CN109884280A - 植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统 - Google Patents
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Abstract
植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统属过去全球变化古环境重建、人工气候室技术领域，本发明通过水泵将水箱中的水输送到L形箱体内的海绵组件和种植盒内的杀菌土壤形成土壤潜水层；通过与升降装置上的圆环相连的梯形漏斗的升降控制潜水面深度，同时使潜水经滤水篮和软管流回水箱的水体中，直线位移传感器量化潜水面深度，水流流速仪、水位限位器和数控调频器控制土壤潜水层水流流态，由此构建单一潜水变化条件下的植物生长环境，进一步获得植硅体形态组合，进行植硅体微观几何形态与土壤潜水面定量关系研究；本发明结构简单，度量准确，可解决多因素连锁反应的困扰，安装方便、成本低、易量化，并可多次重复使用。
Description
技术领域
本发明属于过去全球变化古环境重建、人工气候室技术领域，具体涉及一种科学模拟土壤潜水面深度，获取土壤潜水面单一因素影响下的植硅体形态组合，从而进行植硅体微观几何形态与土壤潜水面定量关系模拟的实验系统。
背景技术
科学、准确地解释植硅体数据，搞清植硅体几何形态与环境因子的关系一直深受全球学者的广泛重视。植物的生长发育及其产生的植硅体形态组合受土壤潜水面变化影响明显。然而土壤潜水面和植物之间是一种复杂的多维关系。如何提取潜水层对植硅体几何形态的单独效应，是植硅体形态组合与环境因子关系研究中的一个重要关键问题。一直以来，学界的普遍做法是在不同地区采集土壤提取植硅体来进行该研究。这种做法不仅无法提取某单因子对植硅体几何形态的影响，而且需要人手多，费用高，耗时长。在室内温湿条件一致的情况下，准确模拟潜水面这一单一环境因子，获得其影响下的各种植硅体形态组合，是实现植硅体—环境因子定量关系研究的重要途径。然而，目前国内外尚未见有关本模拟方面的尝试。
发明内容
本发明的目的在于通过实验室人工调控，获得土壤潜水深度影响下的植硅体形态组合，从而为植硅体—土壤潜水面定量关系研究提供科学实用的实验技术方法，用以解决当前植硅体—环境因子关系研究中多因子连锁反应带来的困扰。
本发明由L形箱体组件A、种植盒B、生化棉组件C、双层载物架D、供水系统E、水箱F、升降装置G、漏斗系统H、土壤温度湿度传感器1、杀菌土壤2、水位限位器3和水体4组成，其中土壤温度湿度传感器1固接于杀菌土壤2内；杀菌土壤2置于种植盒B的无盖长方体箱体12内；水位限位器3固接于L形箱体组件A的箱体6右侧壁顶部；水体4置于水箱F的箱体26内；L形箱体组件A经支脚对7固接于双层载物架D的上面；种植盒B的无盖长方体箱体12经支脚对13固接于L形箱体组件A的箱体6内，且位于下凸长条形水槽9的右边；生化棉组件C的小孔生化棉a、中孔生化棉b、大孔生化棉c和粗孔生化棉d自上而下顺序排列，置于种植盒B的无盖长方体箱体12底面与L形箱体组件A的箱体6底板之间，小孔生化棉a上延至种植盒B的无盖长方体箱体12四周外壁与L形箱体组件A中箱体6内壁之间；水箱F的箱体26经支脚对29固接于双层载物架D内；供水系统E中电源线e1上端与水位限位器3固接；供水系统E中水管接口24的上端与L形箱体组件A的箱体6底部进水孔8密封连通；供水系统E中水泵21的左侧进水口20与水箱F的出水孔27密封连通；升降装置G位于L形箱体组件A中下凸长条形水槽9侧，升降装置G中螺杆32的上下端分别固接于L形箱体组件A中箱体6的限位板aⅠ和限位板bⅡ；漏斗系统H中的圆环30套于升降装置G的螺杆32上，且位于升降装置G的螺母31和限位板bⅡ之间，漏斗系统H的软管36穿过L形箱体组件A中下凸长条形水槽9的水管通孔10，且软管36外圈与水管通孔10密封连接；软管36的下端与水箱F中箱体26的水体4连通；升降装置G的螺杆32位于漏斗系统H中软管36的左侧；种植盒B中无盖长方体箱体12材料的孔密度小于生化棉组件C中小孔生化棉a的孔密度。
所述的L形箱体组件A由箱体6、支脚对7、下凸长条形水槽9、限位板aⅠ、限位板bⅡ和支架11组成，其中所述L形箱体组件A主体部分为长方体形，下凸长条形水槽9位于箱体6的左部；下凸长条形水槽9底板的近后部设有水管通孔10；箱体6底板的右前部设有进水孔8；支架11固接于箱体6的左上角近后部；限位板aⅠ固接于箱体6的左侧板后下部，限位板bⅡ固接于左侧板后上部，且限位板aⅠ和限位板bⅡ在一条直线上；支脚对7固接于箱体6的底面。
所述的种植盒B由无盖长方体箱体12和支脚对13组成，支脚对13固接于无盖长方体箱体12底部，无盖长方体箱体12的材料为具有渗透功能的生化棉。
所述生化棉组件C由自上而下排列的小孔生化棉a、中孔生化棉b、大孔生化棉c和粗孔生化棉d组成，其中小孔生化棉a的厚度为2～10cm，孔径为150-800ppi；中孔生化棉b的厚度为2～3cm，孔径为90-150ppi；大孔生化棉c的厚度为2～3cm，孔径为30-50ppi；粗孔生化棉d的厚度为2～4cm，孔径为15-30ppi。
所述的双层载物架D由空心格板14、空心长方体箱体15和轮组16组成，其中空心格板14由正方形格子组17和长方形格子18组成，长方形格子18设于左部，正方形格子组17的3×2个～14×11个格子设于右部；空心格板14固接于空心长方体箱体15上面，轮组16由四个轮组成，四个轮固接于空心长方体箱体15的下面。
所述供水系统E由电源线e1、数控调频器19、电源线e2、水泵21、水流流速仪23、电源线e3、水管24和电源插座25组成，其中电源线e1、数控调频器19、电源线e2、水泵21、电源线e3和电源插座25串联连接；水管24的下端经水流流速仪13与水泵出口22连通。
所述水箱F由箱体26和支脚对29组成，其中箱体26为无盖长方体，箱体26的前面右下部设有带水龙头的排水孔28，箱体26的右面近下部设有出水孔27，支脚对29固接于箱体26底部。
所述升降装置G由直线位移传感器5、螺母31、螺杆32组成，其中螺母31套于螺杆32上，直线位移传感器5固接于螺杆32的顶端。
所述漏斗系统H由圆环30、滤水篮33、梯形漏斗34、下水口35和软管36组成，其中软管36上端与梯形漏斗34底部下水口35密封连通，滤水篮33置于梯形漏斗34敞口内，圆环30固接于梯形漏斗34上端左侧。
本发明的工作过程和原理如下：
1.打开水泵21，使水箱F中的水体4循环：水从出水孔27流出，经数控调频器19，水泵21，水流流速仪23，水管24由L形箱体6的进水孔8，进入L形箱体6的生化棉组件C的粗孔生化棉d，进一步到渗入大孔生化棉c，中孔生化棉b和种植盒B周围的生化棉a，再进一步渗入种植盒B的杀菌土壤2内，形成潜水层。潜水层水流流入下凸长条形水槽9，进一步流入梯形漏斗34，通过滤水篮33、下水口35和软管36，流回到水箱F的水体4中，从而形成一完整水循环。
2.水位限位器2自动控制潜水层最高水位，水流流速仪23检测潜水层流速，数控调频器19根据实验需要调整潜水层水流状态，从而控制土壤潜水层的流态。
3.梯形漏斗34的顶面即潜水层的顶面，旋转漏斗升降装置G的螺母31，使其上升或下降，可以控制系统H的圆环30的位置，进一步带动梯形漏斗34的上下移动。想要模拟多深的潜水层，只需将螺母31移至螺杆32上相应的位置即可。直线位移传感器30直接显示的圆环30上下移动的距离，即潜水面上下移动的距离。
4.土壤温度湿度传感器1及时显示不同潜水深度土壤的温度和湿度，随时掌握试验植物土壤的温度、湿度情况。
5.本发明L形箱体6和种植盒B的无盖长方体箱体12之间用生化棉组件C来实现种植盒B外土壤水环境的模拟，自下而上依次由粗孔—大孔—中孔—小孔生化棉铺成，既可以防止土壤颗粒污染水体，也可节约原料，减少成本。同时，梯形漏斗34中的滤水篮33可滤掉杂质，保证流回水箱F中水体4的水无大颗粒杂质。
本发明在实验室内温度和湿度均一的状态下，通过水泵供水，实现种植盒内潜水层的形成；通过螺母升降控制调节梯形漏斗的高低，进一步控制土壤潜水面的深度；在此基础上在种植盒内种植试验植物，获取土壤潜水面单一因素影响下的植硅体组合。同一室内、不同实验系统的不同潜水面深度，保证了相同空气条件下潜水层深度这一单一因子的形成，从而可以获取不同土壤潜水面深度影响下的植硅体形态组合，保证了植硅体微观几何形态对潜水面响应的定量模拟研究的科学进行。
附图说明
图1为植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统的主视图
图2为植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统的左视图
图3为植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统的俯视图
图4为L形箱体组件A的结构示意图
图5为种植盒B的结构示意图
图6为生化棉组件C结构示意图
图7为双层载物架D的结构示意图
图8为供水系统E的结构示意图
图9为水箱F的结构示意图
图10为升降装置G的结构示意图
图11为漏斗系统H的结构示意图
其中：A.L形箱体组件 B.种植盒 C.生化棉组件 D.双层载物架 E.供水系统 F.水箱 G.升降装置 H.漏斗系统 1.土壤温度湿度传感器 2.杀菌土壤 3.水位限位器 4.水体5.直线位移传感器 6.箱体 7.支脚对 8.进水孔 9.下凸长条形水槽 10.水管通孔 11.支架 12.无盖长方形箱体 13.支脚对 14.空心格板 15.空心长方体箱体 16.轮组 17.正方形格子组 18.长方形格子 19.数控调频器 20.进水口 21.水泵 22.水泵出口 23.水流流速仪 24.水管 25.电源插座 26.箱体 27.出水孔 28.排水孔 29.支脚对 30.圆环 31.螺母 32.螺杆 33.滤水篮 34.梯形漏斗 35.下水口 36.软管 Ⅰ.限位板 aⅡ.限位板b a.小孔生化棉 b.中孔生化棉 c.大孔生化棉 d.粗孔生化棉 e1.电源 线e2.电源线 e3.电源线
具体实施方式
以下结合附图描述本发明。
如图1至图3所示，本发明由L形箱体组件A、种植盒B、生化棉组件C、双层载物架D、供水系统E、水箱F、升降装置G、漏斗系统H、土壤温度湿度传感器1、杀菌土壤2、水位限位器3和水体4组成，其中土壤温度湿度传感器1固接于杀菌土壤2内；杀菌土壤2置于种植盒B的无盖长方体箱体12内；水位限位器3固接于L形箱体组件A的箱体6右侧壁顶部；水体4置于水箱F的箱体26内；L形箱体组件A经支脚对7固接于双层载物架D的上面；种植盒B的无盖长方体箱体12经支脚对13固接于L形箱体组件A的箱体6内，且位于下凸长条形水槽9的右边；生化棉组件C的小孔生化棉a、中孔生化棉b、大孔生化棉c和粗孔生化棉d自上而下顺序排列，置于种植盒B的无盖长方体箱体12底面与L形箱体组件A的箱体6底板之间，小孔生化棉a上延至种植盒B的无盖长方体箱体12四周外壁与L形箱体组件A中箱体6内壁之间；水箱F的箱体26经支脚对29固接于双层载物架D内；供水系统E中电源线e1上端与水位限位器3固接；供水系统E中水管接口24的上端与L形箱体组件A的箱体6底部进水孔8密封连通；供水系统E中水泵21的左侧进水口20与水箱F的出水孔27密封连通；升降装置G位于L形箱体组件A中下凸长条形水槽9侧，升降装置G中螺杆32的上下端分别固接于L形箱体组件A中箱体6的限位板aⅠ和限位板bⅡ；漏斗系统H中的圆环30套于升降装置G的螺杆32上，且位于升降装置G的螺母31和限位板bⅡ之间，漏斗系统H的软管36穿过L形箱体组件A中下凸长条形水槽9的水管通孔10，且软管36外圈与水管通孔10密封连接；软管36的下端与水箱F中箱体26的水体4连通；升降装置G的螺杆32位于漏斗系统H中软管36的左侧；种植盒B中无盖长方体箱体12材料的孔密度小于生化棉组件C中小孔生化棉a的孔密度。
如图4所示，所述的L形箱体组件A由箱体6、支脚对7、下凸长条形水槽9、限位板aⅠ、限位板bⅡ和支架11组成，其中所述L形箱体组件A主体部分为长方体形，下凸长条形水槽9位于箱体6的左部；下凸长条形水槽9底板的近后部设有水管通孔10；箱体6底板的右前部设有进水孔8；支架11固接于箱体6的左上角近后部；限位板aⅠ固接于箱体6的左侧板后下部，限位板bⅡ固接于左侧板后上部，且限位板aⅠ和限位板bⅡ在一条直线上；支脚对7固接于箱体6的底面。
如图5所示，所述的种植盒B由无盖长方体箱体12和支脚对13组成，支脚对13固接于无盖长方体箱体12底部，无盖长方体箱体12的材料为具有渗透功能的生化棉，孔密度小于小孔生化棉a，长、宽、高分别为700mm、400mm、350mm，箱体12内装有种植试验植物所需的杀菌土壤2，厚度35mm；杀菌土壤2内有土壤温度湿度传感器1。
如图6所示，所述生化棉组件C由自上而下排列的小孔生化棉a、中孔生化棉b、大孔生化棉c和粗孔生化棉d组成，其中小孔生化棉a的厚度为2～10cm，孔径为150-800ppi；中孔生化棉b的厚度为2～3cm，孔径为90-150ppi；大孔生化棉c的厚度为2～3cm，孔径为30-50ppi；粗孔生化棉d的厚度为2～4cm，孔径为15-30ppi。生化棉组件C充填于L形箱体组件A的箱体6和种植盒组件C的无盖长方体箱体12之间，除左侧升降装置G和漏斗系统H的运动空间外，用来模拟种植盒土壤周围的水环境；
如图7所示，所述的双层载物架D由空心格板14、空心长方体箱体15和轮组16组成，其中空心格板14由正方形格子组17和长方形格子18组成，长方形格子18设于左部，正方形格子组17的3×2个～14×11个格子设于右部；空心格板14固接于空心长方体箱体15上面，轮组16由四个轮组成，四个轮固接于空心长方体箱体15的下面。
如图8所示，所述供水系统E由电源线e1、数控调频器19、电源线e2、水泵21、水流流速仪23、电源线e3、水管24和电源插座25组成，其中电源线e1、数控调频器19、电源线e2、水泵21、电源线e3和电源插座25串联连接；水管24的下端经水流流速仪13与水泵出口22连通，其中水位限位器3固接于L形箱体组件A的箱体6右侧壁顶部，且通过电源线e1穿过空心格板14，与数控调频器19、水泵21串联相连，水泵21通过电源线e3与电源插座25相连。当水位到达水位上限时，自动报警断电，水泵21停止工作。
如9所示，所述水箱F尺寸800mm×500mm×300mm，由箱体26和支脚对29组成，其中箱体26为无盖长方体，箱体26的前面右下部设有带水龙头的排水孔28，箱体26的右面近下部设有出水孔27，支脚对29固接于箱体26底部。
如图10所示，所述升降装置G由直线位移传感器30、圆环31、螺母32、螺杆33组成，其中螺母32套于螺杆33上，直线位移传感器30固接于螺杆33的顶端，
所述升降装置G由直线位移传感器5、螺母31、螺杆32组成，其中螺母31套于螺杆32上，直线位移传感器5固接于螺杆32的顶端，并与圆环30相连，用来确定圆环30上下移动的距离，从而度量土壤潜水面深度的变化。
如图11所示，所述漏斗系统H由圆环30、滤水篮33、梯形漏斗34、下水口35和软管36组成，其中软管36上端与梯形漏斗34底部下水口35密封连通，滤水篮33置于梯形漏斗34敞口内，圆环30固接于梯形漏斗34上端左侧。拧动圆环30下部的螺母31，圆环30随之进行上下移动，同时带动梯形漏斗34上下移动，种植盒B的无盖长方体箱体12内的杀菌土壤2的潜水面则随之上下变动。
打开水泵21，使水箱F中的水体4的水从出水孔27流出，经供水系统E流到L形箱体组件A的箱体6底部的进水孔8，从而进入生化棉组件C的粗孔生化棉Ⅳd，进一步到渗入大孔生化棉Ⅲc、中孔生化棉Ⅱb和种植盒B的无盖长方体箱体12周围的小孔生化棉Ⅰa，再进一步渗入箱体12的杀菌土壤2内，形成潜水层。潜水层水流流入下凸长条形水槽9，进一步流入梯形漏斗34，通过梯形漏斗34的下水口35和软管36流回到水箱F的水体4中，从而实现种植盒杀菌土壤潜水层的水循环过程。
种植盒B的杀菌土壤2中种植试验植物，植物生长期间，可通过土壤中的土壤温度、湿度传感器1随时检测调整杀菌土壤2的温度和湿度。待植物成熟，选择植株的不同部位提取植硅体，进行镜下鉴定测量，进一步将所得结果与土壤潜水面深度进行相关定量分析研究。
Claims (9)
1.一种植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，由L形箱体组件(A)、种植盒(B)、生化棉组件(C)、双层载物架(D)、供水系统(E)、水箱(F)、升降装置(G)、漏斗系统(H)、土壤温度湿度传感器(1)、杀菌土壤(2)、水位限位器(3)和水体(4)组成，其中土壤温度湿度传感器(1)固接于杀菌土壤(2)内；杀菌土壤(2)置于种植盒(B)的无盖长方体箱体(12)内；水位限位器(3)固接于L形箱体组件(A)的箱体(6)右侧壁顶部；水体(4)置于水箱(F)的箱体(26)内；L形箱体组件(A)经支脚对(7)固接于双层载物架(D)的上面；种植盒(B)的无盖长方体箱体(12)经支脚对(13)固接于L形箱体组件(A)的箱体(6)内，且位于下凸长条形水槽(9)的右边；生化棉组件(C)的小孔生化棉(a)、中孔生化棉(b)、大孔生化棉(c)和粗孔生化棉(d)自上而下顺序排列，置于种植盒(B)的无盖长方体箱体(12)底面与L形箱体组件(A)的箱体(6)底板之间，小孔生化棉(a)上延至种植盒(B)的无盖长方体箱体(12)四周外壁与L形箱体组件(A)中箱体(6)内壁之间；水箱(F)的箱体(26)经支脚对(29)固接于双层载物架(D)内；供水系统(E)中电源线(e1)上端与水位限位器(3)固接；供水系统(E)中水管接口(24)的上端与L形箱体组件(A)的箱体(6)底部进水孔(8)密封连通；供水系统(E)中水泵(21)的左侧进水口(20)与水箱(F)的出水孔(27)密封连通；升降装置(G)位于L形箱体组件(A)中下凸长条形水槽(9)侧，升降装置(G)中螺杆(32)的上下端分别固接于L形箱体组件(A)中箱体(6)的限位板a(Ⅰ)和限位板b(Ⅱ)；漏斗系统(H)中的圆环(30)套于升降装置(G)的螺杆(32)上，且位于升降装置(G)的螺母(31)和限位板b(Ⅱ)之间，漏斗系统(H)的软管(36)穿过L形箱体组件(A)中下凸长条形水槽(9)的水管通孔(10)，且软管(36)外圈与水管通孔(10)密封连接；软管(36)的下端与水箱(F)中箱体(26)的水体(4)连通；升降装置(G)的螺杆(32)位于漏斗系统(H)中软管(36)的左侧；种植盒(B)中无盖长方体箱体(12)材料的孔密度小于生化棉组件(C)中小孔生化棉(a)的孔密度。
2.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述的L形箱体组件(A)由箱体(6)、支脚对(7)、下凸长条形水槽(9)、限位板a(Ⅰ)、限位板b(Ⅱ)和支架(11)组成，其中所述L形箱体组件(A)主体部分为长方体形，下凸长条形水槽(9)位于箱体(6)的左部；下凸长条形水槽(9)底板的近后部设有水管通孔(10)；箱体(6)底板的右前部设有进水孔(8)；支架(11)固接于箱体(6)的左上角近后部；限位板a(Ⅰ)固接于箱体(6)的左侧板后下部，限位板b(Ⅱ)固接于左侧板后上部，且限位板a(Ⅰ)和限位板b(Ⅱ)在一条直线上；支脚对(7)固接于箱体(6)的底面。
3.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述的种植盒(B)由无盖长方体箱体(12)和支脚对(13)组成，支脚对(13)固接于无盖长方体箱体(12)底部，无盖长方体箱体(12)的材料为具有渗透功能的生化棉。
4.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述生化棉组件(C)由自上而下排列的小孔生化棉(a)、中孔生化棉(b)、大孔生化棉(c)和粗孔生化棉(d)组成，其中小孔生化棉(a)的厚度为2～10cm，孔径为150-800ppi；中孔生化棉(b)的厚度为2～3cm，孔径为90-150ppi；大孔生化棉(c)的厚度为2～3cm，孔径为30-50ppi；粗孔生化棉(d)的厚度为2～4cm，孔径为15-30ppi。
5.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述的双层载物架(D)由空心格板(14)、空心长方体箱体(15)和轮组(16)组成，其中空心格板(14)由正方形格子组(17)和长方形格子(18)组成，长方形格子(18)设于左部，正方形格子组(17)的3×2个～14×11个格子设于右部；空心格板(14)固接于空心长方体箱体(15)上面，轮组(16)由四个轮组成，四个轮固接于空心长方体箱体(15)的下面。
6.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述供水系统(E)由电源线(e1)、数控调频器(19)、电源线(e2)、水泵(21)、水流流速仪(23)、电源线(e3)、水管(24)和电源插座(25)组成，其中电源线(e1)、数控调频器(19)、电源线(e2)、水泵(21)、电源线(e3)和电源插座(25)串联连接；水管(24)的下端经水流流速仪(13)与水泵出口(22)连通。
7.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述水箱(F)由箱体(26)和支脚对(29)组成，其中箱体(26)为无盖长方体，箱体(26)的前面右下部设有带水龙头的排水孔(28)，箱体(26)的右面近下部设有出水孔(27)，支脚对(29)固接于箱体(26)底部。
8.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述升降装置(G)由直线位移传感器(5)、螺母(31)、螺杆(32)组成，其中螺母(31)套于螺杆(32)上，直线位移传感器(5)固接于螺杆(32)的顶端。
9.按权利要求1所述的，植硅体微观几何形态与土壤潜水面的定量响应实验系统，其特征在于，所述漏斗系统(H)由圆环(30)、滤水篮(33)、梯形漏斗(34)、下水口(35)和软管(36)组成，其中软管(36)上端与梯形漏斗(34)底部下水口(35)密封连通，滤水篮(33)置于梯形漏斗(34)敞口内，圆环(30)固接于梯形漏斗(34)上端左侧。
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