CN110534004A - 一种低温控制实验平台 - Google Patents

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韩娟娟
万师强
陈吉泉
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Abstract

本发明公开了一种低温控制实验平台,包括:冷冻涡旋压缩机、风冷换热器、储液器、膨胀阀和植物生长箱;制冷压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入风冷换热器,通过与冷却介质的热交换被冷凝成中温高压液体流入储液器,高压液体经膨胀阀变成低温低压的气液两相混和物进入蒸发器,通过与载冷液的热交换,吸收载冷液的热量后成为低温低压的制冷剂气体被吸入压缩机再次压缩,从而达到对载冷液降温目的。降温后的载冷液送至各个植物生长箱内。本发明的优点在于:能够更加真实地实时监测与分析植被对低温是如何响应的;为评估高原牧区灾害可能带来的损失提供理论依据;分析出低温影响植被的关键因子,从而降低极端低温对草地生态系统的影响。

Description

一种低温控制实验平台
技术领域
本发明涉及生态系统碳循环研究技术领域,特别涉及一种针对极端低温对蒙古高原半干旱草地生态系统物种、种群、群落尺度的植物生理影响、光合作用、植物-土壤碳周转、土壤微生物群落动态的影响的低温控制实验平台。
背景技术
极端气候事件对生态系统功能的影响研究仍然处于起步阶段:IPCC AR5报告特别强调,随着全球平均温度的升高,大部分陆地地区的极端暖事件将增多,极端高温发生的频度增多、持续时间更长。部分区域极端降水事件将增多,一些区域极端干旱增多。这些结论已经得到广泛一致的认可,然而这些极端气候事件如何影响生态系统功能,例如碳循环、水循环等,刚刚处于起步阶段。在此基础上,极端低温事件带来的生态影响及后果评估更是严重不足。因此研究极端低温事件影响生态系统物候、碳通量及物候与碳通量的关系迫在眉睫,将填补野外实地极端降温事件对生态系统功能研究的空白。
目前,极端低温(又称低温胁迫)对于生态系统的影响研究主要是通过室内实验室的生理、分子生物学等手段实施,这种研究方法能够非常详细而且精准的分析低温胁迫究竟如何通过植物的细胞内某种酶或者器官等调节植物对低温胁迫的响应。但是,近些年的环境科学领域的一些研究逐渐发现,野外原位的气候变化与实验室模拟的气候变化对植被的影响往往是不一致的,甚至是相悖的。因此,建立原位野外极端低温试验平台、监测极端低温对生态系统结构和功能的影响,将为蒙古高原的气候灾害评估提供第一手资料。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷,提供了一种低温控制实验平台,能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的,本发明采取的技术方案如下:
一种低温控制实验平台,包括:冷冻涡旋压缩机1、避震软管2、油分离器3、风冷换热器4、储液器5、球阀A6、干燥过滤器7、膨胀阀8、蒸发器9、载冷液水箱10、水泵11、气液分离器12、高压表压力控制器13、低压表压力控制器14、球阀B15、油冷却器16、载冷液管道17、电磁阀18和植物生长箱19;
冷冻涡旋压缩机1排出的高温高压制冷剂气体经过避震软管2和油分离器3进入风冷换热器4,通过与冷却介质的热交换被冷凝成中温高压液体流入储液器5,经干燥过滤器7的干燥过滤后进入膨胀阀8,储液器5和干燥过滤器7之间设有球阀A6;高压液体经膨胀阀8节流降压变成低温低压的气液两相混和物进入蒸发器9,载冷液水箱连接蒸发器9,气液两相混和物通过与载冷液的热交换,吸收载冷液的热量后成为低温低压的制冷剂气体被吸入冷冻涡旋压缩机1再次压缩,这样不断循环,从而达到对载冷液降温目的;油分离器3分流的制冷剂进入油冷却器16后再回到冷冻涡旋压缩机1中。油分离器3与油冷却器16之间设有球阀B15。而降温后的载冷液由水泵11和载冷液管道17泵送至各个植物生长箱19的表冷器内,通过与被冷却介质(空气)的热交换,吸收植物生长箱19内空气的热量,升温后的载冷液再进入蒸发器9被冷却,这样不断循环从而达到对植物生长箱19制冷的目的;
所述降温的植物生长箱19有6-18个,每一个植物生长箱19内设有三个表冷器、三个融霜装置、可拆卸风管20、空气温度湿度探头21、土壤温度探头22。表冷器上有风扇,将表冷器内的载冷液所携带的冷能量吹出来;三个融霜装置内置于表冷器内部,用于将表冷器表面结的霜融化;可拆卸风管20是塑料软管,与表冷器的出风口连接,环绕植物生长箱19内部一周,可拆卸风管20表面设有3排气孔,用于将冷风吹出来;植物生长箱19内设有土壤层,土壤温度探头22安置在土壤层中,安置深度为0-10cm,10-20cm,20-30cm,30-50cm;
植物生长箱19内的土壤层样方分为四个区域,分别是群落碳通量测定区23、物种物候观测区24、永久样方调查区25、植物及土壤采样区26;群落碳通量测定区主要测定群落碳通量和土壤呼吸。物种物候观测区24用于记录样方内的优势物种的植物返青、花苞、开花、老花、种子形成、种子脱落、植物枯黄。永久样方调查区25用于调查所有物种的物种丰富度、多度、物种盖度、高度。植物及土壤采样区26用于采集优势物种,用于测定植物的生理指标和分子指标,例如叶绿素含量、可溶性糖等。土壤采集表面0-10cm的土壤测定土壤微生物多样性,DNA测定等。
进一步地,每个植物生长箱19的载冷液入口处的载冷液管道17均设有电磁阀18用以打开和关闭水流,当植物生长箱19温度接近预设温度时,电磁阀18关闭水流,植物生长箱19内缓慢接近预设温度。
进一步地,当载冷液温度低于5℃,启动每个植物生长箱内的融霜装置,融霜4分钟,间隔40分钟后再次检测载冷液温度,如果仍然低于5℃,将再次启动融霜装置。该表冷器融霜期间停止输送载冷液,其他2个表冷器继续降温,40分钟间隔期间依次给另外2个表冷器表面融霜。降温的要求是植物生长箱19内的空气温度实时比环境温度低8度,由于野外风及太阳辐射的干扰,允许正负0.2度的误差。
与现有技术相比本发明的优点在于:
1)首次原位模拟极端低温(低温胁迫)对植被的影响,能够更加真实地实时监测与分析植被对低温是如何响应的;
2)首次原位量化极端低温对草地生态系统的影响量,为评估高原牧区灾害可能带来的损失提供理论依据;
3)结合野外原位监测与实验室生理分子测定,首次全面展示极端低温对草地生态系统的影响,并分析出低温影响植被的关键因子,如何降低极端低温对草地生态系统的影响。
附图说明
图1为本发明实施例低温控制实验平台的结构示意图;
图2为本发明实施例植物生长箱的结构示意图;
图3为本发明实施例植物生长箱的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图并举实施例,对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,一种低温控制实验平台,包括冷冻涡旋压缩机1、避震软管2、油分离器3、风冷换热器4、储液器5、球阀A6、干燥过滤器7、膨胀阀8、蒸发器9、载冷液水箱10、水泵11、气液分离器12、高压表压力控制器13、低压表压力控制器14、球阀B15、油冷却器16、载冷液管道17、电磁阀18、植物生长箱19;
冷冻涡旋压缩机1排出的高温高压制冷剂气体经过避震软管2和油分离器3进入风冷换热器4,通过与冷却介质的热交换被冷凝成中温高压液体流入储液器5,经干燥过滤器7的干燥过滤(过滤杂质和水分)后进入膨胀阀8,储液器5和干燥过滤器7之间设有球阀A6;高压液体经膨胀阀8节流降压变成低温低压的气液两相混和物进入蒸发器9,载冷液水箱连接蒸发器9,气液两相混和物通过与载冷液的热交换,吸收载冷液的热量后成为低温低压的制冷剂气体被吸入冷冻涡旋压缩机1再次压缩,这样不断循环,从而达到对载冷液降温目的。同时,油分离器3分流的制冷剂进入油冷却器16后再回到冷冻涡旋压缩机1中。油分离器3与油冷却器16之间设有球阀B15。而降温后的载冷液由水泵11和载冷液管道17泵送至各个植物生长箱19的表冷器内,通过与被冷却介质(空气)的热交换,吸收植物生长箱19内空气的热量,升温后的载冷液再进入蒸发器9被冷却,这样不断循环从而达到对植物生长箱19制冷的目的。
每个植物生长箱19的载冷液入口处的载冷液管道17均设有电磁阀18用以打开和关闭水流,当植物生长箱19温度接近预设温度时,电磁阀18关闭水流,植物生长箱19内缓慢接近预设温度。当载冷液温度低于5℃,启动每个植物生长箱内的融霜装置(内置于表冷器内,共3个表冷器),融霜4分钟,间隔40分钟后再次检测载冷液温度,如果仍然低于5℃,将再次启动融霜装置。该表冷器融霜期间停止输送载冷液,其他2个表冷器继续降温,40分钟间隔期间依次给另外2个表冷器表面融霜。降温的要求是植物生长箱19内的空气温度实时比环境温度低8度,由于野外风及太阳辐射的干扰,允许正负0.2度的误差。
所述降温的植物生长箱19有12个,每一个植物生长箱19内设有表冷器3个(表冷器上有风扇,将表冷器内的载冷液所携带的冷能量吹出来)、融霜装置3个(内置于表冷器内部,将表冷器表面结的霜融化)、可拆卸风管20(风管是塑料软管,与表冷器的出风口连接,环绕植物生长箱内部一周,上面有3排气孔,用于将冷风吹出来)、空气温度湿度探头21、土壤温度探头22(安置在土壤层0-10cm,10-20cm,20-30cm,30-50cm);植物生长箱19内分为四个区域,分别是群落碳通量测定区23、物种物候观测区24、永久样方调查区25、植物及土壤采样区26。群落碳通量测定区主要测定群落碳通量和土壤呼吸。其中群落碳通量通过Li-6400仪器连接透明同化箱分别测定群落0.5×0.5×0.5m3的体积内群落净的生态系统碳交换、生态系统总的呼吸。土壤呼吸通过Li-8100测定一定面积的呼吸环内的土壤总呼吸,主要包括土壤根呼吸和微生物呼吸等。物种物候观测区主要记录样方内的优势物种的植物返青、花苞、开花、老花、种子形成、种子脱落、植物枯黄。永久样方调查区主要调查50×70cm2样方内的所有物种的物种丰富度、多度、物种盖度、高度。植物及土壤采样区主要采集优势物种,用于测定植物的生理指标和分子指标,例如叶绿素含量、可溶性糖等。土壤采集表面0-10cm的土壤测定土壤微生物多样性,DNA测定等。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低温控制实验平台,其特征在于,包括:冷冻涡旋压缩机(1)、避震软管(2)、油分离器(3)、风冷换热器(4)、储液器(5)、球阀A(6)、干燥过滤器(7)、膨胀阀(8)、蒸发器(9)、载冷液水箱(10)、水泵(11)、气液分离器(12)、高压表压力控制器(13)、低压表压力控制器(14)、球阀B(15)、油冷却器(16)、载冷液管道(17)、电磁阀(18)和植物生长箱(19);
冷冻涡旋压缩机(1)排出的高温高压制冷剂气体经过避震软管(2)和油分离器(3)进入风冷换热器(4),通过与冷却介质的热交换被冷凝成中温高压液体流入储液器(5),经干燥过滤器(7)的干燥过滤后进入膨胀阀(8),储液器(5)和干燥过滤器(7)之间设有球阀A(6);高压液体经膨胀阀(8)节流降压变成低温低压的气液两相混和物进入蒸发器(9),载冷液水箱连接蒸发器(9),气液两相混和物通过与载冷液的热交换,吸收载冷液的热量后成为低温低压的制冷剂气体被吸入冷冻涡旋压缩机(1)再次压缩,这样不断循环,从而达到对载冷液降温目的;油分离器(3)分流的制冷剂进入油冷却器(16)后再回到冷冻涡旋压缩机(1)中;油分离器(3)与油冷却器(16)之间设有球阀B(15);而降温后的载冷液由水泵(11)和载冷液管道(17)泵送至各个植物生长箱(19)的表冷器内,通过与被冷却介质的热交换,吸收植物生长箱(19)内空气的热量,升温后的载冷液再进入蒸发器(9)被冷却,这样不断循环从而达到对植物生长箱(19)制冷的目的;
所述降温的植物生长箱(19)有6-18个,每一个植物生长箱(19)内设有三个表冷器、三个融霜装置、可拆卸风管(20)、空气温度湿度探头(21)、土壤温度探头(22);植物生长箱(19)内加入土壤层;
表冷器上有风扇,将表冷器内的载冷液所携带的冷能量吹出来;
三个融霜装置内置于表冷器内部,用于将表冷器表面结的霜融化;
可拆卸风管(20)是塑料软管,与表冷器的出风口连接,环绕植物生长箱(19)内部一周,可拆卸风管(20)表面设有(3)排气孔,用于将冷风吹出来;
植物生长箱(19)内设有土壤层,土壤温度探头(22)安置在土壤层中,安置深度为0-10cm,10-20cm,20-30cm,30-50cm。
2.根据权利要求1所述的一种低温控制实验平台,其特征在于:植物生长箱(19)内的土壤层分为四个区域,分别是群落碳通量测定区(23)、物种物候观测区(24)、永久样方调查区(25)、植物及土壤采样区(26);群落碳通量测定区主要测定群落碳通量和土壤呼吸;
物种物候观测区(24)用于记录样方内的优势物种的植物返青、花苞、开花、老花、种子形成、种子脱落、植物枯黄;
永久样方调查区(25)用于调查所有物种的物种丰富度、多度、物种盖度、高度;
植物及土壤采样区(26)用于采集优势物种,用于测定植物的生理指标和分子指标;土壤采集表面0-10cm的土壤测定土壤微生物多样性和DNA测定。
3.根据权利要求2所述的一种低温控制实验平台,其特征在于:每个植物生长箱(19)的载冷液入口处的载冷液管道(17)均设有电磁阀(18)用以打开和关闭水流,当植物生长箱(19)温度接近预设温度时,电磁阀(18)关闭水流,植物生长箱(19)内缓慢接近预设温度。
4.根据权利要求3所述的一种低温控制实验平台,其特征在于:当载冷液温度低于5℃,启动每个植物生长箱内的融霜装置,融霜4分钟,间隔40分钟后再次检测载冷液温度,如果仍然低于5℃,将再次启动融霜装置;该表冷器融霜期间停止输送载冷液,另两个表冷器继续降温,40分钟间隔期间依次给另两个表冷器表面融霜;降温的要求是植物生长箱(19)内的空气温度实时比环境温度低8度,由于野外风及太阳辐射的干扰,允许正负0.2度的误差。
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