CN108401727A - 一种可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，它主要由栽培容器、底盘和尼龙网袋构成，所述栽培容器由对称设置的两个栽培容器壁围成筒体状，栽培容器的底部与底盘形成密闭连接，栽培容器的内壁设有温湿度传感器插槽，温湿度无线传感器以不同空间位置排列安装在温湿度传感器插槽内，并可向无线数据接收处理机传输相关数据信号；栽培容器的下部设有排水球阀，所述尼龙网袋在试验使用时放置于栽培容器内。本发明栽培系统结构简单紧凑，符合作物根系科研工作实际，能同时完成不同层次土壤层次温湿度数据采集、无线传输、统计运算和数据保存；并通过尼龙网袋能比较完整地获得作物根系，满足不同温湿度条件下对作物根系科学研究工作的需要。
Description
技术领域
本发明涉及作物根系研究装备领域，具体是一种盆栽试验条件下，可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统。
背景技术
作物根系是作物吸收和输送无机离子与水分，合成氨基酸和激素等小分子活性物质，储存营养物质以及支撑作物使之固定于土壤中的重要器官。作物根系也是作物与外界环境之间进行物质、能量和信息交换的主要器官，要科学地理解作物生长、发育过程，就要全面地认识作物根系生长发育、分布、不同生育时期根系吸收水分、养分的能力，因此研究不同试验处理对作物的影响，就必须对其根系变化进行系统研究。
由于作物根系一般隐藏在地下，根系生长介质-土壤，是不透明介质，因此，肉眼不易直接对作物根系进行观测，且根系生长受土壤环境条件的影响很大，具有较大的可塑性，同时，不同作物根系类型的差别，作物根系生长发育深度与广度的差异，导致作物根系的研究比对作物其他部分(茎、叶、花、果实与种子)的研究具有较大难度。
人们对作物根系的了解，是一个从自发认识到自觉研究的过程。特别是随着根系形态、生理以及生态方面研究的深入开展和研究手段的不断改进，人们对作物根系作用的认识不断深入，并对作物根系研究方法与装备进行了大量有益的探索。目前从前人对作物根系研究结果可归纳为以下13种主要研究方法及其相关的配套技术装备：1、挖掘法，2、钻土芯法，3、网袋法，4、分根移位法，5、根系观察室法，5、同位素14C示踪法，6、放射性元素植株注射法，7、容器法，8、雾培法，9、水培法，10、微根管法，11、探地雷达法，12、核磁共振成像法、13、X-光扫描分析法等。
长期以来，人们对作物根系研究的主要方法是直接对作物根系实施挖掘。挖掘法操作简单、易行、直观性强、应用广泛。这种方法虽然优点明显，但开挖的力度、范围与开挖深度很难准确地把握，对地下作物根系具有相当大的破坏性，尤其是作物主根或侧根顶端-根尖，是根的最幼嫩、生命活动最旺盛的部分，也是根系的生长、伸长、合成小分子活性物质及吸收水分的主要结构。作物根系根尖部分就很容易在挖掘时与土壤颗粒分离，并在清洗中，损失殆尽。据统计，有30％的根系(特别是根尖部分)在挖掘中脱落，这样就降低了挖掘法在根系研究中的准确性和可靠性。同时，使用挖掘法研究作物根系属于破坏性试验范畴，挖掘作物根系后作物一般不能继续存活，这也限制了挖掘法的研究内容和范围，使得同一作物生长发育全过程无法实现连续动态观测。
部分作物根系研究方法(同位素14C示踪法和放射性元素植株注射法)只能应用于特定研究领域，主要在根系生理研究领域研究使用，同时其对环境和使用者存在一定危害性。一些作物根系研究方法改变了作物根系正常的生长环境和状态，相关研究结果缺乏广泛应用的代表性，如水培法和雾培法，水培和雾培法下作物根系清晰可见，但由于缺乏土壤基质，作物根系形态结构发生较大变化，相关研究结果适用范围有限。
根系地下观测室法最大的优点是可以在不破坏根系的情况下连续观测根系的生长情况，这是其它方法所不能比拟的，但建立根系地下观测室投入较大，而且计算根系长度比较费时，不能为广大科研工作者所普遍采用。
还有一些方法如探地雷达法、核磁共振成像法和X-光扫描分析法等，虽然能原位对作物根系进行观察，但存在观测设备价格昂贵，操作复杂，结果运算繁杂，观测结果重现性较差等不足，使用受到较大限制。
同时作物根系研究中在大量研究结果也表明，作物根系的生长、发育与土壤温度和土壤含水率(土壤湿度)有很大相关性。在一定的温度范围内，作物根系的长度随土壤温度的升高而增长，当温度过高或过低时，都会抑制作物根系的生长。同时，土壤水分含量的高低对根系生长发育产生直接影响，如何节约有限的水资源并保证作物的正常生长发育，一直是节水灌溉研究领域的重点。作物根系作为感受土壤水分含量高低和土壤温度变化的原初部位，不同层次土壤水分和土温的变化使根系的形态结构、根系生物量等也发生相应的变化，从而影响根系的生理特征及整个植株的生长发育，其生理状况直接影响作物抗旱性和耐受温度变化的强弱。因此需要研究不同层次土壤水分和温度变化对作物根系的影响，提高连续动态原位观察对作物根系研究的科学性和准确性，更好地了解作物的抗旱性和耐受温度变化的特点。在当前研究中，一般是直接使用便携土壤水分测定仪和温度计对土壤温度和湿度进行直接测定，虽然相对比较便捷和直接，但因为人工植入相关传感器，每次插入的位置和深度不尽相同，同时因为土壤空间变异的差异，相对位置获得的土壤湿度和温度数据，存在很大的偏差，存在着可靠差和稳定不高等缺陷，因此限于实际试验手段和条件的限制，相关研究方法的不完备，土壤温度和湿度对作物根系的研究还相对滞后。
如何在作物根系研究工作中，原位动态监测作物在不同生长发育阶段土壤温度和湿度对作物根系的影响，并能够比较完整地获得作物根系，对相关根系研究方法和设备提出了新的、更高的要求。鉴于作物根系研究方法和手段的重要性，为了解决根系研究中这一技术瓶颈，该研究装备要求其对作物根系能完整获得，对作物根系结构破坏较小，操作轻简并且装置简单实用，并能便于观测，同时能实时、准确地测定土壤湿度和温度的数据，并实现相关数据的无线传输、显示、存储与相应统计运算，建立这样的技术装备是当前作物根系研究领域中急需解决的一大技术难题。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，使其在盆栽试验条件下，可以获得作物完整根系，并能实时监测不同层次土壤温湿度数据，并具备以无线传输方式实现相关数据的显示、保存、运算等功能。
本发明以下技术方案解决上述技术问题：
本发明可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，包括栽培容器、底盘和尼龙网袋，所述栽培容器由对称设置的两个栽培容器壁围成筒体状，栽培容器的底部与底盘形成密闭连接，栽培容器的内壁设有温湿度传感器插槽，温湿度无线传感器以不同空间位置安装在温湿度传感器插槽内，并可向无线数据接收处理机传输信号；栽培容器的下部设有排水球阀，所述尼龙网袋在试验使用时放置于栽培容器内。
所述栽培容器壁之间通过铰链连接，并通过密封胶封闭结合部的缝隙。
所述栽培容器壁的外侧安装有握把，且在相邻的栽培容器壁之间安装有扣锁，使用时关闭扣锁；需要获取作物根系时，打开扣锁，通过握把分离栽培容器壁。
所述温湿度传感器插槽在栽培容器内部设有数排并呈对称垂直分布，在温湿度传感器插槽空间上、中、下位置分别安装有温湿度无线传感器。
所述栽培容器内壁以及底盘上涂布黑色油漆。
本发明栽培系统具有如下有益效果：
使用本发明栽培系统，在盆栽试验条件下，可以获得作物完整根系，各部件能够方便快捷地组装成型，且内置的尼龙网袋在洗脱土壤颗粒后，比较完整地保留整个作物根系；同时通过在栽培容器内壁不同位置安装有温度和湿度传感器的作用，能够实时监测盆栽土壤不同深度土壤的温度和湿度变化数据，在无线数据接收处理机的作用下，能实现相关数据实时测报、无线传输、存储和相关统计运算，对实时、动态地观测不同试验处理对作物根系的影响，提供了实用可靠的装备保障，极大地提高了作物根系研究的科学性、有效性和可靠性。
附图说明
图1是本发明可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统的拆分示意图。
图2是图1中的栽培容器壁闭合后与底盘相接合的状态图。
图中：1：栽培容器壁；2：握把；3-底盘；4-排水球阀；5-扣锁；6-温湿度传感器插槽；7-温湿度无线传感器；8-无线数据接收处理机；9-尼龙网袋；10-铰链。
具体实施方式
下面结合附图对本发明栽培系统的技术方案作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明是一种可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统。其主要由可拆卸栽培容器、底盘3、无线数据接收处理机8和尼龙网袋9构成，可拆卸栽培容器由两片对称设置的栽培容器壁1围成筒体状，栽培容器的底部置于底盘3之上，并且通过密封胶形成密闭相应结合部，对称排布的栽培容器壁1的一侧通过铰链10相连接，另一侧通过一组扣锁5相连接，结合部的缝隙通过密封胶进行密封；栽培容器壁1的外侧安装有握把2；栽培容器壁1的内壁设有数个与栽培容器中轴线相平行的温湿度传感器插槽6，温湿度传感器插槽6的上、中、下空间相对位置分别安装有温湿度传感器7(包括温度传感器和湿度传感器)，温湿度传感器7获得相关数据信号后向无线数据接收处理机8发送相关数据信息，无线数据接收处理机8具有显示数据、保存数据和统计分析等功能；栽培容器的下部设有排水球阀4，尼龙网袋9试验使用时，放置于栽培容器内并加以固定。
本发明栽培系统组装时，首先将栽培容器壁1闭合形成筒体状，并通过锁扣5锁紧，关闭栽培容器下部的排水球阀4，将栽培容器1置于底盘3中央，即完成作物根系栽培容器主体的组装工作。然后，使用密封胶封闭栽培容器外壁结合部之缝隙以及与底盆的结合部缝隙，做好密封处理，防止水分渗漏；使用黑色油漆均匀涂布栽培容器内壁和底盘3底部，保证作物根系在一种更接近自然状态下黑暗条件下生长。油漆和密封胶风干后，倒水至栽培容器内部，检验容器密闭性；如有水渗漏，打开排水球阀4，放干水后，进行补漏处理，直至达到完全封闭无水渗漏的要求。
对组装好的系统进行调试：将温湿度无线传感器7分别固定安装在温湿度传感器插槽6的空间上、中、下预设位置，即可进行作物根系生长土壤底部、中部和上部的土壤温度、湿度数据测定工作；其余的温湿度无线传感器7按上述方法依次安装，实现相同土层温湿度数据的多点采集，完成系统温湿度无线传感器的整体安装工作。打开无线数据接收处理机8，进行设备调试，调试正常后即可使用。然后装入定制的符合筒体规格的尼龙网袋9，即完成了总系统的组装调试工作。
将预先风干的供试土壤，粉碎过筛，按称重法测定土壤含水率，并计算达到试验设计土壤含水率所需要的灌水量。在使用时，先固定好尼龙网袋9于栽培容器上部边缘，防止倒土时落入栽培容器底部。按照试验设计要求，将规定质量的粉碎过筛土壤装入栽培容器内的尼龙网袋9后，逐步倒入规定质量的水，待水渗入土壤中后，待静置充分后，水分与土壤充分混合，即达到设定土壤含水率，然后再移栽供试作物幼苗，即可开展相关试验处理。
在试验实施工程中，由于温湿度无线传感器7自带内置电源，能连续不间断实时地测定所在位置附近的土壤温湿度，并以相应无线信号的形式向外传输数据。依据试验设计，在规定时间节点需要土壤温湿度数据时，打开无线数据接收处理机8电源开关，无线数据接收处理机8自动接收温湿度无线传感器7以无线形式传输数据信号，并实时显示在其屏幕中。并依靠无线数据接收处理机8自身携带的计算器进行相关简易统计运算，即可获得盆钵土壤上、中、下相对位置的温、湿度数据，依靠无线温湿度数据接收机8内置存储器保存相关分析数据，便于进行控水作业。
依据试验设计要求，需要获得作物完整根系，此时打开栽培容器下部的排水球阀4，排干筒体内水分。此时，由于作物根系的生长和供试土壤长时间在固定形状容器内，土壤形成柱状体，外部包裹尼龙网袋9，不易自行解体。打开栽培容器壁1上的锁扣5，剥离密封胶，试验人员利用栽培容器的握把2分离栽培容器壁1，即可获得包含作物根部的土柱，用清水缓慢从上至下依次冲洗土柱，因为供试土壤已经粉碎过筛，土壤颗粒较细小，随水反复冲刷后，溶解在水中，透过尼龙网袋9网孔流出，从而比较完整地获得包含作物根系的整个植株，从而最大限度地保存了作物根系的完整性，为下一步完整、可靠地研究作物根系奠定了坚实的物质基础。
本发明栽培系统是在长期科研实践的基础上，自行研制开发的。利用了相对简单材料进行设计制作，能够满足作物根系研究大部分指标的测定工作的需要，简单实用。结合以往试验中发现的不足:容器法研究作物根系中，存在试验结束后，栽培容器不易与供试土壤分离，并且分离过程中容易损坏作物根系；而网袋法虽然能相对比较完整地获得作物根系，但因为尼龙网袋质地柔软；在实际使用时，装土移栽作物后，外形容易变形且难以控制，影响到作物根系的生长和发育，对最后根系数据的科学性和可靠性存在较大影响，限制了网袋法在作物根系研究中的应用。本发明的栽培系统综合了容器法和网袋法的优点，克服了上述两种方法的不足。在本发明栽培系统中将容器壁对半分离结构，有效解决了试验结束时，栽培容器与供试土壤圆柱体不易分离的难题；而栽培容器外部坚固的外壁，为尼龙网袋在栽培容器内部展开提供了骨架支撑。装土后，网袋在栽培容器形状统一，大小可控，最大限度保证了作物根系正常生长发育；同时，又增加了获得完整作物根系的可能，提高了根系研究数据的科学性和可靠性。
同时通过长期盆栽试验发现，栽培容器体积大小对作物生长发育有较大影响。栽培容器过小，作物根系生长受到限制，植株发育不完全，部分作物不能正常结实，导致作物产量数据缺失。在以往试验中就出现过因盆栽容器过小，玉米不能正常结实的情况。盆栽容器过大，就存在过筛土壤量增加、试验工作难度加大、试验处理不易控制等问题。因此，在本试验系统研发过程中，栽培容器容积控制在0.2m3左右，过筛供试土壤总质量控制在25-35kg左右，基本满足供试各类型供试作物生长发育的要求，同时栽培容器总质量适中，试验人员操作难度较小。
同时本发明栽培系统在栽培容器内壁预留了安装温湿度无线传感器的插槽，通过无线传输方式将所获得的数据传输到相应的无线数据接收处理机上，避免了有线传输形式对设备的限制和对试验研究造成的不便，提高了数据采集的便捷性，减轻了试验人员的工作强度，提高了试验设备使用的可靠性；同时温湿度无线传感器安装在插槽中，安装、拆卸和更换电池均十分方便，其温湿度无线传感器在插槽上安装相对位置可以调节，便于根据不同作物类型和供试土壤质量，灵活调节温湿度无线传感器相对上、中、下位置，提高了温湿度实时监测覆盖范围，增加了该系统的整体适用性。同时在栽培容器内部预设4个温湿度传感器插槽，每个插槽上设置上、中、下3个温湿度传感器，共计12个。上、中、下3个层次的温湿度传感器，能有效测报盆栽土壤不同层次的土壤温湿度数据；同时每个层次设置4个固定数据采集点，为后续相关数据进行科学统计分析提供了可能，为研究不同层次土壤温湿度与作物根系生长关系提供了坚实的技术装备前提。同时，本系统自带的无线温湿度数据接收机，具有显示数据、保存数据和统计分析等功能，尤其在盆栽试验需设置多次重复的情况下，这些功能模块的使用，减少了试验工作人员的人数要求，降低了试验工作强度，促进了作物根系研究的发展。
Claims (5)
1.一种可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，其特征在于，它包括栽培容器、底盘和尼龙网袋，所述栽培容器由对称设置的两个栽培容器壁围成筒体状，栽培容器的底部与底盘形成密闭连接，栽培容器的内壁设有温湿度传感器插槽，温湿度无线传感器以不同空间位置安装在温湿度传感器插槽内，并可向无线数据接收处理机传输信号；栽培容器的下部设有排水球阀，所述尼龙网袋试验使用时放置于栽培容器内。
2.根据权利要求1所述可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，其特征在于，所述栽培容器壁之间通过铰链连接，并通过密封胶封闭结合部的缝隙。
3.根据权利要求1或2所述可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，其特征在于，所述栽培容器壁的外侧安装有握把，且在相邻的栽培容器壁之间安装有扣锁，使用时关闭扣锁；需要获取作物根系时，打开扣锁，通过握把分离栽培容器壁。
4.根据权利要求1或2所述可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，其特征在于，所述温湿度传感器插槽在栽培容器内部设有数排并呈对称垂直分布，在温湿度传感器插槽空间上、中、下位置分别安装有温湿度无线传感器。
5.根据权利要求1或2所述可获得作物完整根系及实现土壤温湿度无线测报的栽培系统，其特征在于，所述栽培容器内壁以及底盘上涂布黑色油漆。
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