CN103499507A - 植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，将气穴栓塞化装置，水分传导装置、电子天平等整合为一体。把枝条水力传导和枝条气穴栓塞模拟二者有机结合，利用气穴栓塞模拟装置，对枝条施加一系列的气体压力，模拟形成不同的气穴栓塞后，测定枝条的水分传导速率，绘制枝条水分传导脆弱性曲线，对植物脆弱性曲线进行比较，揭示植物间的干旱适应能力。本发明操作方便，对数据能够自动记录，将为植物干旱适应能力，干旱适应机制的研究奠定基础和提供有力手段。

Description

植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪

技术领域

本发明涉及一种测定仪，具体是指一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪。

背景技术

绿色植物的枝条木质部是根吸收的水分向叶片和其它器管运输的主要通道。适宜条件下，植物枝条运输水分的能力越强，植物叶光合能力越强，固定的同化产物越多；逆境胁迫下植物枝条抗气穴发生的能力越强，其维持水力传导的能力也越强，植物干旱适应性就越好。

干旱胁迫下，随植物水势的持续下降，枝条气穴化栓塞程度会越来越严重，这是实现植物枝条气穴栓塞最普遍的方法。但该方法一般需要1-2月时间持续跟踪，才能获得完整数据，消耗科研工作者大量的时间和精力。为提高效率，研究人员研制了一种模拟气穴化的离心装置，其原理是将一定长度的植物枝条固定在离心机上，在一定转速下高速离心，通过离心力对枝条产生一定压力，枝条导管发生气穴栓塞；离心转速越高，产生的离心力越大，枝条承受的压力越大，导管气穴栓塞程度越严重。枝条气穴栓塞模拟完成后，测定水分传导速率。测定原理为：枝条在一定水头压力下（~50cm）测定枝条水分传导速率（K_simulate），之后在高压水头下(100~180KPa)彻底冲洗枝条，使得气穴栓塞化导管恢复水分传导功能，然后在相同的水头压力下（~50cm）下测定枝条的最大水分传导速率(K_max)，枝条的水分传导速率与最大水分传导速率之比即为枝条水分传导损失率（PLC= K_simulate/ K_max×100%）。

由于植物在一定的负压下木质部导管会发生气穴栓塞，对枝条施加一定的气体压力，会产生于干旱胁迫下或离心力施压下相同的气穴栓塞化效果，因此对枝条施加气体压力产生气穴栓塞是模拟植物干旱胁迫的有效途径，但该装置目前尚未开发研制。另一方面，目前国内外实验室自行研制的测定枝条水分传导的装置简单，没有将枝条气穴栓塞化模拟装置和枝条水分传导装置结合起来，形成一个完整系统。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪。通过对枝条施加气体压力，使得植物枝条发生气穴栓塞，从而模拟自然界植物枝条的干旱发生，之后在~50cm水头压力下，测定枝条高压水流（100~180KPa）冲洗之前和之后的水分传导速率，从而确定植物在一定气体压力下木质部水分传导损失率和栓塞化程度。通过施加一系列的压力，得到一系列枝条对应的木质部水分传导损失率值，绘制枝条水分传导脆弱性曲线，评价植物的抗栓塞化能力，即干旱适应能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，主要由模拟气穴栓塞装置1、空心钢管2、调控压力阀3 、高压氮气罐 4、高压供水装置5、装ＫCL溶液防高压水袋6、装ＫCL溶液水袋 7、透明供水塑料管 8、三通阀门9 、枝条接头装置 10、 电子天平11、量筒12、数据线 13、笔记本电脑14 构成。空心钢管2连接的并列模拟气穴栓塞装置1，再通过空心钢管2与高压氮气罐4顶部的调控压力阀3相连；调控压力阀3通过空心钢管2与高压供水装置5连接，高压供水装置5内部置有装ＫCL溶液防高压水袋6，透明供水塑料管8通过三通阀门9一端与装ＫCL溶液防高压水袋6连通，一端与装ＫCL溶液水袋7连通，另一端与左侧枝条接头装置10相连；透明供水塑料管8相连右侧枝条接头装置10后穿过电子天平11的玻璃罩，其末端浸入量筒12的ＫＣＬ溶液中，量筒12放置在电子天平11上，电子天平11通过数据线13与电脑14连接。

上述模拟气穴栓塞装置1是由一组1＃不锈钢中空螺栓15、1＃不锈钢中空螺帽16和1＃中空橡胶17构成。1＃不锈钢中空螺栓15两端分别嵌有1＃中空橡胶17，1＃不锈钢中空螺帽16通过内螺纹旋紧到1＃不锈钢空心螺栓15两端外螺纹中。

上述高压供水装置5为承受200 KPa的金属容器, 高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖18的凹槽中嵌有中空橡胶垫圈20，不锈钢容器螺帽19内螺纹旋入高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖18凹槽的外螺纹中。

上述枝条接头装置10为枝条帽卡套式接头，包括2＃不锈钢中空螺栓21，2＃不锈钢中空螺帽22和2＃中空橡胶23，2＃中空橡胶23嵌入2＃不锈钢中空螺栓21中，2＃不锈钢中空螺帽22内螺纹旋入2＃不锈钢中空螺栓21的外螺纹中。

本发明与现有枝条水分传导技术方案和枝条水分测定仪器的技术相比具有的优点：

1、本发明根据植物枝条的结构和水分运输原理，将气穴栓塞化装置、水分传导装置、电子天平等整合为一体，将枝条水力传导和枝条气穴栓塞模拟二者有机结合。利用气穴栓塞模拟装置，对枝条施加一系列的气体压力，形成不同的气穴栓塞后，测定枝条的水分传导速率，绘制枝条水分传导脆弱性曲线。对植物脆弱性曲线进行比较，揭示植物间的干旱适应能力；

2、对现有仪器的高压供水装置进行了改进，从而避免高压下气体溶于水中后影响到对枝条气穴栓塞化导管的彻底冲洗；

3、 本发明将植物枝条气穴栓塞与水分传导测定仪与电子天平连接，电子天平每隔一定时间将水分传导数据实时传输给笔记本电脑进行保存，提高了数据的准确性，减轻人工劳动量，操作更人性化和合理化。

4、本发明操作方便，对数据能够自动记录，满足实验仪器标准和需求，将为植物干旱适应能力，干旱适应机制的研究奠定基础和提供揭示手段。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1气穴栓塞模拟装置结构示意图。

图3为图1 100~180KPa高压供水装置容器顶盖结构示意图。

图4为图1枝条接头装置示意图。

图5为PLC和水势（MPa）拟合的图。

图中:

1-模拟气穴栓塞装置 2-空心钢管 3-调控压力阀 4-高压氮气罐 5-高压供水装置 6-装ＫCL溶液防高压水袋 7-装ＫCL溶液水袋 8-透明供水塑料管 9-三通阀门 10-枝条接头装置 11-电子天平 12-量筒 13-数据线 14-笔记本电脑 15-1＃不锈钢中空螺栓 16-1＃不锈钢中空螺帽 17-1＃中空橡胶 18-高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖 19 -不锈钢容器螺帽 20-中空橡胶垫圈 21-2＃不锈钢中空螺栓 22-2＃不锈钢中空螺帽 23-2＃中空橡胶。

具体实施方式

如图1-4所示，一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，主要由模拟气穴栓塞装置1、空心钢管2、调控压力阀3 、高压氮气罐 4、装ＫCL溶液防高压水袋6、装ＫCL溶液水袋 7、透明供水塑料管 8、三通阀门9 、枝条接头装置 10、 电子天平11、量筒12、数据线 13、笔记本电脑14 构成。 空心钢管2连接并列的4个模拟气穴栓塞装置1。模拟气穴栓塞装置1为1＃不锈钢中空螺栓15两端嵌有1＃中空橡胶17，1＃不锈钢中空螺帽16通过内螺纹旋紧到1＃不锈钢中空螺栓15两端的外螺纹中（见图2）。模拟气穴栓塞装置1通过空心钢管2与高压氮气罐4顶部调控压力阀3相连；调控压力阀3再通过空心钢管2与高压供水装置5连接。高压供水装置5为承受200 KPa的金属容器，容器内部放置能承受180KPa装ＫCL溶液防高压水袋6。容器顶盖为中空橡胶垫圈20嵌入到高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖18的凹槽中，不锈钢容器螺帽19内螺纹旋入高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖18凹槽的外螺纹中（见图3）。向枝条供水的水路为两路：一路为透明供水塑料管8通过高压供水装置5的顶盖后，与装KCL溶液抗高压水袋6的连接，另一路透明供水塑料管8连接高于三通阀门9 50cm处装ＫCL溶液防高压水袋7；二路透明供水塑料管8连接三通阀门9后，通过透明供水塑料管8与左侧枝条接头装置10相连，之后连接枝条。枝条的另一端连接右侧枝条接头装置10，之后连接透明供水塑料管8，透明供水塑料管8通过电子天平玻璃罩上的固定装置，管末浸入电子天平玻璃罩内量筒12中的ＫＣＬ溶液中，盛有ＫＣＬ溶液的量筒12放置电子天平11上，电子天平11与电源相接，称量数据通过数据线13传输到电脑14。

上述装置组装完成后，选取植物材料进行水分传导测定。过程如下：

1、从植物上剪取相同位置生长，直径小于2cm的枝条4~6枝，立即置于超纯水中，水下距剪切端1-2cm处将枝条再次剪切，之后将剪切端口置于水中，将枝条用黑色塑料袋密封包裹；

2、测定枝条水势，湿生植物枝条水势为-0.4 MPa,旱生植物枝条水势<-2.5 MPa；

3、取出一个枝条，剪切端连接手压空气泵，对枝条施压空气，同时用锋利刀片将枝条从另一端逐次截短，当木质部导管中有首个气泡冒出，停止剪切，测剩余枝条的长度，其长度为木质部导管分子的最大长度（cm）；

4、再取一个枝条，在水下剪取不具分支，长度是木质部最大导管分子长度1.2倍的枝段，去掉两端长1cm左右的韧皮部；

5、枝条两端木质部套上吸水后的海绵套保湿，之后置于气穴栓塞模拟装置中，打开高压气罐4，通过左侧调控压力阀3给枝条施加低于枝条水势0.5MPa的气压，迫使枝条发生气穴栓塞，时间为30min，使枝条水势和气压值完全相同；

6、装ＫCL溶液防高压水袋6、装ＫCL溶液水袋7，量筒11中注入已抽滤、去空气的KCL溶液，调节三通阀门9使得透明供水塑料管8和右侧枝条接头装置10中充满KCL溶液；注射器与右侧枝条接头装置10相接，抽取透明供水塑料管8和右侧枝条接头装置10中的空气，使得量筒12中的ＫＣＬ溶液充满整个透明供水塑料管8直至右侧枝条接头装置10的顶端；

7、枝条气穴栓塞化完成后，两端木质部接在枝条接头装置10上（注意枝条水流的方向和自然界枝条中水分运输的方向一致），检查透明供水塑料管8中是否有气泡，若有，重新连接；

8、调节三通阀门9，打开装ＫCL溶液水袋 7与枝条接头装置水导通路，枝条在50cm水头压力下开始导水，导水量通过电子天平11显示，并通过数据线1３传给笔记本电脑进行记录和保存，测定时间为３０min；

9、重复上述4-7步骤，同时每进行一次重复，气穴栓塞装置1中的气压值增加0.5MPa，获得不同水势下的枝条水分传导速率；

10、水分传导测定完毕，关闭装ＫCL溶液水袋 7与枝条接头装置10的水分传导通路，打开右侧可调控压力阀3，给高压供水装置5供100-180KPa的压力（压力根据植物材料确定，旱生植物高，湿生植物低）；

11、通过三通阀门9打开装ＫCL溶液防高压水袋6与枝条接头装置10的水分通路，将枝条高压冲洗10-30min；

12、关闭装ＫCL溶液防高压水袋6与枝条接头装置10的水分通路，打开装ＫCL溶液水袋 7与枝条接头装置10的水分传导通路，在50cm水头压力下根据步骤7测定冲洗后的枝条水分传导速率K _max。

13、水分传导损失率计算公式为：PLC = 100(K _max − K _simulate)/K _max.

14、剩余2~4个枝条重复5~10的步骤；

15、以枝条水势（MPa）为横轴，以测定的PLC数据为纵轴作图，用ＰＬＣ＝１００/[1+exp(a(ψ-b))]来拟合，PLC和水势（MPa）拟合的图见图5，方程为K_leaf=100/(1+exp (-0.29(ψ_leaf-2.78), 枝条失去50%水分传导时木质部的水势b为2.78 MPa；

16、方程拟合得到的参数b的值为枝条失去50%水分传导时木质部的水势。b越大，植物抗气穴栓塞的能力越强，抗旱性越好，反之亦然。

Claims (4)

1.一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，主要由模拟气穴栓塞装置（1）、空心钢管（2）、调控压力阀（3） 、高压氮气罐（4）、高压供水装置（5）、装ＫCL溶液防高压水袋（6）、装ＫCL溶液水袋（7）、透明供水塑料管（8）、三通阀门（9）、枝条接头装置（10）、电子天平（11）、量筒（12）、数据线（13）、笔记本电脑（14） 构成，其特征是空心钢管（2）连接的并列模拟气穴栓塞装置（1），再通过空心钢管（2）与高压氮气罐（4）顶部的调控压力阀（3）相连；调控压力阀（3）通过空心钢管（2）与高压供水装置（5）连接，高压供水装置（5）内部置有装ＫCL溶液防高压水袋（6），透明供水塑料管（8）通过三通阀门（9）一端与装ＫCL溶液防高压水袋（6）连通，一端与装ＫCL溶液水袋（7）连通，另一端与左侧枝条接头装置（10）相连；透明供水塑料管（8）相连右侧枝条接头装置（10）后穿过电子天平玻璃罩，其末端浸入量筒（12）的ＫＣＬ溶液中，量筒（12）放置在电子天平（11）上，电子天平（11）通过数据线（13）与电脑（14）连接。

2.根据权利要求1所述一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，上述模拟气穴栓塞装置（1），其特征是1＃不锈钢中空螺栓（15）两端嵌有1＃中空橡胶（17），1＃不锈钢中空螺帽（16）通过内螺纹旋入到1＃不锈钢中空螺栓（15）的外螺纹中。

3.根据权利要求1所述一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，其特征是上述高压供水装置（5）为承受200KPa的金属容器，高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖（18）的凹槽中嵌有中空橡胶垫圈（20），不锈钢容器螺帽（19）内螺纹旋入高压ＫCL溶液供给装置容器顶盖（18）凹槽的外螺纹中。

4.根据权利要求1所述一种植物枝条气穴栓塞模拟与水分传导测定仪，上述枝条接头装置（10）为枝条接头装置，包括2＃不锈钢中空螺栓（21）、2＃不锈钢中空螺帽（22）、2＃中空橡胶（23），2＃中空橡胶（23）嵌入2＃不锈钢中空螺栓（21）中，2＃不锈钢中空螺帽（22）内螺纹旋入2＃不锈钢中空螺栓（21）的外螺纹中。

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