CN106483038A - 植物根压和蒸腾拉力测定仪及其测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了植物根压和蒸腾拉力测定仪及其测定方法，采用能够密封的玻璃管，用水密封住一段空气，另一端连接植物茎的断面，植物蒸腾吸收玻璃管内空气体积增大，压强变小，或植物在根压作用下伤流，管内空气体积减小，压强变大，再根据理想气体方程（克拉伯龙方程）计算出蒸腾拉力或根压。该发明结构简单，制作成本低，操作简单，采用两套装置即能同时测量同一植株的根压和蒸腾压力，从而计算出植物总的吸水动力，此外该测量系统还能够实现田间测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物生理学实验装置，具体地说是植物根压和蒸腾拉力测定装置及其测定方法。
背景技术
蒸腾作用是水分从植物体表面（主要是叶）以水蒸气的形式散失到大气中的过程；与物理学的蒸发过程不同，蒸腾作用不仅受外界环境条件的影响，而且还受植物本身的调节和控制，因此它是一种复杂的生理过程。蒸腾作用的生理意义有下列三点：1．蒸腾作用是植物对水分的吸收和运输的一个主要动力，即蒸腾拉力。2．由于矿质盐类要溶于水中才能被植物吸收和在体内运转，蒸腾作用是对水分吸收和流动的动力，因此，矿物质也随水分的吸收和流动而被吸入和分布到植物体各部分中去。3．蒸腾作用能够降低叶片的温度。太阳光照射到叶片上时，大部分能量转变热能，蒸腾作用能降低叶片的温度避免被灼伤。
蒸腾拉力是由于植物的蒸腾作用而产生一系列水势梯度，使导管中的水分上升的一种力量。当气孔张开后，气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水，水势下降，所以从相邻细胞夺取水分，失水的细胞又从旁边的另一个细胞取得水分，如此下去，从气孔下腔到叶脉导管，再到叶柄、茎的导管，最后到根系导管之间就形成了一系列的水势梯度，最后引起根系从外界土壤环境中吸收水分。这种力量完全是由于叶片的蒸腾作用而形成的，不需要消耗代谢能，因此认为是一种被动吸水，也是植物吸水的主要方式。
根压指的是植物通过消耗能量，通过主动吸收离子，水分随浓度差往上沿木质部运动的生理过程。根压是植物体除蒸腾作用外第二个为水分逆重力流动提供动力的过程。水和溶解其中的离子通过质外体到达根的内皮层，为内皮层细胞间凯氏带所阻，不能自由扩散到内面。内皮细胞上载体蛋白选择性运载离子。离子于是从质外体途径进入到共质体途径。此过程离子是逆浓度运输，植物需消耗ATP以完成这一过程。离子运动的结果，造成内皮层离子浓度高于外面。水分自然会随浓度梯度往中柱流动，进入木质部，被往上引导到植物其他器官。
在湿度较大蒸腾作用很弱的情况下（清晨或夜晚），建立起根压的植物，其木质部的水通过叶缘维管束末端管胞处的排水孔渗出，表现为叶片边缘有水滴存在，这种现象称为吐水。伤流现象指从受伤或折断的植物组织中溢出处液体的一种现象，当横向截断植物的茎，等待两三分钟后，会发现横截面上布满水珠。流出的汁液是伤流液。不同植物伤流程度不同，葫芦科植物伤流液多，稻、麦等的较少。同一植物在不同季节中根系生理活动强弱、根系有效吸收面积大小等都直接影响伤流液的多少。吐水和伤流都说明根压的存在。
根压一般较低，大多数植物的根压0.05-0.5MPa，某些木本植物和葡萄的根压则更大一些。在正常情况下，根压对植物所起的作用是有限的，在春季叶片未展开时，蒸腾作用很弱的植株，主动吸水所形成的根压才成为主要吸水动力。一切影响植物根系生理活动的因素都会影响植物根系根压作用的吸水。
综上所述，植物根压和蒸腾拉力是植物吸收水分的两大主要动力，因此在植物水分吸收，抗旱性，节水灌溉等领域的研究中需要测量根压和蒸腾拉力。而现有技术中未见方便，灵敏的测量仪器。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供了植物根压和蒸腾拉力测定仪及其测定方法，采用能够密封的玻璃管，用水密封住一段空气，另一端连接植物茎的断面。植物蒸腾吸收玻璃管内空气体积增大，压强变小，或植物在根压作用下伤流，管内空气体积减小，压强变大，根据理想气体方程（克拉伯龙方程）计算出蒸腾拉力或根压。
为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
植物根压和蒸腾拉力测定仪，其包括：固定机构和测定装置，所述固定机构包括：测量台、茎固定器、水平仪；所述测定装置包括：玻璃管、阀门1、阀门2、阀门3、阀门4、储水箱、温度计、橡胶管、橡皮套。茎固定器、水平仪和测定装置都放置在测量台上；橡皮套、阀门3、橡胶管、阀门4、储水箱、阀门1、玻璃管、阀门2依次连接。
优选地，所述玻璃管上有均匀的刻度，能读出气体体积大小，玻璃管的内径根据水的表面张力能够使水在玻璃管内形成水柱，经计算内径为0.1-50mm为宜。
优选地，所述测量台为一折叠小桌，桌腿能够伸缩以调节高度。
优选地，所述橡皮套为弹性橡胶制成，能够密封茎的断面。
优选地，所述阀门3的出口能够连接注射器。
优选地，所述茎固定器为金属支架，通过螺栓固定切下的植物枝条。
优选地，所述温度计放置在玻璃管旁边，测量实验温度。
优选地，所述玻璃管还可以在其一端设有小孔，能将温度计套一橡皮环再塞入小孔，直接测量玻璃管内气体温度。
优选地，所述玻璃管还可以在其一端的内侧安装温度传感器，利用导线穿过玻璃管壁，连接电子温度计测量管内空气温度。
优选地，所述玻璃管还可以放置在恒温箱内，使玻璃管温度恒定。
植物根压和蒸腾拉力测定方法，包括以下操作步骤：
（1）实验准备：将上述植物根压和蒸腾拉力测定系统带到温室或者田间，调节测量台高度，使之与将要截取的茎截面相当。
（2）玻璃管注水：手持玻璃管阀门2一端，使玻璃管竖直，用细绳扎住橡皮套，再用注射器连接阀门3，打开阀门2，用注射器往玻璃管内注水直到水面上升到玻璃管2/3处停止，同时关闭阀门2。
（3）连接植物茎断面：轻轻截断待测植物的茎，使断面平整，将橡皮套套在断面上，再用封口膜缠绕数周，使之密封良好；解开扎橡皮套的细绳；橡皮套与植物断面接触处充满水。
（4）观察：将玻璃管平放与植物断面等高，观察并记录气体体积和气体温度，在蒸腾拉力作用下，植物蒸腾消耗水，气体体积扩大；在根压作用下，植物茎断面伤流，玻璃管内水增多，气体体积变小；直到平衡时（气体体积不再变化）记录气体体积和温度。
（5）计算：测量前玻璃管内空气为大气气压，根据实验当地海拔可知；玻璃管内气体满足理想气体的条件，并且玻璃管内气体物质的量不发生变化，因此，根据前后两次体积和温度（可将玻璃管放在恒温箱内，使温度不变）即可计算出测量前后玻璃管内气体的压强，压强差即为根压和蒸腾拉力，计算公式如下：
PV=nRT
其中，
P—为玻璃管内气体气压，单位为Pa；
V—为玻璃管内气体体积，单位为m3
n—为玻璃管内气体物质的量，单位为mol；
R—为常量，数值和单位为8.31Pa·m3·mol-1·K-1
T—为玻璃管内气体温度，单位为K。
有益效果：本发明结构简单，制作成本低，操作简单，采用两套装置即能同时测量同一植株的根压和蒸腾压力，从而计算出植物总的吸水动力，此外该测量系统还能够实现田间测量。
附图说明
图1是本发明植物根压和蒸腾拉力测定仪的结构示意图；
图2是本发明植物根压和蒸腾拉力测定仪温度计连接示意图；
图3是本发明植物根压和蒸腾拉力测定仪温度传感器连接示意图；
图4是本发明植物根压和蒸腾拉力测定方法测定根压示意图；
图5是本发明植物根压和蒸腾拉力测定方法测定蒸腾拉力示意图。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了植物根压和蒸腾拉力测定仪，如图1所示，其包括：固定机构和测定装置，所述固定机构包括：测量台9、茎固定器7、水平仪10；所述测定装置包括：玻璃管12、阀门1、阀门2、阀门3、阀门4、储水箱5、温度计8、橡胶管11、橡皮套6。茎固定器7、水平仪10和测定装置都放置在测量台上；橡皮套6、阀门3、橡胶管11、阀门4、储水箱5、阀门1、玻璃管12、阀门2依次连接。
进一步地，所述玻璃管12上有均匀的刻度，能读出气体体积大小，玻璃管12的内径根据水的表面张力能够使水在玻璃管12内形成水柱，经计算内径为0.1-50mm为宜。
进一步地，所述测量台9为一折叠小桌，桌腿能够伸缩以调节高度。
进一步地，所述橡皮套6为弹性橡胶制成，能够密封茎的断面。
进一步地，所述阀门3的出口能够连接注射器。
进一步地，所述茎固定器7为金属支架，通过螺栓固定切下的植物枝条。
进一步地，所述温度计8放置在玻璃管12旁边，测量实验温度。
进一步地，所述玻璃管12还可以放置在恒温箱内，使玻璃管12温度恒定。
如附图2，所述玻璃管还可以在其一端设有小孔，能将温度计8套一橡皮环塞入小孔，直接测量玻璃管8内气体温度。
如附图3，所述玻璃管还可以在其一端的内侧安装温度传感器13，利用导线穿过玻璃管壁，连接电子温度计14测量管内空气温度。
实施例2
本实施例提供了植物根压和蒸腾拉力测定方法，如图4和5所示，包括以下操作步骤：
（1）实验准备：将上述植物根压和蒸腾拉力测定系统带到温室或者田间，调节测量台9高度，使之与将要截取的茎截面相当。
（2）玻璃管注水：手持玻璃管阀门2一端，使玻璃管9竖直，用细绳扎住橡皮套6，再用注射器连接阀门3，打开阀门2，用注射器往玻璃管9内注水直到水面上升到玻璃管2/3处停止，同时关闭阀门2。
（3）连接植物茎断面：轻轻截断待测植物的茎，使断面平整，将橡皮套6套在断面上，再用封口膜缠绕数周，使之密封良好；解开扎橡皮套6的细绳；橡皮套6与植物断面接触处充满水。
（4）观察：将玻璃管12平放与植物断面等高，观察并记录气体体积和气体温度，在蒸腾拉力作用下，植物蒸腾消耗水，气体体积扩大；在根压作用下，植物茎断面伤流，玻璃管12内水增多，气体体积变小；直到平衡时（气体体积不再变化）记录气体体积和温度。
（5）计算：测量前玻璃管12内空气为大气气压，根据实验当地海拔可知；玻璃管12内气体满足理想气体的条件，并且玻璃管12内气体物质的量不发生变化，因此，根据前后两次体积和温度（可将玻璃管放在恒温箱内，使温度不变）即可计算出测量前后玻璃管12内气体的压强，压强差即为根压和蒸腾拉力，计算公式如下：
PV=nRT
其中，
P—为玻璃管内气体气压，单位为Pa；
V—为玻璃管内气体体积，单位为m3
n—为玻璃管内气体物质的量，单位为mol；
R—为常量，数值和单位为8.31Pa·m3·mol-1·K-1
T—为玻璃管内气体温度，单位为K。
例如，在标准大气压下测定蒸腾拉力前玻璃管内气体体积为20.00mL，待气体体积不再变化时，玻璃管内气体体积为22.00mL，且测定前后提起温度不变；则蒸腾拉力计算如下：P0V1=P2V2
1.01325×105Pa×20×10-6 m3= P2×22×10-6 m3
得：P2=0.92114 ×105Pa，
则蒸腾拉力=1.01325×105Pa-0.92114 ×105Pa=9211Pa。
综上所述，本发明提供了植物根压和蒸腾拉力测定仪及其测定方法，采用能够密封的玻璃管，用水密封住一段空气，另一端连接植物茎的断面。植物蒸腾吸收玻璃管内空气体积增大，压强变小，或植物在根压作用下伤流，管内空气体积减小，压强变大，根据理想气体方程（克拉伯龙方程）计算出蒸腾拉力或根压。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (6)
1.植物根压和蒸腾拉力测定仪，其特征在于，其结构包括：固定机构和测定装置，所述固定机构包括：测量台、茎固定器、水平仪；所述测定装置包括：玻璃管、阀门1、阀门2、阀门3、阀门4、储水箱、温度计、橡胶管、橡皮套；茎固定器、水平仪和测定装置都放置在测量台上；橡皮套、阀门3、橡胶管、阀门4、储水箱、阀门1、玻璃管、阀门2依次连接。
2.根据权利要求1所述的植物根压和蒸腾拉力测定仪，其特征在于，所述阀门3的出口能够连接注射器。
3.根据权利要求1所述的植物根压和蒸腾拉力测定仪，其特征在于，所述玻璃管可以在其一端设有小孔，能将温度计套一橡皮环塞入小孔，直接测量玻璃管内气体温度。
4.根据权利要求1所述的植物根压和蒸腾拉力测定仪，其特征在于，所述玻璃管还可以在其一端的内侧安装温度传感器，利用导线穿过玻璃管壁，连接电子温度计测量管内空气温度。
5.根据权利要求1所述的植物根压和蒸腾拉力测定仪，其特征在于，所述玻璃管放置在恒温箱内，使玻璃管温度恒定。
6.植物根压和蒸腾拉力测定方法，其特征在于，包括以下实验步骤：
（1）实验准备：将上述植物根压和蒸腾拉力测定系统带到温室或者田间，调节测量台高度，使之与将要截取的茎截面相当；
（2）玻璃管注水：手持玻璃管阀门2一端，使玻璃管竖直，用细绳扎住橡皮套，再用注射器连接阀门3，打开阀门2，用注射器往玻璃管内注水直到水面上升到玻璃管2/3处停止，同时关闭阀门2；
（3）连接植物茎断面：轻轻截断待测植物的茎，使断面平整，将橡皮套套在断面上，再用封口膜缠绕数周，使之密封良好；解开扎橡皮套的细绳；橡皮套与植物断面接触处充满水；
（4）观察：将玻璃管平放与植物断面等高，观察并记录气体体积和气体温度，在蒸腾拉力作用下，植物蒸腾消耗水，气体体积扩大；在根压作用下，植物茎断面伤流，玻璃管内水增多，气体体积变小；直到平衡时（气体体积不再变化）记录气体体积和温度；
（5）计算：测量前玻璃管内空气为大气气压，根据实验当地海拔可知；玻璃管内气体满足理想气体的条件，并且玻璃管内气体物质的量不发生变化，因此，根据前后两次体积和温度（可将玻璃管放在恒温箱内，使温度不变）即可计算出测量前后玻璃管内气体的压强，压强差即为根压和蒸腾拉力，计算公式如下：
PV=nRT
其中，
P—为玻璃管内气体气压，单位为Pa；
V—为玻璃管内气体体积，单位为m3
n—为玻璃管内气体物质的量，单位为mol；
R—为常量，数值和单位为8.31Pa·m3·mol-1·K-1
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