CN104221740B - 连续量化标记植物的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置，由植物同化室、植物盆栽系统、13C-CO2丰度控制系统、滴灌系统、温度控制系统、湿度控制系统、大气压力控制系统组成。本发明还公开了利用上述装置进行连续量化标记植物的方法。本发明通过13C-CO2丰度控制系统对植物进行连续13C标记，通过滴灌系统对植物进行连续15N标记，通过温度控制系统、湿度控制系统与大气压力控制系统，可以使得植物同化室内部温度、湿度与大气压力在同位素标记的过程中处于稳定水平。本发明不仅能够在植物整个生育期内对植物进行连续标记，而且能够实现13C和15N两种稳定同位素的同时标记。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续量化标记植物的装置，更具体地涉及一种联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置。
本发明还涉及利用上述装置进行连续量化标记植物的方法。
背景技术
土壤-植物-大气连续体中物质和能量的交换及信息传递过程是陆地生态系统过程的核心内容，其中的碳与氮循环已成为最近十几年来全球变化研究的热点。稳定同位素示踪技术是定量研究土壤-植物-大气连续体中碳与氮循环的重要手段，联合13C和15N同位素标记技术可以为研究土壤-植物-大气中碳氮过程耦合机制提供十分有价值的信息。稳定同位素标记技术包括脉冲标记和连续标记。脉冲标记技术较容易掌握，设备要求低、费用低，因此目前被应用的较为广泛。
然而，脉冲标记技术由于是一次性加入高丰度的同位素，标记只持续数小时，因此只能示踪短时间内物质在土壤-植物-大气体系中的迁移转化情况，而无法提供植物整个生育期内的全部信息。另外，脉冲标记技术无法使得同位素在土壤-植物-大气整个体系中具有均匀的分布，而且无法区分不同生物标志化合物之间同位素组成的差异。
连续标记技术则是在植物生长某个生育时期，甚至整个生育时期内，对植物进行不间断标记的一种方法，它可以追踪不同生育时期物质在土壤-植物-大气体系中的分配、迁移与转化的动态过程，此外，联合多种同位素的连续标记技术还可以在微观分子的水平上揭示陆地生态系统生物地球化学的循环过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置。
本发明的又一目的是提供一种利用上述装置进行连续量化标记植物的方法。
为实现上述目的，本发明提供的联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置，主要由植物同化室、植物盆栽系统、13C-CO2丰度控制系统、滴灌系统、温度控制系统、湿度控制系统以及大气压力控制系统组成；其中：
植物同化室为一密封的箱体，内部安放有植物盆栽系统，植物盆栽系统由栽种在盆中的植株组成；
植物盆栽系统中栽种植株的盆置于隔板形成的封闭空间内，封闭空间内部设有盛放碱溶液的第一容器，用于吸收植株根系产生的CO2；封闭空间内通过导管连接盛放碱溶液的第二容器，盛放碱溶液的第二容器与大气相通，过滤大气中的CO2；封闭空间内的土壤通过蠕动泵连接15N-KNO3溶液的第四容器；
植物同化室内通过第一电磁阀与外部的13C-CO2高压气瓶和数据采集控制器相连接，数据采集控制器分别与CO2分析器和计算机相连接；由13C-CO2高压气瓶、CO2分析器、数据采集控制器和计算机组成13C-CO2丰度控制系统；
植物同化室内通过第二电磁阀分别与外部盛放碱溶液的第三容器和数据采集控制器相连接，盛放碱溶液的第三容器与空气高压气瓶相连接；由空气高压气瓶、大气压力感应器、数据采集控制器和计算机组成大气压力控制系统；
植物同化室内设置有连接至数据采集控制器和CO2分析器的风扇、温度感应器、湿度感应器、大气压力感应器和除湿器；由风扇、温度感应器、数据采集控制器和计算机组成温度控制系统；由湿度感应器、除湿器、数据采集控制器和计算机组成湿度控制系统。
所述的装置中，植物同化室以及封闭空间与外部的连接处均用真空绝缘硅树脂进行密封。
所述的装置中，植物同化室以及栽种植株的盆均由透明有机玻璃板构成，透光率大于85％。
所述的装置中，碱溶液为质量浓度40％的NaOH溶液。
所述的装置中，15N-KNO3溶液的浓度为200mgL-1，15N-KNO3的纯度为98％。
本发明提供的利用上述装置进行连续量化标记植物的方法：
外界大气首先通过盛放碱溶液的第二容器，过滤掉大气中的CO2，之后进入栽种植株的封闭空间内，封闭空间内部设有盛放碱溶液的第一容器用于吸收植株根系产生的CO2；第四容器中的15N-KNO3溶液在蠕动泵的抽取下，以滴灌的方式输入到土壤中；
植物同化室内部的13C-CO2进入CO2分析器后又返回到植物同化室，经CO2分析器分析后，得出植物同化室内部的13C-CO2浓度，并将13C-CO2的浓度信息反馈给数据采集控制器，由数据采集控制器将13C-CO2的浓度信息输出到计算机，计算机分析判断后将13C-CO2浓度调控指令输入到数据采集控制器，最终由数据采集控制器开启第一电磁阀，调控13C-CO2高压气瓶中13C-CO2向植物同化室内的输入通量，使植物同化室内部13C-CO2浓度维持在360ppm～400ppm之间；
植物同化室内的温度信息由温度感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将温度信息输出到计算机，计算机分析判断后将温度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器启动风扇，直至植物同化室内部温度维持在26℃～28℃之间；
植物同化室内的湿度信息由湿度感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将湿度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将湿度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器启动除湿器，直至植物同化室内湿度维持在70％～80％之间；
植物同化室内的大气压力信息由大气压力感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将湿度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将湿度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器开启第二电磁阀，调控植物同化室空气的输入，或开启第三电磁阀，调控植物同化室空气的输出，使植物同化室内部大气压力维持在一个大气压的水平。
所述的方法中，第四容器中的15N-KNO3溶液滴灌的速率、次数及每次持续时间根据植物种类及其生育期特点而定。
本发明提供的联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置和方法，不仅能够在植物整个生育期内对植物进行连续标记，而且能够实现13C和15N两种稳定同位素的同时标记；此外，本发明装置对植物同化室内部温度、湿度、大气压力以及CO2浓度采用智能控制，可以使得植物同化室内部温度、湿度、大气压力以及CO2浓度在同位素标记的过程中处于稳定水平，从而保证了植物光合作用过程不受环境条件改变的影响。
附图说明
图1为联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置示意图。
图1中标记说明：
1为植物同化室，2为PVC盆，3-1、3-2与3-3为PVC隔板，4为植株，5为植物根系，6为土壤，7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6、7-7、7-8、7-9、7-10、7-11、7-12、7-13与7-14为真空绝缘硅树脂，8为风扇，9为温度感应器，10为湿度感应器，11为大气压力感应器，12为除湿器，13为数据采集控制器，14为CO2分析器，15为计算机，16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6、16-7、16-8、16-9与16-10为数据线，17-1第一电磁阀，17-2第二电磁阀，17-3第三电磁阀，18-1为13C-CO2高压气瓶，18-2为空气高压气瓶，19-1与19-2为减压阀，20为蠕动泵，21-1第一容器，21-2第二容器，21-3第三容器，21-4第四容器，22-1、22-2与22-3为40％的NaOH溶液，23为200mgL-1的15N-KNO3溶液，24-1、24-2、24-3、24-4、24-5、24-6、24-7、24-8、24-9与24-10为PVC导管。
具体实施方案
本发明提供的联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置，包括：植物同化室、植物盆栽系统、13C-CO2丰度控制系统、滴灌系统、温度控制系统、湿度控制系统、大气压力控制系统。
植物同化室的特征在于：植物同化室是一个密封的同位素标记箱，由透明有机玻璃板(透光率大于85％)构成，长×宽×高的尺寸为60cm×40cm×100cm。
植物盆栽系统的特征在于：PVC盆由有机玻璃板构成，长×宽×高的尺寸为30cm×20cm×45cm；PVC盆中装有土壤，土壤上栽培植株；PVC盆上方安装有PVC隔板，使得PVC盆内部与植物同化室内部产生隔绝；PVC盆内安放的PVC杯中装有浓度为40％的NaOH溶液，用于吸收植物根系呼吸产生的CO2；PVC盆内部与外界大气相通，外界大气首先通过浓度为40％的NaOH溶液，过滤掉大气中的CO2，之后进入PVC盆内部。
13C-CO2丰度控制系统的特征在于：植物同化室内部的13C-CO2进入CO2分析器，之后又返回到植物同化室；CO2分析器经过分析之后，得出植物同化室内部的13C-CO2的浓度，并将13C-CO2的浓度信息反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将13C-CO2的浓度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将13C-CO2浓度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器通过开启电磁阀调控13C-CO2高压气瓶中13C-CO2向植物同化室内部的输入通量，使得植物同化室内部13C-CO2浓度维持在360ppm～400ppm之间；13C-CO2高压气瓶中13C-CO2的体积百分比浓度为99％；13C-CO2高压气瓶输出口处安装有减压阀，用于调节13C-CO2的输出通量。
滴灌系统的特征在于：15N-KNO3溶液在蠕动泵的抽取下，以滴灌的方式输入到土壤中；滴灌的速率、次数及每次持续时间根据植物种类与其生育期特点而定；15N-KNO3溶液的浓度为200mgL-1，15N-KNO3的纯度为98％。
温度控制系统的特征在于：植物同化室内部的温度信息由温度感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将温度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将温度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器通过启动风扇使得植物同化室内部温度维持在26℃～28℃之间。
湿度控制系统的特征在于：植物同化室内部的湿度信息由湿度感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将湿度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将湿度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器通过启动除湿器使得植物同化室内部湿度维持在70％～80％之间。
大气压力控制系统的特征在于：植物同化室内部的大气压力信息由大气压力感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将湿度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将湿度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器通过开启电磁阀调控植物同化室空气的输入或输出，使得植物同化室内部大气压力维持在一个大气压的水平；植物同化室内部与空气高压气瓶相连，空气高压气瓶中的空气首先通过浓度为40％的NaOH溶液，过滤掉空气中的CO2，之后进入植物同化室内部；空气高压气瓶输出口处安装有减压阀，用于调节空气的输出通量。
以下结合附图对本发明作详细描述。
请参阅图1。本发明提供的联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置，包括：植物同化室1、植物盆栽系统、13C-CO2丰度控制系统、滴灌系统、温度控制系统、湿度控制系统、大气压力控制系统。
植物同化室1是由透明有机玻璃板(透光率大于85％)构成的密封标记箱，长×宽×高的尺寸为60cm×40cm×100cm。
PVC盆2由有机玻璃板构成，长×宽×高的尺寸为30cm×20cm×45cm；PVC盆2中装有土壤6，土壤6上栽培植株4；PVC盆2上方安装有PVC隔板3-1，使PVC盆2内部与植物同化室1内部产生隔绝；植株4与PVC隔板3-1的联接处通过真空绝缘硅树脂7-1进行密封；PVC盆2内安放的第一容器21-1中装有浓度为40％的NaOH溶液22-1，用于吸收植物根系5呼吸产生的CO2；PVC盆2内部与外界大气相通，外界大气首先通过PVC导管24-7进入第二容器21-2中浓度为40％的NaOH溶液22-2，过滤掉大气中的CO2后通过PVC导管24-6进入PVC盆2内部；第二容器21-2上方安装有PVC隔板3-2，使第二容器21-2内部与植物同化室1内部产生隔绝；PVC导管24-6与PVC隔板3-1联接处通过真空绝缘硅树脂7-2进行密封，与PVC隔板3-2联接处通过真空绝缘硅树脂7-5进行密封；PVC导管24-7与PVC隔板3-2联接处通过真空绝缘硅树脂7-4进行密封，与植物同化室1联接处通过真空绝缘硅树脂7-6进行密封。
植物同化室1内部的13C-CO2通过PVC导管24-9进入CO2分析器14，之后又通过PVC导管24-10返回到植物同化室1；CO2分析器14经过分析之后，得出植物同化室1内部的13C-CO2的浓度，并将13C-CO2的浓度信息通过数据线16-7反馈给数据采集控制器13，之后数据采集控制器13将13C-CO2的浓度信息通过数据线16-8输出到计算机15，计算机15通过分析判断后将13C-CO2浓度调控指令通过数据线16-8输入到数据采集控制器13，最终数据采集控制器13通过数据线16-9开启第一电磁阀17-1，调控13C-CO2高压气瓶中13C-CO2向植物同化室1内部的输入通量，使植物同化室1内部13C-CO2浓度维持在360ppm～400ppm之间；13C-CO2高压气瓶18-1中13C-CO2的体积百分比浓度为99％；13C-CO2高压气瓶18-1输出口处安装有减压阀19-1，用于调节13C-CO2的输出通量；PVC导管24-1上安装有第一电磁阀17-1，PVC导管24-1与植物同化室1联接处通过真空绝缘硅树脂7-9进行密封。
第四容器21-4中的15N-KNO3溶液23在蠕动泵20的抽取下，以滴灌的方式输入到土壤6中；滴灌的速率、次数及每次持续时间根据植物种类与其生育期特点而定。15N-KNO3溶液的浓度为200mgL-1，15N-KNO3的纯度为98％；PVC导管24-4一端浸入15N-KNO3溶液，另一端与蠕动泵20连接；PVC导管24-5一端与蠕动泵20连接，另一端浸入土壤6中；PVC导管24-5与植物同化室1联接处通过真空绝缘硅树脂7-14进行密封，与PVC隔板3-1联接处通过真空绝缘硅树脂7-3进行密封。
植物同化室1内部的温度信息由温度感应器9通过数据线16-2反馈给数据采集控制器13，之后数据采集控制器13将温度信息通过数据线16-8输出到计算机15，计算机15通过分析判断后将温度调控指令通过数据线16-8输入到数据采集控制器13，最终数据采集控制器13通过数据线16-1启动风扇8，直至植物同化室1内部温度维持在26℃～28℃之间。
植物同化室1内部的湿度信息由湿度感应器10通过数据线16-3反馈给数据采集控制器13，之后数据采集控制器13将湿度信息通过数据线16-8输出到计算机15，计算机15通过分析判断后将湿度调控指令通过数据线16-8输入到数据采集控制器13，最终数据采集控制器13通过数据线16-5启动除湿器12，直至植物同化室1内部湿度维持在70％～80％之间。
植物同化室1内部的大气压力信息由大气压力感应器11通过数据线16-4反馈给数据采集控制器13，之后数据采集控制器13将湿度信息通过数据线16-8输出到计算机15，计算机15通过分析判断后将湿度调控指令通过数据线16-8输入到数据采集控制器13，最终数据采集控制器13通过数据线16-10开启第二电磁阀17-2，调控植物同化室1空气的输入，或通过数据线16-6开启第三电磁阀17-3，调控植物同化室1空气的输出，使得植物同化室1内部大气压力维持在一个大气压的水平。植物同化室1内部与空气高压气瓶18-2相连，空气高压气瓶中的空气首先通过PVC导管24-2进入第三容器21-3中浓度为40％的NaOH溶液22-3，过滤掉空气中的CO2，之后通过PVC导管24-3进入植物同化室1内部；空气高压气瓶18-2输出口处安装有减压阀19-2，用于调节空气的输出通量；第三容器21-3上方安装有PVC隔板3-3，使得第三容器21-3内部与外界大气产生隔绝；PVC导管24-2与PVC隔板3-3联接处通过真空绝缘硅树脂7-8进行密封，PVC导管24-3与PVC隔板3-3联接处通过真空绝缘硅树脂7-7进行密封，与植物同化室1联接处通过真空绝缘硅树脂7-10进行密封；植物同化室1空气输入线PVC导管24-3上安装有第二电磁阀17-2，植物同化室1空气输出线PVC导管24-8上安装有第三电磁阀17-3，PVC导管24-8与植物同化室1联接处通过真空绝缘硅树脂7-11进行密封。
以下以栽培玉米植物为例，介绍本发明的具体使用步骤：
1、将玉米幼苗移栽到装有土壤6的PVC盆2中；
2、往PVC第一容器杯21-1、第二容器21-2与第三容器21-3中分别加入40％的NaOH溶液500ml、1000ml与1500ml；
3、往第四容器21-4中加入200mg/L的15N-KNO3溶液3000ml；
4、按照图1所示，将所有的PVC导管与数据线连接好，在PVC盆2、第二容器21-2与第三容器21-3的上方分别盖上PVC隔板3-1、PVC隔板3-2与PVC隔板3-3进行密封，对植物同化室1进行组装并密封；
5、打开13C-CO2高压气瓶18-1的减压阀19-1与空气高压气瓶18-2的减压阀19-2；
6、开启计算机15、数据采集控制器13、CO2分析器14；
7、分别在玉米生长的苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期与吐丝期进行开启蠕动泵20，调节蠕动泵的抽取速率，使得滴灌的速率为5ml/min，苗期蠕动泵开启的持续时间为1h，拔节期与大喇叭口期蠕动泵开启的持续时间为2h，抽雄期与吐丝期蠕动泵开启的持续时间为1.5h。
本发明可以使得整个植株的13C原子百分比和15N原子百分比分别达到4.46％和6.69％，植株不同部位之间13C原子百分比的差异和15N原子百分比的差异分别可达1.29％和0.57％。
Claims (7)
1.一种联合13C-CO2与15N-KNO3连续量化标记植物的装置，主要由植物同化室、植物盆栽系统、13C-CO2丰度控制系统、滴灌系统、温度控制系统、湿度控制系统以及大气压力控制系统组成；其中：
植物同化室为一密封的箱体，内部安放有植物盆栽系统，植物盆栽系统由栽种在盆中的植株组成；
植物盆栽系统中栽种植株的盆置于隔板形成的封闭空间内，封闭空间内部设有盛放碱溶液的第一容器，用于吸收植株根系产生的CO2；封闭空间内通过导管连接盛放碱溶液的第二容器，盛放碱溶液的第二容器与大气相通，过滤大气中的CO2；封闭空间内的土壤通过蠕动泵连接15N-KNO3溶液的第四容器；
植物同化室内通过第一电磁阀与外部的13C-CO2高压气瓶和数据采集控制器相连接，数据采集控制器分别与CO2分析器和计算机相连接；由13C-CO2高压气瓶、CO2分析器、数据采集控制器和计算机组成13C-CO2丰度控制系统；
植物同化室内通过第二电磁阀分别与外部盛放碱溶液的第三容器和数据采集控制器相连接，盛放碱溶液的第三容器与空气高压气瓶相连接；由空气高压气瓶、大气压力感应器、数据采集控制器和计算机组成大气压力控制系统；
植物同化室内设置有连接至数据采集控制器和CO2分析器的风扇、温度感应器、湿度感应器、大气压力感应器和除湿器；由风扇、温度感应器、数据采集控制器和计算机组成温度控制系统；由湿度感应器、除湿器、数据采集控制器和计算机组成湿度控制系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，植物同化室以及封闭空间与外部的连接处均用真空绝缘硅树脂进行密封。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，植物同化室以及栽种植株的盆均由透明有机玻璃板构成，透光率大于85％。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，碱溶液为质量浓度40％的NaOH溶液。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，15N-KNO3溶液的浓度为200mgL-1，15N-KNO3的纯度为98％。
6.利用权利要求1所述装置进行连续量化标记植物的方法：
外界大气首先通过盛放碱溶液的第二容器，过滤掉大气中的CO2，之后进入栽种植株的封闭空间内，封闭空间内部设有盛放碱溶液的第一容器用于吸收植株根系产生的CO2；第四容器中的15N-KNO3溶液在蠕动泵的抽取下，以滴灌的方式输入到土壤中；
植物同化室内部的13C-CO2进入CO2分析器后又返回到植物同化室，经CO2分析器分析后，得出植物同化室内部的13C-CO2浓度，并将13C-CO2的浓度信息反馈给数据采集控制器，由数据采集控制器将13C-CO2的浓度信息输出到计算机，计算机分析判断后将13C-CO2浓度调控指令输入到数据采集控制器，最终由数据采集控制器开启第一电磁阀，调控13C-CO2高压气瓶中13C-CO2向植物同化室内的输入通量，使植物同化室内部13C-CO2浓度维持在360ppm～400ppm之间；
植物同化室内的温度信息由温度感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将温度信息输出到计算机，计算机分析判断后将温度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器启动风扇，直至植物同化室内部温度维持在26℃～28℃之间；
植物同化室内的湿度信息由湿度感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将湿度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将湿度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器启动除湿器，直至植物同化室内湿度维持在70％～80％之间；
植物同化室内的大气压力信息由大气压力感应器反馈给数据采集控制器，之后数据采集控制器将湿度信息输出到计算机，计算机通过分析判断后将湿度调控指令输入到数据采集控制器，最终数据采集控制器开启第二电磁阀，调控植物同化室空气的输入，或开启第三电磁阀，调控植物同化室空气的输出，使植物同化室内部大气压力维持在一个大气压的水平。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，第四容器中的15N-KNO3溶液滴灌的速率、次数及每次持续时间根据植物种类及其生育期特点而定。
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