CN111044404B - 一种监测根系提水量的装置及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测根系提水量的装置，属于土壤水分测量技术领域，包括配重箱、拉绳、桁架和上桶，在桁架两端设置定滑轮，拉绳依次穿过两端的定滑轮，配重箱和上桶设置在拉绳的两端并使拉绳张紧；在上桶下方设置下桶，在上桶和下桶之间设置弹簧。本发明通过配重箱平衡上桶加底盘的重量，结构简单，操作要求低，降低了测量成本和维护成本，为进一步探索植物根系提水的机理提供有利条件。本发明还公开了其监测方法，利用弹簧形变量单独表征根系提水量的大小，根据光杠杆放大法原理，达到了精确测量提水量的效果。

Description

一种监测根系提水量的装置及其监测方法
技术领域
本发明属于土壤水分测量技术领域，具体涉及一种监测根系提水量的装置及其监测方法。
背景技术
植物根系提水作用是指当蒸腾作用减弱或停止时，植物根系从下层根区土壤中吸收水分，通过主根向上运输，再由上层侧根释放到上层根区较干的土壤中，从而改善表层土壤水分状况，保持这些植物自身的上层根系或周围其他植物根系的水分供给。
植物根系提水作用可以改善土壤水分分布情况，有利于提高植物对土壤水分的利用率，同时由于“肥随水走”，进一步促进了植物对土壤养分的吸收利用。在较干旱或者“上干下湿”的海涂围垦区，了解根系提水作用及提水量的大小，对于进行土壤水分模拟和预测，从而合理制定灌溉方案，保障区域作物优质高效生产，具有很强的实际意义。
由于根系提水后会影响浅层土壤含水率或者土壤水基质势的大小，测量根系提水量即可从这两个方面着手。目前，土壤含水率的测定方法主要有称重法、中子法、γ射线法，土壤水基质势(或吸力)的测定方法主要有负压计法、砂性漏斗法、压力仪法。称重法是最基本的直接测定土壤含水率的方法，但土样受到破坏，步骤较为繁琐。中子法和γ射线法虽然有高精度、快速度等优点，但是需要事先做好率定工作，且在一定程度上会对人体健康造成危害。负压计法和砂性漏斗法均只能测定吸力低于0.8的土壤。压力仪法虽然可以测定具有更高吸力的土壤，但成本高、结构复杂。时域反射法是一种通过测量土壤介电常数来获得土壤含水率的方法，虽然测量方便但装置成本较高。
植物根系提水量往往较少，导致上层根区土壤的含水率变化很小，所以需要一种既可以精确测量，又能做到操作简便、成本低廉的装置。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种监测根系提水量的装置，采用光杠杆放大原理，通过计算弹簧形变量的变化量来推求得到植物根系提水量；装置放大了所测弹簧形变量的变化量，大大提高了测量精度，实现了精确测量、操作简便、成本低廉的目的。本发明还公开了其监测方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种监测根系提水量的装置，包括配重箱、拉绳、桁架和上桶，在所述的桁架两端设置定滑轮，所述的拉绳依次穿过两端的定滑轮，所述的配重箱和上桶设置在拉绳的两端并使拉绳张紧；在所述的上桶下方设置下桶，在所述的上桶和下桶之间设置弹簧。
进一步的，在所述的上桶底部设有底盘，在所述的下桶顶部设有托盘；在所述的托盘的外围固定有弹簧用来支撑底盘。
进一步的，配重箱采用中空结构，在其内部放置不同重量的砝码来调整其重量，上侧中央设有第一挂孔，第一挂孔与第一勾环连接，第一勾环固连在拉绳上；所述的上桶通过吊绳连接在拉绳的端部，所述的吊绳上端设有第三勾环，第三勾环与拉绳另一端的第二勾环勾连；上桶上侧边缘均匀分布四个第二挂孔，第二挂孔与吊绳下端的第四勾环勾连。
进一步的，所述的桁架通过中杆支撑，中杆通过第一底座通过第一铆钉固定在基座上。
进一步的，在所述的基座设置第二底座，第二底座通过第二铆钉固定在基座上，在所述的第二底座上设置标尺，标尺设有刻度，在零刻度处(下方)设有激光发射器。
进一步的，所述的上桶和下桶均为圆柱形，在所述的底盘上均匀分布有通孔和四个限位孔，在所述的托盘上设有四个配合限位孔使用的四个限位杆，限位杆位于弹簧中央，穿过限位孔中心。
进一步的，所述的上桶和下桶的厚度均为6-8mm，上桶外径为30-35cm，下桶外径为40-50cm，所述的底盘直径为35-45cm，所述的通孔直径为10mm，所述的限位孔直径为5mm，所述的托盘为中空的圆环结构，外径与下桶相同，尺寸范围为40-50cm，内径比外径窄10cm，即尺寸范围为30-40cm，限位杆直径为4mm。
进一步的，在所述的托盘一侧连接托架，托架与支杆固连，所述的支杆的顶端与横杆接触来对其进行支撑，底盘边缘设有转轴，转轴连接横杆，横杆与反射镜固连，转轴为铰接结构；其中支杆为伸缩结构。
进一步的，所述的一种监测根系提水量的装置的监测方法，包括如下步骤：
1)在所述的上桶内先铺设1cm厚度的鹅卵石，再填充干土，下桶内同样填充干土，在上桶和下桶内继续均匀加入适量的水以达到试验要求的土壤含水率，在加水的过程中实时增加配重箱里的砝码来平衡上桶的重量，防止造成弹簧大幅度形变以致损坏；
2)在所述的上桶内种植试验作物，在植物的生长过程中根系逐渐向下伸展，穿过底盘上的通孔，扎入下桶的土壤中；初始时刻调整支杆高度，使反射镜处于竖直状态，这样激光发射器的反射光点会处在标尺的零刻度位置；则植物上层根区土壤含水率变化量为：
Figure BDA0002305520990000031
式(I)中：Δm为根系提水量的质量，单位为kg；g为重力加速度，k为弹簧的劲度系数，单位为N/m；Δs1为弹簧的形变量，单位为m，Δs1由下式进行计算：
Figure BDA0002305520990000032
式(II)中：Δs2为激光发射器通过反射镜反射的光点所处的标尺刻度位置，单位为m；L1为转轴中心到反射镜所在平面的距离，单位为m；L2为激光发射器的发射点到反射镜所在平面的距离，单位为m；通过配重箱平衡上桶及内部土壤的重量，把上桶的土壤含水率的变化量转化为弹簧的形变量，并利用光杠杆放大法原理，达到了精确测量提水量的效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过配重箱平衡上桶加底盘的重量，结构简单，操作要求低，降低了测量成本和维护成本，为进一步探索植物根系提水的机理提供有利条件。本发明还公开了其监测方法，利用弹簧形变量单独表征根系提水量的大小，根据光杠杆放大法原理，达到了精确测量提水量的效果。
附图说明
图1是监测根系提水量的装置结构示意图；
图2是配重箱结构示意图；
图3是上桶和弹簧连接处结构示意图；
图4是底盘结构示意图；
图5是托盘结构示意图；
图6是光杠杆结构示意图；
图7是光杠杆放大原理示意图；
图8是第一底座结构示意图；
图9是第二底座结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-9所示，附图标记为：配重箱1、定滑轮2、拉绳3、桁架4、中杆5、第一底座6、吊绳7、上桶8、底盘9、转轴10、横杆11、反射镜12、弹簧13、托盘14、托架15、支杆16、下桶17、标尺18、激光发射器19、第二底座20、基座21。第一挂孔101、第一勾环301、第二勾环302、第一铆钉601、第三勾环701、第四勾环702、第二挂孔801、通孔901、限位孔902、限位杆1401、第二铆钉2001。
一种监测根系提水量的装置，包括配重箱1、定滑轮2、拉绳3、桁架4、中杆5、第一底座6、吊绳7、上桶8、底盘9、转轴10、横杆11、反射镜12、弹簧13、托盘14、托架15、支杆16、下桶17、标尺18、激光发射器19、第二底座20、基座21。配重箱1通过拉绳3与吊绳7与上桶8连接，拉绳3穿过定滑轮2；定滑轮2固定在桁架4上，桁架4通过中杆5支撑，中杆5通过第一底座6固定于基座21上；上桶8底部设有底盘9，下桶17顶部设有托盘14；在托盘14的外围固定有弹簧13用来支撑底盘9，标尺18通过第二底座20固定于基座21上。
配重箱1采用中空结构，在其内部放置不同重量的砝码来调整其重量，上侧中央设有第一挂孔101，第一挂孔101与第一勾环301连接，第一勾环301固连在拉绳3上，拉绳3穿过定滑轮2悬挂于桁架4上，定滑轮与桁架4固连，桁架4与中杆5固连并通过其支撑，中杆5与第一底座6固连，第一底座6通过第一铆钉601固定在基座21上。
吊绳7上端设有第三勾环701，第三勾环701与拉绳3另一端的第二勾环302勾连。
上桶8上侧边缘均匀分布四个第二挂孔801，第二挂孔801与吊绳7下端的第四勾环702勾连。
上桶8和下桶17均为圆柱形，上桶8与底盘9固连，下桶17与托盘14固连，所述弹簧13上端与底盘9固连，下端与托盘14固连；底盘9上均匀分布有通孔901，靠近边缘处均匀分布四个限位孔902，底盘9边缘设有转轴10，转轴10连接横杆11，横杆11与反射镜12固连，转轴10为铰接结构。
托盘14接近边缘处设有均匀分布的四个限位杆1401，限位杆1401位于弹簧13中央，穿过限位孔902中心，且顶端略高于底盘9上表面，托盘14为中空的圆环结构，托盘14边缘设有托架15，托架15与托盘14固连，支杆16与托架14固连，顶端与横杆11接触来对其进行支撑，支杆16采用可伸缩的结构。
上桶8和下桶17的厚度均为6-8mm，上桶8外径为30-35cm，下桶17外径为40-50cm，底盘9直径为35-45cm，通孔901直径为10mm，限位孔902直径为5mm，托盘14为中空的圆环结构，外径与下桶17相同，尺寸范围为40-50cm，内径比外径窄10cm，即尺寸范围为30-40cm，限位杆1401直径为4mm。
标尺18与第二底座20固连，第二底座20通过第二铆钉2001固定在基座21上，标尺18设有刻度，在零刻度处(下方)设有激光发射器19。
工作过程：本发明一种监测根系提水量的装置适用于避雨环境下，在上桶8内先铺设10mm左右厚度的鹅卵石，再填充干土，下桶17内同样填充干土，在上桶8和下桶17内继续均匀加入适量的水以达到试验要求的土壤含水率，在加水的过程中实时增加配重箱1里的砝码来平衡上桶8的重量，防止造成弹簧13大幅度形变以致损坏；在上桶8内种植试验作物，在植物的生长过程中根系逐渐向下伸展，穿过底盘9上的通孔901，扎入下桶17的土壤中；初始时刻调整支杆16高度，使反射镜12处于竖直状态，这样激光发射器19的反射光点会处在标尺18的零刻度位置。则植物上层根区土壤含水率变化量为：
Figure BDA0002305520990000051
式(I)中：Δm为根系提水量的质量，单位为kg；g为重力加速度，k为弹簧13的劲度系数，单位为N/m；Δs1为弹簧13的形变量，单位为m，Δs1由下式进行计算：
Figure BDA0002305520990000061
式(II)中：Δs2为激光发射器19通过反射镜12反射的光点所处的标尺18刻度位置，单位为m；L1为转轴10中心到反射镜12所在平面的距离，单位为m；L2为激光发射器19的发射点到反射镜12所在平面的距离，单位为m。
通过配重箱1平衡上桶8及内部土壤的重量，把上桶8的土壤含水率的变化量转化为弹簧13的形变量，并利用光杠杆放大法原理，达到了精确测量提水量的效果。
本发明结构简单，操作要求低，降低了测量成本和维护成本，为进一步探索植物根系提水的机理提供有利条件。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种监测根系提水量的装置，其特征在于：包括配重箱(1)、拉绳(3)、桁架(4)和上桶(8)，在所述的桁架(4)两端设置定滑轮(2)，所述的拉绳(3)依次穿过两端的定滑轮(2)，所述的配重箱(1)和上桶(8)设置在拉绳(3)的两端并使拉绳(3)张紧；在所述的上桶(8)下方设置下桶(17)，在所述的上桶(8)和下桶(17)之间设置弹簧(13)；所述的桁架(4)通过中杆(5)支撑，中杆(5)通过第一底座(6)固定在基座(21)上；在所述的基座(21)设置第二底座(20)，第二底座(20)通过第二铆钉(2001)固定在基座(21)上，在所述的第二底座(20)上设置标尺(18)，标尺(18)设有刻度，在零刻度处设有激光发射器(19)；在所述的上桶(8)底部设有底盘(9)，在所述的下桶(17)顶部设有托盘(14)；在所述的托盘(14)的外围固定有弹簧(13)用来支撑底盘(9)；在所述的托盘(14)一侧连接托架(15)，托架(15)与支杆(16)固连，所述的支杆(16)的顶端与横杆(11)接触来对其进行支撑，底盘(9)边缘设有转轴(10)，转轴(10)连接横杆(11)，横杆(11)与反射镜(12)固连，转轴(10)为铰接结构；其中支杆(16)为伸缩结构。
2.根据权利要求1所述的一种监测根系提水量的装置，其特征在于：配重箱(1)采用中空结构，在其内部放置不同重量的砝码来调整其重量，上侧中央设有第一挂孔(101)，第一挂孔(101)与第一勾环(301)连接，第一勾环(301)固连在拉绳(3)上；所述的上桶(8)通过吊绳(7)连接在拉绳(3)的端部，所述的吊绳(7)上端设有第三勾环(701)，第三勾环(701)与拉绳(3)另一端的第二勾环(302)勾连；上桶(8)上侧边缘均匀分布四个第二挂孔(801)，第二挂孔(801)与吊绳(7)下端的第四勾环(702)勾连。
3.根据权利要求2所述的一种监测根系提水量的装置，其特征在于：所述的上桶(8)和下桶(17)均为圆柱形，在所述的底盘(9)上均匀分布有通孔(901)和四个限位孔(902)，在所述的托盘(14)上设有四个配合限位孔(902)使用的四个限位杆(1401)，限位杆(1401)位于弹簧(13)中央，穿过限位孔(902)中心。
4.根据权利要求3所述的一种监测根系提水量的装置，其特征在于：所述的上桶(8)和下桶(17)的厚度均为6-8mm，上桶(8)外径为30-35cm，下桶(17)外径为40-50cm，所述的底盘(9)直径为35-45cm，所述的通孔(901)直径为10mm，所述的限位孔(902)直径为5mm，所述的托盘(14)为中空的圆环结构，外径与下桶(17)相同，尺寸范围为40-50cm，内径比外径窄10cm，即尺寸范围为30-40cm，限位杆(1401)直径为4mm。
5.采用权利要求1-4中任意一项所述的一种监测根系提水量的装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在所述的上桶(8)内先铺设鹅卵石，再填充干土，下桶(17)内同样填充干土，在上桶(8)和下桶(17)内继续均匀加入适量的水以达到试验要求的土壤含水率，在加水的过程中实时增加配重箱(1)里的砝码来平衡上桶(8)的重量，防止造成弹簧(13)大幅度形变以致损坏；
2)在所述的上桶(8)内种植试验作物，在植物的生长过程中根系逐渐向下伸展，穿过底盘(9)上的通孔(901)，扎入下桶(17)的土壤中；初始时刻调整支杆(16)高度，使反射镜(12)处于竖直状态，这样激光发射器(19)的反射光点会处在标尺(18)的零刻度位置；则植物上层根区土壤含水率变化量为：
Figure FDA0002983591950000021
式(I)中：Δm为根系提水量的质量，单位为kg；g为重力加速度，k为弹簧(13)的劲度系数，单位为N/m；Δs1为弹簧(13)的形变量，单位为m，Δs1由下式进行计算：
Figure FDA0002983591950000022
式(II)中：Δs2为激光发射器(19)通过反射镜(12)反射的光点所处的标尺18刻度位置，单位为m；L1为转轴(10)中心到反射镜(12)所在平面的距离，单位为m；L2为激光发射器(19)的发射点到反射镜(12)所在平面的距离，单位为m；通过配重箱(1)平衡上桶(8)及内部土壤的重量，把上桶(8)的土壤含水率的变化量转化为弹簧(13)的形变量，并利用光杠杆放大法原理测量提水量。
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