CN107079725B - 植物根层氧化还原电位调控装置及培养装置和调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于植物学和生态学的技术领域，公开了植物根层氧化还原电位调控装置及培养装置和调控方法。所述培养装置包括上端开口的容器、设在容器中的圆筒、隔土网和定植筒，圆筒外侧与容器内侧之间通过竖直的隔层分隔成多个区域，隔层沿圆筒的径向方向延伸；隔土网固定在相邻的隔层上。所述调控装置包括上述培养装置和植物根层氧化还原电位调控系统，该系统包括氧化还原电位仪、供气设备、供液设备、电源电路和开关电路。本装置能够通过供气设备和/或供液设备自动调节土壤氧化还原电位至所设定值并将其维持在所设范围内，实现植物根层氧化还原电位的调控；并且本装置在取样时尽量保持对根系完整性。

Description

植物根层氧化还原电位调控装置及培养装置和调控方法

技术领域

本发明属于根系生物学、植物营养学、生态学和环境科学领域，具体涉及一种植物根层氧化还原电位调控的培养装置及通过基质盆栽手段对根际氧化还原电位进行调控的装置及其调控方法。

背景技术

氧化还原电位是是土壤一项重要的理化指标。高氧化还原电位说明土壤处于氧化状态，铁、锰、铬、砷等变价元素被转化为高价态；反之，低氧化还原电位说明土壤处于还原状态，变价元素转化为低价态。这些变价元素处于不同价态时的溶解度、迁移能力及生物效应存在差异。因此土壤的氧化还原电位与植物的养分有效性以及遭受毒害的潜在有密切联系。另一方面土壤经历频繁的氧化还原交替过程后，铁、锰会以氧化物或氢氧化物的形式沉积在根表。这些结晶态或非结晶态铁膜对土壤溶液中的磷、锌和铜等营养元素以及铅、镉、砷和铝等有害元素都有较强的吸附作用，它一方面能充当根际养分库，另一方面能阻止有害元素被植物吸收。根表铁膜的结晶度会发生变化，从而改变铁膜的表面性质及吸附土壤中营养元素及有害元素的能力。因此对土壤的氧化还原变化研究在提高养分吸收利用效率、保障农产品安全、明晰元素循环流动等方面具有重要的意义。

通过营养液培养来研究植物的根系是目前比较常用的手段，如JP2000342092A、CN200920273764、US20130081327 A1公开的三种水生植物漂浮培养装置。然而并非所有水生植物的根系都彻底悬浮于营养液中，相当一部分植物仍然需要着生在一定的固体基质上并依赖其提供养分；此外一些根系活动过程需要在固液气三相并存的非均相环境中才能进行。对于旱生植物而言，营养液培养状态更不能很好地反映真实的根际过程。因此能简便地对根系进行取样、观察的固体基质栽培条件下水生植物观测装置能更方便地对根系及其根际过程进行研究。然而尽可能模拟植物原有生活环境和方便取样观察两者是一对矛盾，使用土壤、泥炭等粘性生长基质能很好地贴近原有生活环境，但对根系取样观察时清洁根系并不方便，同时根表铁膜还可能会因不恰当的清洗方式或条件而被洗去，从而失去研究价值；使用砂、珍珠岩等非粘性生长基质固然方便清理，但由于其吸持养分的能力不及粘性基质好，因此在其上进行的培养试验结果与自然条件下的结果存在较大差异。尽管如此，目前基于砂培的技术方案也有较多的报道，如CN1602670A公开了一种可用于水生植物的生态学研究的栽培方案，

目前测量土壤氧化还原环境的仪器及配套应用技术已经相当成熟，如CN201837609U公开了一种流体氧化还原检测电位瓶，CN2588364Y公开了一种可以测量土壤氧化还原电位的土壤腐蚀测量装置，CN1705882A公开了一种氧化还原电位的生物传感器，EP 0853241 B1公开了一种可以检测地下水氧化还原电位的装置。对土壤氧化还原电位进行调控的技术也比较成熟，如JPH0819780A公开了一种只使用气体便能调控水体氧化还原电位的装置。CN102972113A公开了一种通过稻草覆盖和使用碱性降酸调湿复合改良剂改变土壤氧化还原电位的技术，CN102847453A和CN103274566A公开了两种可用于提升土壤氧化还原电位的微通气技术，US20070095647公开了一种能产生活性氧并应用于净化土壤的方法。此外，目前已经有商品化的能实现调控氧化还原电位的控制器，如Eutech Instrument的Alpha pH190和Alpha pH2000，但这两种装置并没有给出执行调控的技术方案。但目前将上述技术综合，给出一套能有效地自动调控土壤氧化还原电位的培养观测装置的报道还缺乏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有植物根系研究技术的不足，提出一种植物根层氧化还原电位调控的培养装置和植物根层氧化还原电位调控装置。所述装置能协调尽量模拟根系原有生活环境及方便取样观察两者之间矛盾，同时能在取样时尽量保持对根系完整性。本发明的植物根层氧化还原电位调控装置实现了在培养过程中对根系生长的氧化还原电位进行自动调控。

本发明的另一个目的是提供基于所述装置实现在培养过程中对根系生长的氧化还原电位进行调控的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种植物根层氧化还原电位调控的培养装置，包括上端开口的容器、设在容器中的圆筒且圆筒的一端固定在容器的底部，所述圆筒外侧与容器内侧之间通过若干竖直的隔层分隔成多个区域，所述竖直的隔层连接圆筒并且沿圆筒的径向方向延伸；

所述培养装置还包括隔土网和定植筒，所述隔土网固定在相邻的隔层上，并将由隔层分隔成的每一个区域分成两个区域；所述定植筒设置在由相邻隔层、隔土网和圆筒外侧所形成的区域内。

所述圆筒的侧壁为网状或圆筒的侧壁设有通孔，优选为圆筒中部的侧壁为网状或设有通孔。所述网状的孔径或通孔的孔径为100～500μm。所述圆筒的顶端开口。所述圆筒为塑料筒，圆筒的高度与容器内腔的高度相同。

优选地，中部侧壁(网状侧壁或设有通孔的侧壁)的面积占侧壁总面积的80％～95％。

所述定植筒内填充有石英砂，所述定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域以及圆筒内填充有掺入石英砂的土壤，所述隔土网外侧与容器内侧所形成的区域填充有土壤。所述土壤与掺入石英砂的土壤的来源相同。所述土壤经过粉碎。

所述粉碎后的土壤能通过2～5mm的土筛。

所述定植筒内填充的石英砂由粒径为1～2mm的石英砂，粒径为0.2～1mm的石英砂和粒径小于0.2mm的石英砂组成；每一种粒径的石英砂的质量百分含量不少于10％，优选为不低于20％。

所述定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域填充的掺入石英砂的土壤中石英砂质量含量在20％以上，优选为不少于30％；掺入的石英砂与定植筒内石英砂成分相同。

所述容器为空心的柱体或台体；所述容器的底部或侧壁设有排水阀。

所述容器的材质为陶土、不锈钢或玻璃等耐长期淹水及中强度酸腐蚀材料，其厚度能承载5kg以上的生长基质。

所述隔层为分隔板，由不透水且在土壤溶液中化学性质稳定的硬质材料制成；不具有通透性的。分割空间的目的是制造几个相对独立空间方便对个别空间进行浇水、施肥时互不影响。

所述隔层的个数为2～6个，所述隔层优选为均匀分布。

所述隔层的厚度为0.5～1cm，其高度低于容器内腔高度1～3cm。

所述隔土网为能被固定在隔层上，且能被拆卸的网。所述隔土网将每一个由隔层分隔的区域分成2个区域。

所述隔土网材质为尼龙或不锈钢。所述隔土网的孔径为2～5mm。

所述定植筒为顶端开口的中空腔体，腔体壁设有通孔，孔径≤0.2mm。所述定植筒的外壁与圆筒的外壁间最短的距离≤1cm。

所述中空腔体有底或无底。所述定植筒优选为袋状物或有底或无底圆柱状中空腔体。所述定植筒由尼龙布制成。

所述定植筒的中空腔体尺寸应能容纳植物根系在其整个生活史中自由伸展。

所述隔土网固定在隔层上的固定方式以及隔层连接圆筒的连接方式包括插槽固定、卡槽固定、螺旋夹固定和插销固定。

一种植物根层氧化还原电位调控装置，包括上述植物根层氧化还原电位调控的培养装置，还包括植物根层氧化还原电位调控系统。

所述植物根层氧化还原电位调控系统包括氧化还原电位仪、供气设备、供液设备、电源电路和开关电路；所述氧化还原电位仪、开关电路和电源电路设在同一控制器中，所述供气设备和供液设备通过导线与控制器连接；所述控制器设有定位旋钮，设定电位调节旋钮，参比电极电位补偿旋钮，测量/设定开关，电位显示窗口，电源开关。

所述氧化还原电位仪包括探测电极、参比电极电位补偿电路、测量基准电压电路、测量比较电路和译码显示电路，其量程为-900mV～900mV。探测电极至少有一个电极通过盐桥与土壤相通，探测电极至少有另一个电极位于定植筒旁。

优选地，氧化还原电位仪的灵敏度不低于0.5mV。

优选地，测量比较电路的测量原理为对消法。

作为优选方案之一，探测电极由铂电极和甘汞电极组成。

作为优选方案之一，甘汞电极通过盐桥与土壤相连，铂电极置于定植筒旁，定植筒外壁与铂电极距离≤1cm。

优选地，参比电极电位补偿电路能将0～400mV的可调节电压补偿到探测电极的输出电压上。

优选地，测量比较电路采用静电计级运算放大器作为主元件。

优选地，译码显示电路采用位液晶、数码管或发光二极管组作为显示输出设备。

所述供气设备由气泵、气源、供气管、气体流量调节器和供气头组成，所述供气管一端连接气泵，另一端连接供气头，气体流量调节器安装在供气管靠近供气头侧。所述供气设备还包括防堵罩，将供气头罩住。所述供气头置于圆筒内。

优选地，供气头为疏松多孔的素瓷或浮岩制圆柱体。

所述供气设备能够提供提升氧化还原电位的气体和降低氧化还原电位的气体。

所述气源为空气、氧气、二氧化碳和/或氮气。

优选地，提升氧化还原电位所用气源为空气或氧气，降低氧化还原电位所用气源为空气、氮气或二氧化碳。即空气既可用于提高氧化还原电位，也可用于降低氧化还原电位。

所述供气设备的输出气体流量为0～100L/min。

所述供液设备由水泵、储液罐、供液管、液体流量调节器和出水口组成，所述供液管将储液罐、水泵、液体流量调节器和出水口依次串联起来；所述出水口为莲蓬状，上带有许多小孔。所述出水口置于圆筒内。

优选地，储液罐的容积不小于1L。

所述液体流量调节器能使供液设备输出流量为0～300mL/min。

优选地，所述供液设备能够提供氧化性溶液和还原性溶液，氧化性溶液是过氧化氢或过氧乙酸溶液，还原性溶液是连二亚硫酸钠、柠檬酸钛或葡萄糖溶液。

所述提高或降低氧化还原电位的溶液浓度在1μmol/L～1mol/L之间。

所述电源供应供液设备和供气设备的交流电和供开关电路的直流电。

作为优选方案之一，供应的交流电为50Hz、220V，直流电为±5V和15V。

所述开关电路由开关基准电压电路、开关比较电路及无触点开关组成，其动作电位能在-450mV～600mV之间调节。其响应时间不大于20ms。动作电位通过调节开关基准电压电路的输出电压获得，通过从氧化还原电位仪获得的电压和开关基准电压电路的输出电压(即动作电压)通过比较电路比较，由比较电路控制开关电路接通或断开供气设备或供液设备。所述无触点开关为具有开关功能的电子元件。

所述开关基准电压电路和参比电极电位补偿电路可采用分立元件或集成电路元件组成恒压源电路。

优选地，开关比较电路选用高精度集成电路电压比较器。

优选地，无触点开关选用大功率单向或双向晶闸管作为主控元件。

所述开关电路能在氧化还原电位仪的输出电压低于所设动作电位一定偏移值时启动供气设备向土壤输送提高氧化性气体或启动供液设备向土壤输送氧化性溶液以提高土壤氧化还原电位；在氧化还原电位仪的输出电压高于所设动作电位一定偏移值时启动供液设备向土壤输送还原性溶液或启动供气设备向土壤输送还原性气体以降低土壤氧化还原电位。当氧化还原电位仪的输出电压与所设动作电压的差值小于偏移值时，开关电路提前停止供气设备和供液设备。

作为优选方案之一，所述偏移值为10mV。

一种利用上述调控装置的调控植物根层氧化还原电位的方法，包括如下步骤：

(1)安装植物根层氧化还原电位调控的培养装置；

(2)分别选取粒径为1～2mm，0.2～1mm以及粒径小于0.2mm的石英砂，并将三种石英砂进行混合，得到石英砂混合物；每一种粒径的石英砂的质量百分含量不少于10％，优选为不低于20％；

(3)将土壤粉碎后过2～5mm筛，根据需要施入肥料，并掺入步骤(2)获得的石英砂混合物使其含砂量不少于20％，优选不少于30％，得到含石英砂的土壤；

(4)在定植筒内填充按步骤(2)获得的石英砂混合物，每一个由相邻隔层、隔土网和圆筒外侧所形成的区域内埋置一个定植筒；定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域以及圆筒内填充按步骤(3)获得的含石英砂的土壤，隔土网外侧与容器内侧所形成的区域填充土壤，土壤层高度低于隔层及圆筒上沿0～3cm；

所述定植筒的上部开口与石英砂层上沿平齐；定植筒内的石英砂层、定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域内以及圆筒内的含有石英砂的土壤层和隔土网外侧与容器内侧所形成的区域内的土壤层高度一致；

(5)将需要定植的植物移栽进入定植筒的石英砂内；

(6)关闭排水阀，向装置内注水至水面高出土壤层或石英砂层或含有石英砂的土壤层0～5cm；

(7)组装氧化还原电位调控系统，连接相应的导线和管路；

(8)对氧化还原电位仪进行校正，根据所使用的参比电极和当前温度计算参比电极的电极电势，并将参比电极电位补偿旋钮调节到相应位置；

(9)将与氧化还原电位仪中甘汞电极相连的盐桥、供气设备中供气头及供液设备中出水口埋置在圆筒内含有石英砂的土壤中，将氧化还原电位仪中铂电极埋置在定植筒旁；

(10)开启氧化还原电位调控系统，设定所需的氧化还原电位，系统将通过供气设备和/或供液设备自动调节土壤氧化还原电位至所设定值并将其维持在所设范围内，必要时通过开启排水阀来辅助调控，从而实现植物根层氧化还原电位的调控。

本装置的原理为：插入含有石英砂的土壤中的一对电极以土壤溶液为电解质形成原电池，其电势信号经参比电极电位补偿电路加上参比电极电势以折算成以氢电极为基准的电势差并修正pH和温度影响后，与测量基准电压电路输出的基准电压在测量比较电路进行比较后通过译码显示电路显示。同时电极电势信号与开关基准电压电路输出的基准电压在开关比较电路比较后，由开关比较电路发出需要提高或降低氧化还原电位的判断，然后发出信号启动或暂停供气设备或供液设备工作。而供气设备及供气装置向土壤供应能提高氧化还原电位的或者降低氧化还原电位的气体或液体以改变土壤氧化还原电位。本发明的植物根层氧化还原电位调控系统进行氧化还原电位调控的原理示意图如图9所示。

具体来说，本发明实现了以下显著的技术效果：

(1)本发明所设计的培养装置设计时考虑到不同植物各阶段根系的生长空间需求，能灵活地通过改变外容器内腔中圆筒及隔土网所分割出的空间的大小，配合以适当大小的定植筒来适应不同生长时期根系的大小，故本发明所述装置适用于各种实验时间长度的植物根系研究。

(2)本发明所设计的培养装置没有单纯为了方便清理根系而采用单一的非黏性基质，而在外围采用自然状态下的土壤，然后通过掺入石英砂的自然土壤过渡到全石英砂介质，使整个培养介质具有较高的环境缓冲性；因此本发明所述装置能在尽可能贴近其自然生长条件且不妨碍根系正常伸展的情况下供受试植物生长。同时，该结构有利于调控氧化还原电位的液体或气体扩散，提高调控效率。

(3)在根系生长的最主要区域——定植筒采用石英砂培养，在定植筒外侧和隔土网之间的空间用高含砂量的土壤作为过渡；与根系直接接触的是非粘性的石英砂，所以这一方案能在采样时减少因根系清理造成的根表铁膜损失。

(4)本发明所设计的装置能根据试验设计的需求，在相对宽的范围内调节土壤氧化还原电位，并通过调控系统自动将其维持在一定范围内。

(5)本发明用于调控氧化还原电位的气体和液体对土壤友好且成本低廉，对土壤不造成残留污染。

附图说明

图1为本发明植物根层氧化还原电位调控装置的整体结构示意图；其中1-容器，2-排水阀，3-隔层，4-隔土网，7-圆筒中侧壁(尼龙网)，8-定植筒，11-供气管，12-气体流量调节器，13-气泵，14-气源，16-供液管，17-液体流量调节器，18-水泵，19-储液罐，20-控制器，21-铂电极，22-参比电极，23-盐桥，24-定位旋钮，25-设定电位调节旋钮，26-参比电极电位补偿旋钮，27-测量/设定开关，28-电源开关，29-电位显示窗口，30-导线；

图2为本发明植物根层氧化还原电位调控的培养装置(包括置于圆筒内的部分供气设备和部分供液设备)的剖视图；其中1-容器，3-隔层，4-隔土网，5-卡槽，6-圆筒，7-圆筒中侧壁(尼龙网)，8-定植筒，9-供气头，10-防堵罩，11-供气管，15-出水口、16-供液管，21-铂电极，23-盐桥，30-导线；

图3为本发明的培养装置中上端开口的容器的结构示意图；其中1-容器，2-排水阀；

图4为本发明的培养装置中隔层的结构示意图；

图5为本发明的培养装置中隔土网的结构示意图；其中4-隔土网，5-卡槽，

图6为本发明的培养装置中圆筒的结构示意图；其中6-圆筒，7-圆筒中侧壁(尼龙网)；

图7为本发明的培养装置中定植筒的结构示意图；

图8为本发明的培养装置中圆筒、隔层和隔土网组合的结构示意图；其中3-隔层，4-隔土网，5-卡槽，6-圆筒，7-圆筒中侧壁(尼龙网)；

图9为本发明的植物根层氧化还原电位调控系统进行氧化还原电位调控的原理示意图；

图10为实施例1中采用植物根层氧化还原电位调控装置时土壤氧化还原电位随时间变化曲线图；

图11为实施例2中采用植物根层氧化还原电位调控装置时土壤氧化还原电位随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例所提供一种植物根层氧化还原电位调控装置，并以种植水稻为例说明。图1为本发明调控装置整体结构示意图，图2为本发明的培养装置的剖视图。

本发明的调控装置包括上端开口的容器1，所述容器1为中空圆柱体的陶土盆，内腔半径为12.5cm，高度为26cm；容器的侧壁下部有一排水阀2，用以快速排出外层容器中的自由水，两者结合后，上端开口的容器1的结构示意图如图3所示。

本发明的调控装置还包括设在容器中的圆筒6且圆筒的一端固定在容器的底部，所述圆筒6外侧与容器内侧之间通过3个竖直的隔层3分隔成3个区域，所述竖直的隔层3连接圆筒6并且沿圆筒6的径向方向延伸。所述隔层3为分隔板，分隔板为10×23.5×0.4cm的塑料板(隔层的结构示意图如图4所示)。所述圆筒6为半径2.5cm，高25cm的硬质无底塑料筒，其中部的侧壁为孔径为0.5mm的网状结构7(尼龙网)，尼龙网7所占的面积为圆筒侧壁面积的80％，其结构示意图如图6所示。

所述调控装置还包括隔土网4和定植筒8，所述隔土网4通过两侧的卡槽5固定在相邻的分隔板3上，并将由分隔板3分隔成的每一个区域分成两个区域；所述定植筒8设置在由相邻隔板3、隔土网4和圆筒6外侧所形成的区域内。所述隔土网4选用2mm孔径的不锈钢网制成，其形状为半径9cm，高度为15cm，圆心角为120°的圆柱面(如图5所示)。三个相同尺寸的隔土网4相隔120°固定在分隔板上，围成一个圆柱面。

定植筒8是用0.16mm孔径的尼龙布制成高20cm，直径6cm的袋状物(如图7所示)。三块分隔板按“Y”字形呈放射状安装在圆筒外侧上并在分隔板上安装隔土网后三者组合的结构示意图如图8所示。

容器1内侧与隔土网4外侧的空间填充以经过粉碎后过5mm筛的水稻土；定植筒8内填充按质量比2:2:1比例混合的粒径为1～2mm、粒径为0.2～1mm、粒径<0.2mm的石英砂；隔土网4内侧与定植筒8外侧之间的空间和圆筒6内填充含石英砂的土壤(石英砂与定植筒内石英砂相同，土壤来源容器内侧与隔土网外侧的空间填充的土壤相同，含石英砂的土壤中石英砂与土壤的质量比为1:2)。所用的石英砂经过质量分数0.2％的盐酸洗涤后，用经过除氯的自来水多次冲洗后沥干水分得到。

所述调控装置还包括植物根层氧化还原电位调控系统，所述植物根层氧化还原电位调控系统进行氧化还原电位调控的原理示意图如图9所示，包括氧化还原电位仪、供气设备、供液设备、电源和开关电路。本实施例采用通过向土壤输送空气降低土壤氧化还原电位，输送过氧乙酸提高土壤氧化还原电位的技术方案。空气流量为75L/min，过氧乙酸流量为5mL/min。

所述氧化还原电位仪包括探测电极(铂电极21和甘汞电极22)、参比电极电位补偿电路、测量基准电压电路、测量比较电路和译码显示电路，上述各部分安装在控制器20内。铂电极21直接插入定植筒8旁边的，距离圆筒1cm的土壤中，参比电极22通过盐桥23接入圆筒内的土壤。控制器20面板上有定位旋钮24、设定电位调节旋钮25、参比电极电位补偿旋钮26、测量/设定开关27、电源开关28、电位显示窗口29。定位旋钮连接氧化还原电位仪的测量比较电路，设定电位调节旋钮连接开关电路的开关基准电路，参比电极电位补偿旋钮连接氧化还原电位仪的参比电极电位补偿电路；测量/设定开关连接氧化氧化还原电位仪，在探测电极与开关电路的开关基准电路之间切换，电源开关连接电源电路。

所述氧化还原探测电极采用铂电极21和甘汞电极22组成原电池；所述基准电压电路采用2.5V集成稳压参比管作为电压源，比较电路采用静电计级运算放大器；所述译码电路由二-十进制数模转换器和时钟电路组成；显示电路采用位数码管/发光二极管作为显示输出设备。

所述供气设备如图1和图2所示，由供气头9、防堵罩10、供气管11、气体流量调节器12、气泵13和气源14组成，所述供气管11为塑料管，一端连接气泵13，另一端连接供气头9。防堵罩罩住供气头防止供气头堵塞，气体流量调节器安装在供气管上并靠近供气头侧。

气泵13采用膜片式气泵，气源14使用空气用以降低土壤氧化还原电位。

气体流量调节器12为旋塞式，其调节范围为气泵输出流量的0～100％；供气头9为直径的2cm多孔陶瓷头。

所述供液设备如图1和图5所示，由出水口15、供液管16、液体流量调节器17、水泵18和储液罐19组成，所述供液管16将出水口15、水泵18和储液罐19依次串联起来；所述出水口15为莲蓬状，上带有许多小孔；所述液体流量调节器17为螺旋止水夹。

水泵18采用微量蠕动泵，储液罐19的容积为1L。储液罐19内装入0.1mmol/L过氧乙酸溶液用以提高氧化还原电位。

铂电极21、甘汞电极22、气泵13和水泵18通过导线30连接到控制器20上。

所述电源电路供应供液设备和供气设备的交流电和供开关电路的直流电。供应的交流电为50Hz、220V，直流电为15V和±5V，交流电直接由市电供应，直流电为经变压器降压后经过整流电路、滤波电路和稳压电路转换后获得。

所述开关电路由开关基准电压电路、开关比较电路、无触点开关组成。所述开关基准电压电路和开关比较电路，设置在控制器20中。开关基准电压电路采用2.5V集成电压参考集成电路作为电压源，开关比较电路采用高精度电压比较器，无触点开关使用3A，400V双向晶闸管。

一种利用上述调控装置的调控植物根层氧化还原电位的方法，包括如下步骤：

(1)将圆筒6设置在容器中且圆筒的一端固定在容器的底部，取3个竖直的隔层3将圆筒6外侧与容器内侧之间平均分隔成3个区域，所述竖直的隔层3连接圆筒6并且沿圆筒6的径向方向延伸；

(2)根据试验需要，选择合适半径的隔土网4，将其固定在隔层3上；定植筒8设置在由相邻隔层3、隔土网4和圆筒6外侧所形成的区域内；所述定植筒的外侧与圆筒外侧的最短距离为0.5cm；

(3)取粒径为1～2mm、粒径为0.2～1mm、粒径<0.2mm的石英砂，按质量比2:2:1比例混合，得到石英砂混合物；

(4)将水稻土壤粉碎后5mm筛，将肥料与土壤混匀，掺入步骤(3)的石英砂混合物，得到含石英砂的土壤(石英砂与土壤的质量比为1:2)；

(5)容器1内侧与隔土网4外侧的空间填充以经过粉碎后过5mm筛的水稻土；定植筒8内填充步骤(3)所述的石英砂混合物；隔土网4内侧与定植筒8外侧之间的空间和圆筒6内填充步骤(4)的含石英砂的土壤(石英砂与定植筒内石英砂相同，土壤来源与容器内侧与隔土网外侧的空间填充的土壤相同)；

(6)将水稻移栽进入定植筒8的石英砂内；

(7)关闭排水阀2，向装置内注水至土壤达到田间持水量；

(8)组装土壤氧化还原电位调控系统控制器20，调节定位旋钮24对氧化还原电位仪零点进行校正；

(9)将工作电极21插入定植筒旁土壤中，同时将氧化还原探测电极中的参比电极22浸入盐桥23杯的溶液中，将盐桥23另一端插入圆筒的土壤中；

(10)将供气头9和防堵罩10及出水口15安装圆筒内在水面以下土层中；

(11)开启土壤氧化还原电位调控系统控制器20的电源开关28，将测量/设定开关27拨至设定位置，根据需要调节设定电位调节旋钮25至所需的氧化还原电位，通过氧化还原电位仪中的电路和开关电路，系统将供气设备及供液设备自动调节土壤氧化还原电位至所设定值并将其维持在所设范围内，将测量/设定开关27拨至测量位置可以实时测量当前土壤氧化还原电位；必要时可通过开启排水阀2来辅助调控。

现以将土壤氧化还原电位降低至100mV为例说明装置的使用效果，处理开始后土壤氧化还原电位变化情况如图10所示。

实施例2

本实施例除下述特征外其他特征同实施例1：所述储液罐19内装有30g/L过氧化氢以提升氧化还原还原电位，气源14接氮气以降低氧化还原电位。氮气流量为60L/min，过氧化氢流量为1.5mL/min。下面设定土壤氧化还原电位为300mV为例说明使用效果，处理开始后土壤氧化还原电位变化情况如图9所示。

实施例3

本实施例除下述特征外其他特征同实施例1：所述储液罐19内装有3g/L连二亚硫酸钠以降低氧化还原还原电位，气源14接压缩空气以提高氧化还原电位。

实施例4

本实施例除下述特征外其他特征同实施例1：取4个竖直的隔层3将圆筒6外侧与容器内侧之间平均分隔成4个区域，所述竖直的隔层3连接圆筒6并且沿圆筒6的径向方向延伸。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但是本发明的实施方式不受上述实例限制，其他的任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均为等效。

Claims (10)

1.一种植物根层氧化还原电位调控的培养装置，其特征在于：包括上端开口的容器、设在容器中的圆筒且圆筒的一端固定在容器的底部，所述圆筒外侧与容器内侧之间通过若干竖直的隔层分隔成多个区域，所述竖直的隔层连接圆筒并且沿圆筒的径向方向延伸；

所述培养装置还包括隔土网和定植筒，所述隔土网固定在相邻的隔层上，并将由隔层分隔成的每一个区域分成两个区域；所述定植筒设置在由相邻隔层、隔土网和圆筒外侧所形成的区域内；所述定植筒为顶端开口的中空腔体，腔体壁设有通孔；

所述圆筒的侧壁为网状或圆筒的侧壁设有通孔；所述定植筒内填充有石英砂混合物，所述定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域以及圆筒内填充有掺入石英砂混合物的土壤，所述隔土网外侧与容器内侧所形成的区域填充有土壤。

2.根据权利要求1所述植物根层氧化还原电位调控的培养装置，其特征在于：所述圆筒的侧壁为网状或圆筒的侧壁设有通孔，其中网状的孔径或通孔的孔径为100～500μm；所述圆筒的顶端开口；

所述容器的底部或侧壁设有排水阀；所述隔层为分隔板，由不透水且在土壤溶液中化学性质稳定的硬质材料制成；

所述隔土网的孔径为2～5mm；

所述定植筒中通孔的孔径≤0.2mm。

3.根据权利要求1所述植物根层氧化还原电位调控的培养装置，其特征在于：所述定植筒内填充的石英砂混合物由粒径为1～2mm的石英砂，粒径为0.2～1mm的石英砂和粒径小于0.2mm的石英砂组成；

所述定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域填充的掺入石英砂混合物的土壤中石英砂混合物与定植筒内石英砂混合物组成相同；

所述隔土网外侧与容器内侧所形成的区域填充的土壤与所述定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域以及圆筒内填充的掺入石英砂混合物的土壤的来源相同；

所述定植筒的外壁与圆筒的外壁间最短的距离≤1cm；

所述圆筒中部的侧壁为网状或设有通孔；所述圆筒中部的侧壁的面积占侧壁总面积的80％～95％。

4.根据权利要求3所述植物根层氧化还原电位调控的培养装置，其特征在于：所述定植筒内填充的石英砂混合物中每一种粒径的石英砂的质量百分含量不少于10％；所述定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域填充的掺入石英砂混合物的土壤中石英砂混合物质量含量≥20％。

5.根据权利要求1所述植物根层氧化还原电位调控的培养装置，其特征在于：所述隔层的个数为2～6个；

所述隔层的厚度为0.5～1cm，其高度低于容器内腔高度1～3cm；

所述隔土网为能被固定在隔层上，且能被拆卸的网；

所述定植筒为袋状物或有底或无底圆柱状中空腔体；

所述隔土网固定在隔层上的固定方式以及隔层连接圆筒的连接方式包括插槽固定、卡槽固定、螺旋夹固定和插销固定。

6.一种植物根层氧化还原电位调控装置，包括权利要求1～5任一项所述植物根层氧化还原电位调控的培养装置，其特征在于：还包括植物根层氧化还原电位调控系统，所述植物根层氧化还原电位调控系统包括氧化还原电位仪、供气设备、供液设备、电源和开关电路；所述氧化还原电位仪和开关电路都设在同一控制器中；所述控制器设有定位旋钮，设定电位调节旋钮，参比电极电位补偿旋钮，测量/设定开关，电位显示窗口，电源开关；

所述氧化还原电位仪包括探测电极、参比电极电位补偿电路、测量基准电压电路、测量比较电路和译码显示电路；探测电极至少有一个电极通过盐桥与培养装置中土壤相通，探测电极至少有另一个电极位于定植筒旁；

参比电极电位补偿旋钮连接氧化还原电位仪的参比电极电位补偿电路；

所述供气设备由气泵、气源、供气管、气体流量调节器和供气头组成，所述供气管一端连接气泵，另一端连接供气头，气体流量调节器安装在供气管靠近供气头侧；所述供气头置于圆筒内；

所述供液设备由水泵、储液罐、供液管、液体流量调节器和出水口组成，所述供液管将储液罐、水泵、液体流量调节器和出水口依次串联起来；所述出水口置于圆筒内；

所述供气设备的气泵和供液设备的水泵通过导线与控制器连接；所述开关电路由开关基准电压电路、开关比较电路及无触点开关组成；

所述开关电路能够调控供气设备和供液设备的启动或暂停。

7.根据权利要求6所述植物根层氧化还原电位调控装置，其特征在于：所述氧化还原电位仪的量程为-900mV～900mV；氧化还原电位仪的灵敏度不低于0.5mV；

所述氧化还原电位仪中探测电极由铂电极和甘汞电极组成；

其中甘汞电极通过盐桥与培养装置中土壤相连，铂电极置于定植筒旁，定植筒外壁与铂电极距离≤1cm；

测量比较电路的测量原理为对消法；测量比较电路采用静电计级运算放大器作为主元件；

参比电极电位补偿电路能将0～400mV的可调节电压补偿到探测电极的输出电压上；

译码显示电路采用位液晶、数码管或发光二极管组作为显示输出设备；

所述供气设备还包括防堵罩，将供气头罩住；

所述供气头为疏松多孔的素瓷或浮岩制圆柱体；

所述气源贮存有提升氧化还原电位的气体和/或降低氧化还原电位的气体；所述供气设备的输出气体流量为0～100L/min；

所述出水口为莲蓬状，设有小孔；所述液体流量调节器能使供液设备输出流量为0～300mL/min；所述供液设备能够提供氧化性溶液和还原性溶液；

所述开关基准电压电路和参比电极电位补偿电路采用分立元件或集成电路元件组成恒压源电路；

所述电源供应供液设备和供气设备的交流电和供开关电路的直流电。

8.根据权利要求7所述植物根层氧化还原电位调控装置，其特征在于：所述提升氧化还原电位的气体为空气或氧气，降低氧化还原电位的气体为空气、氮气或二氧化碳；

氧化性溶液是过氧化氢或过氧乙酸溶液，还原性溶液是连二亚硫酸钠、柠檬酸钛或葡萄糖溶液。

9.一种利用权利要求6～8任一项所述植物根层氧化还原电位调控装置调控植物根层氧化还原电位的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)安装植物根层氧化还原电位调控的培养装置；

分别选取粒径为1～2mm，0.2～1mm以及粒径小于0.2mm的石英砂，并将三种石英砂进行混合，得到石英砂混合物；每一种粒径的石英砂的质量百分含量不少于10％；

(3)将土壤粉碎后过2～5mm筛，根据需要施入肥料，并掺入步骤(2)获得的石英砂混合物使其含砂量不少于20％，得到含石英砂的土壤；

(4)在定植筒内填充步骤(2)获得的石英砂混合物，每一个由相邻隔层、隔土网和圆筒外侧所形成的区域内埋置一个定植筒；定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域以及圆筒内填充步骤(3)获得的含石英砂的土壤，隔土网外侧与容器内侧所形成的区域填充土壤；

(5)将需要定植的植物移栽进入定植筒的石英砂内；

(6)关闭排水阀，向装置内注水至水面高出土壤层或石英砂层或含有石英砂的土壤层0～5cm；

(7)组装氧化还原电位调控系统；

(8)对氧化还原电位仪进行校正，根据所使用的参比电极和当前温度计算参比电极的电极电势，并将参比电极电位补偿旋钮调节到相应位置；

(9)将与氧化还原电位仪中甘汞电极相连的盐桥、供气设备中供气头及供液设备中出水口埋置在圆筒内含有石英砂的土壤中，将氧化还原电位仪中铂电极埋置在定植筒旁；

(10)开启氧化还原电位调控系统，设定所需的氧化还原电位，系统将通过供气设备和/或供液设备自动调节土壤氧化还原电位至所设定值并将其维持在所设范围内，必要时通过开启排水阀来辅助调控，从而实现植物根层氧化还原电位的调控。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述土壤的高度低于隔层及圆筒上沿0～3cm；此处土壤为定植筒以外的土壤；

定植筒内的石英砂层、定植筒外侧与隔土网内侧所形成区域内以及圆筒内的含有石英砂的土壤层和隔土网外侧与容器内侧所形成的区域内的土壤层高度一致。