进行农作物、牧草、花卉等植物栽培的根系生理生化以及植物根系空间形态分布研究、植物根系生态学研究、农业生态系统中作物生长及节水灌溉研究，植物根系对盐、干旱、重金属等逆境胁迫的生理生态响应研究、根系衰老研究及植株断根研究等许多方面的研究。

植物根系自动监测、控水、分析研究系统使用后的效益与风险分析

建立植物根系研究系统基本无风险。系统建成后，可一劳永逸地长期使用，对植物根系的观测分析将不再耗费大量人力和财力的传统取根方法，而且快捷、直观、省时、易操作、测量快，提高工作效率。

1、提高生理、生化实验的可信度，减少单一大田试验带来的误差，为更深层次研究提供有力的数据来源。

2、为许多创新性研究可控试验减少一些环境因素的干扰，利于创新研究的实现。

3、节省人力、物力、财力的消耗。可进行多种植物根系的观察、取样、监控、断根等实验。

4、提高实验的效率，可以长年进行生理、生化试验。风险很小，易维护，使用范围广，可进行大量试验，可操作性能强，一旦建成该系统能多年连续使用。

植物根系研究系统具有综合性、操作简便、易于观察、便于取样、误差小、节省人工费用、性价比高等特点，从当前看，本系统是独一无二的，将对植物根系方面更深层次的研究起到举足轻重的作用。

本发明实施例提供的植物根系自动监测系统，有机玻璃土柱在不损伤原有植株的情况下，直接观看根系生长状态，植物根系监测子系统实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度、植株蒸发量以及作植物根系生长参数的数据和图像，植物根系及叶片分析子系统对植物根系图像和叶片图像进行分析，并探讨叶片生长与根系生长的关系，可通过观察有机玻璃土柱上可开合的小窗对根际土壤的水分、养分、温度、微生物指标进行监测和取样，以进行各种生理、生化指标测定分析、进行断根试验，提高了生理、生化实验的可信度，减少了单一大田试验带来的误差，为更深层次研究提供了有力的数据来源，为许多创新性研究可控试验减少一些环境因素的干扰，利于创新研究的实现，节省了人力、物力、财力的消耗，可进行多种植物根系的观察、取样、监控、断根实验，可长年进行生理、生化试验，风险很小，易维护，使用范围广，可操作性能强，具有较强的推广与应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种植物根系自动监测系统，其特征在于，该自动监测系统包括：

有机玻璃土柱，用于在不损伤原有植株的情况下，直接观看根系生长状态；

植物根系监测子系统，用于实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度、植株蒸发量以及作植物根系生长参数的数据和图像；

植物根系及叶片分析子系统，用于对植物根系图像和叶片图像进行分析，并探讨叶片生长与根系生长的关系。

2.如权利要求1所述的自动监测系统，其特征在于，有机玻璃土柱上设置有对根际土壤的水分、养分、温度、微生物进行监测和取样的可开合式小窗。

3.如权利要求2所述的自动监测系统，其特征在于，该自动监测系统还可通过观察有机玻璃土柱上可开合式小窗获取植物根系样品，以进行各种生理、生化指标测定分析及断根试验。

4.如权利要求1所述的自动监测系统，其特征在于，所述植物根系监测子系统中设置有SM200-DT80土壤水分动态监测子系统、TDR200土壤水分探测器、蒸发电子天平、蒸发全时监控及数据采集子系统。

5.如权利要求4所述的自动监测系统，其特征在于，所述SM200-DT80土壤水分动态监测子系统中设置有土壤水分传感器、数字采集器。

6.如权利要求1所述的自动监测系统，其特征在于，所述植物根系及叶片分析子系统中设置有WinRHIZO根系分析子系统、WinFOLIA叶分析子系统、LI-6400便携式光合测定仪、便携式调制叶绿素荧光仪。

7.如权利要求1所述的自动监测系统，其特征在于，该自动监测系统还包括：观察室，由钢筋及水泥构建而成，用于放置有机玻璃土柱，并通过有机玻璃土柱直接观看根系生长状态；

系统地上部分，采用防锈钢架拱型结构，由顶部为透光遮雨板材、四周为通风防雨板材及供电供水设施的移动大棚、钢架吊装装置及地上防辐射板组成；

系统地下部分，顶部用钢筋及水泥浇筑而成，并预留有机玻璃土柱放置的水泥标准孔，观察、监测的有机玻璃土柱；

系统配套设施，用水泥浇筑而成，具有根土沉淀池的洗根场、洗根机、运输根管的洗根车构成；

系统辅助仪器设备，由有机玻璃土柱地上吊装设备、地下有机玻璃土柱升降设施及植物断根环锯构成，用于与有机玻璃土柱相配合使用。

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