CN107896733A - 一种非对称性增温农业生态系统实验箱 - Google Patents

Abstract

一种非对称性增温农业生态系统实验箱，包括高温机构和低温加热机构；高温加热机构包括高温热媒输送管、高温加热毛细管、高温加热回流管；低温加热机构包括低温热媒输送管、低温加热毛细管、低温加热进流管；本发明利用同一热媒的二次热量释放进行非对称性增温，更近似于自然界中的太阳对植物的光照增温；在自然界中，太阳光照对植物的非对称性增温是具有模糊的增温温差界限的；本发明的试验装置采用简单的增温方法和设计思路解决了非对称性增温中模糊温差界面的问题，使得试验所获得的数据和结构更接近与自然真实情况，相较于采用电子温控增温的现有设备，本发明具有更好的仿生性和更强的模拟性。

Description

一种非对称性增温农业生态系统实验箱

技术领域

本发明涉及农业科学技术领域，具体涉及一种非对称性增温实验装置。

背景技术

北半球气候变暖存在明显的季节差异和昼夜不同步性，大部分地区冬、春季升温高于夏、秋季，日最低气温升幅是日最高气温升幅的2～3倍；近50年我国近地表气温升高主要是最低气温明显上升的结果，日最低气温升幅是日最气高温升幅的2～3倍，与北半球基本一致；升温最显著的季节为冬季和春季。非对称性增温对农作物物候和农作物产量的影响，最低气温升高促使整个生长季延长，促使早春作物物候期提前，但最低气温和最高气温对不同作物的物候以及同一作物的不同发育阶段影响不同。现有研究多采用模型或统计的方法研究气候变暖对作物生长的影响，认为温度升高对作物有“强迫成熟”效应；而现有的最低气温升高和最高气温升高对作物生长影响的研究结果并不一致。非对称性增温对农作物影响的实验研究极少，且缺乏对模型模拟结果的实验验证。

北半球大部分陆地最低气温上升的幅度是最高气温的3倍，40年来夜间平均增温0.84℃，而白天平均增温仅0.28℃，且在所有陆地和所有季节都有这种趋势。1997年美国国家气候数据中心的Easterling等进一步证实了气候变暖中最低气温增幅和最高气温增幅的非对称性，并且认为升温在季节分布上也具有非对称性，这种不对称性造成气温日较差的变小，北半球大部分陆地最低气温上升的幅度是最高气温的2～3倍，在所有陆地和所有季节看来都有这种趋势，且各季节增温幅度也存在非对称性，冬、春季的升温速率远大于夏、秋季的升温速率。其他地方的观测研究也得到相似结论，欧洲地中海地区最低气温的升高速率远远高于最高气温，导致日较差降低，这可能是云覆盖提高和降水增加，或对流层气溶胶增加造成的。

翟盘茂等认为全国平均的年最高气温在过去40年中虽略有增高，但在统计上不具有显著性意义；最低气温具有显著增高趋势，因而表现出显著的日较差变小趋势；我国最低、最高气温变化线性趋势表现出非常明显的不同步性。进一步研究证实，由于最低气温和最高气温的变化趋势不同，我国极端冷昼和冷夜出现的频率显著减少。马晓波研究了我国西北地区最高、最低气温的非同步变化，认为，与华北和我国东部相比，西北地区非对称性幅度更大。王菱等认为我国北方地区近50年来最高和最低气温的变化特点是，最低气温升温速率大于最高气温的升温速率；冬季升温速率大于夏季；高纬度地区的升温速率大于低纬度地区。王石立等研究认为东北气候变暖主要表现在冬季，最低气温升高幅度远大于最高气温的升高幅度。任国玉等表示，我国现代增暖最明显的地区包括东北、华北、西北和青藏高原北部，最显著的季节在冬季和春季。近50年我国近地面气候变暖主要是平均最低气温明显上升的结果，全国范围内极端最低气温显著升高，而极端最高气温升高不多，我国冬、春季升温高于夏、秋季，日最低气温升幅是日最高气温升幅的2～3倍。为了反映这种温度差异，有学者采用最高和最低气温求算平均气温序列。气候变化国家评估报告得出我国平均增温速率明显高于全球或北半球同期平均增温速率，增温主要发生在冬季和春季。所以，可以认为气候变暖存在明显的季节差异和昼夜不同步性。

全球温度不断升高，对农业生态系统产生了影响，国内外学者对此进行了许多研究，但大部分只限于平均温度的变化研究，对农业生态系统来说，最高和最低气温的变化对作物生理活动有重要作用，因为夜间最低气温对作物的呼吸作用、干物质的积累等影响很大；春季低温对作物的物候会产生影响，而日最高气温对于作物的光合作用正常机能的控制等方面非常重要。昼夜温度对作物的生理效应不同，作物对昼夜不同增温的响应也将存在差异。

作物模型已经被广泛应用于研究气候变化对农业生产和粮食安全的影响，从模型研究来看，是日最高气温升高还是日最低气温升高对作物生长的影响大，现有研究结果并不一致。对于玉米和小麦，对CERES模型研究认为，由于灌浆速率对低温的敏感性高于高温，所以降低低温可以使作物有更长的生长周期，可以在更低的夜间温度上有更高的产量，而提高低温可能使生长季缩短，从而使作物减产。另有学者用CERES模型模拟则认为统计方法得到的最低气温升高对产量影响的重要性，可能是来自于最低气温升高与日平均气温升高和太阳辐射的共变效应造成的，而不是最低气温升高对产量的直接影响，模型模拟认为最高气温对产量的影响是最低气温的3倍，最低气温的升高可以提高作物收获指数。用EPIC作物模型得出，日较差提高可能导致蒸发增加而产生干旱胁迫从而使玉米产量下降，可能白天温度的提高比夜间温度提高对作物影响更大。日最低气温每提高1℃，水稻产量减少10%，而日最高气温作用并不显著，小麦发育的最适温度低于玉米和水稻，在多数区域，日最高气温经常超出最适温度，所以日最高气温的改变较夜间日最低气温的改变对作物的影响相对较小。冬小麦和棉花的营养生长期主要受低温的影响，而生殖生长和作物产量受高温、低温的共同影响，其中高温的作用更强，高温升高或极端高温在灌浆期对小麦有“强迫成熟”效应，导致产量降低。

非对称性增温对农作物的生长以及农业种植方法的调控具有重要意义，现在已经开发处多种数学模型来模拟自然界中非对称增温的过程，但是由于原始数据不易获得，或者不能准确采集原始数据，而使得预测模型的准确的不是很高。由于自然采集原始数据具有天然的局限性，不能不分季节的开展，因此，需要进行非对称性增温的试验进行数据的采集。现有技术中一般采用电子温控的方式进行非对称性增温试验，一般采用多个加热装置、多个单片机以及相应的控制系统控制增温的过程，但是这一增温过程的控制过于机械和理想化，忽略了自然界中在自然增温过程中的一些不稳定因素，因此其得到的数据并不能非常准确地反映真实的自然界情况。自然界中的非对称性增温是一个模糊温度边界的过程，太阳在对植物或者农作物进行辐射增温的过程中，其温度变化并不是像电子温控器那般精确和稳定，其增温过程会收到诸多其他因素的影响，电子温控方法虽然看起来很先进，但是其并不能反映真实的自然界情况。因此，需要开发一种非对称性增温试验装置，使其能够模拟自然界中太阳对农作物的非对称性增温过程，可以采用简单的方法得出能够反映真实情况的数据。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种可以实现非对称性增温农业生态系统实验的新型实验装置。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种非对称性增温农业生态系统实验箱，包括壳体，壳体具有表层和内层，表层和内层之间布置有隔热层，隔热层内设置有高温机构和低温加热机构；高温加热机构包括高温热媒输送管、高温加热毛细管、高温加热回流管；低温加热机构包括低温热媒输送管、低温加热毛细管、低温加热进流管；高温加热回流管通过压力泵和温度监测装置与低温加热进流管连接；高温加热毛细管设置在高温热媒输送管上并与高温热媒输送管相通，低温加热毛细管设置在低温热媒输送管上并与低温热媒输送管相通；高温热媒输送管外接有热媒进液管，低温热媒输送管外接有热媒输出管；壳体上部设置有安装盖板，壳体内部设置有试验装置固定机构；高温加热毛细管和低温加热毛细管均伸出隔热层且紧邻试验装置固定机构设置；热媒输出管连接有外部加热装置，外部加热装置设置有热媒存储罐，加热后的热媒暂存在热媒存储罐中，热媒存储罐设置有与热媒进液管相连接的出液口。

优选的，压力泵设置在温度监测装置的上游位置。

优选的，温度监测装置为数值显示式电子温度装置，并设置有报警机构。

优选的，高温加热回流管和低温加热进流管均延伸出隔热层设置，压力泵和温度监测装置也设置在隔热层外侧。

优选的，高温加热回流管和低温加热进流管上均设置有控制阀。

优选的，所述隔热层采用隔热材料制成，高温加热回流管、低温加热进流管、高温加热毛细管以及低温加热毛细管采用导热材料制成。

优选的，高温加热回流管、压力泵、温度监测装置、低温加热进流管通过相应的管道互相连接。

本发明的有益效果：

本发明的包括壳体，壳体具有表层和内层，表层和内层之间布置有隔热层，隔热层内设置有高温加热机构和低温加热机构。本发明工作原理如下：

由外接加热装置加热之后的热媒从热媒进液管进入到高温加热机构中，高温加热机构的高温热媒输送管、高温加热毛细管将热媒的热量传递给位于壳体内部的试验装置固定机构中的试验装置上，对其中的试验设备或者试验材料进行高温热媒的高温加热；完成高温加热后，热媒中的热量有所损失，热媒的温度有所下降，由高温热媒转变为低温热媒，但是其仍然具有一定的热量和温度，还可以被用于加热；此时的热媒从高温加热回流管中流出，经压力泵、温度监测装置进入到低温加热进流管中，进而进入到低温加热装置中，热媒经过低温加热装置中的低温热媒输送管、低温加热毛细管对位于壳体内部的试验设备或者试验材料进行低温的加热。从而，通过对同一热媒的两次利用，实现了对试验设备或者试验材料的二次非对称性增温加热，而且这一加热更贴近于自然情况下的增温情况。

与现有技术相比，具有以下优点：

1、不同于采用单片机以及温控原件进行非对称性增温的控制方法和试验设备，本发明利用同一热媒的二次热量释放进行非对称性增温，更近似于自然界中的太阳对植物的光照增温；在自然界中，太阳光照对植物的非对称性增温是具有模糊的增温温差界限的，这并不同于现有试验设备中精确的电子温控增温方法；本发明的试验装置采用简单的增温方法和设计思路解决了非对称性增温中模糊温差界面的问题，使得试验所获得的数据和结构更接近与自然真实情况，相较于采用电子温控增温的现有设备，本发明具有更好的仿生性和更强的模拟性。

2、一次加热的热媒中的热量被二次利用，热量利用效率较高，由于热媒的加热潜能充分利用，使得加热装置的工作压力大为降低，实现了试验装置的低能耗运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记：

1——壳体、1a——内层、1b——表层、1c——隔热层；

2——安装盖板；

3——高温热媒输送管；

4——低温热媒输送管；

5——高温加热毛细管、5a——高温加热回流管；

6——低温加热毛细管、6a——低温加热进流管；

7——压力泵；

8——试验装置固定机构；

9——温度监测装置;

10——热媒进液管;

11——热媒输出管;

12——控制阀;

13——外部加热装置;

14——热媒存储罐。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

一种非对称性增温农业生态系统实验箱，包括壳体1，壳体具有表层1b和内层1a，表层1b和内层1a之间布置有隔热层1c，隔热层1c内设置有高温机构和低温加热机构；高温加热机构包括高温热媒输送管3、高温加热毛细管5、高温加热回流管5a；低温加热机构包括低温热媒输送管4、低温加热毛细管6、低温加热进流管6a；高温加热回流管5a通过压力泵7和温度监测装置9与低温加热进流管6a连接；高温加热毛细管5设置在高温热媒输送管3上并与高温热媒输送管3相通，低温加热毛细管6设置在低温热媒输送管4上并与低温热媒输送管4相通；高温热媒输送管3外接有热媒进液管10，低温热媒输送管4外接有热媒输出管11；壳体1上部设置有安装盖板2，壳体1内部设置有试验装置固定机构8；高温加热毛细管5和低温加热毛细管6均伸出隔热层1c且紧邻试验装置固定机构8设置；热媒输出管11连接有外部加热装置13，外部加热装置13设置有热媒存储罐14，加热后的热媒暂存在热媒存储罐14中，热媒存储罐14设置有与热媒进液管10相连接的出液口。

为了便于热媒的泵送，压力泵7设置在温度监测装置9的上游位置。

为了便于监测热媒的实时温度，温度监测装置9为数值显示式电子温度装置，并设置有报警机构，当温度过高或过低时，发出报警提示。

为了防止热媒在高低温加热区域转移时互相影响，高温加热回流管5a和低温加热进流管6a均延伸出隔热层1c设置，压力泵7和温度监测装置9也设置在隔热层1c外侧。

为了便于实现热媒输送量的控制，高温加热回流管5a和低温加热进流管6a上均设置有控制阀12。

为实现热量的快速传递并避免热量损失，所述隔热层1c采用隔热材料制成，高温加热回流管5a、低温加热进流管6a、高温加热毛细管5以及低温加热毛细管6采用导热材料制成。

为安装设置方便，高温加热回流管59a、压力泵7、温度监测装置、低温加热进流管6a通过相应的管道互相连接。

本发明工作原理和工作过程如下：

由外接加热装置加热之后的热媒从热媒进液管进入到高温加热机构中，高温加热机构的高温热媒输送管、高温加热毛细管将热媒的热量传递给位于壳体内部的试验装置固定机构中的试验装置上，对其中的试验设备或者试验材料进行高温热媒的高温加热；完成高温加热后，热媒中的热量有所损失，热媒的温度有所下降，由高温热媒转变为低温热媒，但是其仍然具有一定的热量和温度，还可以被用于加热；此时的热媒从高温加热回流管中流出，经压力泵、温度监测装置进入到低温加热进流管中，进而进入到低温加热装置中，热媒经过低温加热装置中的低温热媒输送管、低温加热毛细管对位于壳体内部的试验设备或者试验材料进行低温的加热。从而，通过对同一热媒的两次利用，实现了对试验设备或者试验材料的二次非对称性增温加热，而且这一加热更贴近于自然情况下的增温情况。

与现有技术相比，本发明不同于采用单片机以及温控原件进行非对称性增温的控制方法和试验设备，本发明利用同一热媒的二次热量释放进行非对称性增温，更近似于自然界中的太阳对植物的光照增温；在自然界中，太阳光照对植物的非对称性增温是具有模糊的增温温差界限的，这并不同于现有试验设备中精确的电子温控增温方法；本发明的试验装置采用简单的增温方法和设计思路解决了非对称性增温中模糊温差界面的问题，使得试验所获得的数据和结构更接近与自然真实情况，相较于采用电子温控增温的现有设备，本发明具有更好的仿生性和更强的模拟性。一次加热的热媒中的热量被二次利用，热量利用效率较高，由于热媒的加热潜能充分利用，使得加热装置的工作压力大为降低，实现了试验装置的低能耗运行。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，包括壳体，壳体具有表层和内层，表层和内层之间布置有隔热层，隔热层内设置有高温机构和低温加热机构；高温加热机构包括高温热媒输送管、高温加热毛细管、高温加热回流管；低温加热机构包括低温热媒输送管、低温加热毛细管、低温加热进流管；高温加热回流管通过压力泵和温度监测装置与低温加热进流管连接；高温加热毛细管设置在高温热媒输送管上并与高温热媒输送管相通，低温加热毛细管设置在低温热媒输送管上并与低温热媒输送管相通；高温热媒输送管外接有热媒进液管，低温热媒输送管外接有热媒输出管；壳体上部设置有安装盖板，壳体内部设置有试验装置固定机构；高温加热毛细管和低温加热毛细管均伸出隔热层且紧邻试验装置固定机构设置；热媒输出管连接有外部加热装置，外部加热装置设置有热媒存储罐，加热后的热媒暂存在热媒存储罐中，热媒存储罐设置有与热媒进液管相连接的出液口。

2.如权利要求1的非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，压力泵设置在温度监测装置的上游位置。

3.如权利要求2的非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，温度监测装置为数值显示式电子温度装置，并设置有报警机构。

4.如权利要求3的非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，高温加热回流管和低温加热进流管均延伸出隔热层设置，压力泵和温度监测装置也设置在隔热层外侧。

5.如权利要求4的非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，高温加热回流管和低温加热进流管上均设置有控制阀。

6.如权利要求5的非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，所述隔热层采用隔热材料制成，高温加热回流管、低温加热进流管、高温加热毛细管以及低温加热毛细管采用导热材料制成。

7.如权利要求6的非对称性增温农业生态系统实验箱，其特征在于，高温加热回流管、压力泵、温度监测装置、低温加热进流管通过相应的管道互相连接。