CN111551589A - 基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置及测定方法，属于苗木根系质量评价技术领域。本发明所述装置包括：由软件测试系统和阻抗仪组成的阻抗仪测试系统、通过导线与阻抗仪分别连接的板状电极和针状电极；所述板状电极上安装测定杯；所述板状电极为含向上测试探头的铜质板状电极；所述板状电极用Ag/AgCl涂层包裹；所述针状电极为钢质针状电极；所述针状电极用Ag/AgCl涂层包裹。本发明所述装置测定快速，具有非破坏、无毒、操作简单等特点。
Description
技术领域
本发明涉及苗木根系质量评价技术领域，具体涉及基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置及测定方法。
背景技术
在我国北方影响苗木成活质量的主要原因是冬季的低温，尤其是在苗木没有覆雪保护的情况下。苗木根系受到伤害会降低苗木质量，进而影响次年栽培成活率。但由于根系被土壤包裹，不容易被观察和准确评价其种植时生理状态。
目前生产上主要评价根系生理状态的方式是，将根系一部分切割下来进行生长活力测定、或将整个苗木种植于适宜条件的人工气候室内培养一段时间以观测其根系生长情况，但这些方法受仪器设备、环境条件影响较大，并且具有一定的破坏性或滞后性，不能准确、及时的反映苗木根系真实状态，进而指导生产。
发明内容
本发明的目的在于提供基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置及测定方法。本发明所述装置测定快速，具有非破坏、无毒、操作简单等特点。
本发明提供了基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置，所述装置包括：由软件测试系统和阻抗仪组成的阻抗仪测试系统、通过导线与阻抗仪分别连接的板状电极和针状电极；所述板状电极上安装测定杯；
所述板状电极为含向上测试探头的铜质板状电极；所述板状电极用Ag/AgCl涂层包裹；
所述针状电极为钢质针状电极；所述针状电极用Ag/AgCl涂层包裹。
优选的是，所述阻抗仪测试系统包括阻抗分析仪和软件测试系统；所述软件测试系统通过电脑和阻抗分析仪连接。
优选的是，所述板状电极包括圆形板状电极；所述板状电极，分别设置5～8个向上测试探头。
优选的是，所述板状电极和向上测试探头的厚度独立的为0.1～0.3cm；所述圆形板状电极的直径为6～25cm；所述向上测试探头的高度为1～3cm；所述向上测试探头距圆中心的距离为半径的1/2～3/4。
优选的是，所述板状电极置于测定杯内，测定杯侧壁设置出口用于导线与板状电极连接。
优选的是，所述针状电极的长度为2.5～7.5cm，直径为0.15～0.55mm。
本发明还提供了基于上述技术方案所述装置测定植物根系质量的方法，包括以下步骤：
1)将待测试植物连土团放于测试杯内，向下压，使土团底部与板状电极接触，且向上测试探头插入土团；
2)将针状电极扎入待测试植物根颈内；
3)打开阻抗仪测试系统，构成电路：待测试植物根颈-针状电极-导线-阻抗仪-导线-板状电极-待测试植物材料的土团；所述阻抗仪和软件测试系统连接；
4)设定阻抗仪的电压为100mv，在80～10M Hz频率下测定42个频点的电阻抗δ值；
5)选用与峰值相对应的频点处的电阻抗δ值作为待测植物的电阻抗δ值；
6)得到待测植物的电阻抗δ值后，将待测植物的电阻抗δ值与对照植物电阻抗δ值进行邓肯显著性方差分析，分析结果越显著，代表植物根系质量越差。
优选的是，步骤2)所述针状电极扎入待测试植物距离土面上方0.5cm处的根颈内，扎入深度为茎直径的1/4～1/2。
优选的是，步骤5)所述与峰值相对应的频点为8000Hz～20000Hz。
优选的是，步骤6)所述对照植物指正常生长环境下根系健康生长的与待测植物生长时间相同的同种植物。
本发明提供了基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置。本发明所述装置将植物根系视为一个整体，通过电极和导线在植物根颈和土壤基部连接构成一个电路，通过电阻抗设备，在特定的电流频率下捕捉根系内部微小的电信号变化，进而反映植物根系生理状态，属于基于电阻抗的测定苗木根系质量的无损方法。本发明所述装置测定快速，具有非破坏、无毒、操作简单等特点。试验结果表明，本发明装置测定方便，结果准确，利用本发明装置得到的根系电阻抗δ值与对照苗木根系电阻抗δ值进行对比分析，通过差异的显著性判断苗木根系是否受到伤害，从而避免了由于根系在土壤中不容易被观察和测定的缺点，同时也克服了传统方法需要较长时间培养、具有严重滞后性的弊端，可以快速、准确的指导苗木种植生产。
附图说明
图1为本发明提供的基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置；
图2为本发明提供的板状电极；
图3为本发明提供的针状电极；
图4为本发明提供的板状电极使用示意图；
图5为本发明提供的针状电极、板状电极和阻抗仪连接示意图；
图6为本发明提供的针状电极操作示意图；
图7为本发明提供的测试电路实物图；
图8为本发明提供的不同温度处理下测定的δ值变化规律；
图9为本发明提供的自然状态下11月不同温度处理后苗子受伤害状况；
图10为本发明提供的冷贮状态下3月不同温度处理后苗子受伤害状况；
图11为本发明提供的不同温度处理后在温室下养护苗木新枝生长量；
图12为本发明提供的11月和3月电阻抗图谱的峰值情况，进而判断出峰值对应的相应频点范围。
具体实施方式
本发明提供了基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置，所述装置包括：由软件测试系统和阻抗仪组成的阻抗仪测试系统、通过导线与阻抗仪分别连接的板状电极和针状电极；所述板状电极上安装测定杯；
所述板状电极为含向上测试探头的铜质板状电极；所述板状电极用Ag/AgCl涂层包裹；
所述针状电极为钢质针状电极；所述针状电极用Ag/AgCl涂层包裹。
本发明所述基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置如图1所示，其中，左边为连接板状电极的测定杯，针状电极用于与植物根颈连接，中间为阻抗仪，右边为阻抗仪测试系统。
本发明对所述阻抗仪测试系统的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的常规市售阻抗仪测试系统即可。在本发明中，所述阻抗仪测试系统包括阻抗分析仪和软件测试系统；所述软件测试系统通过电脑和阻抗分析仪连接。在本发明中，所述阻抗分析仪优选为芬兰公司(http://www.simitec.fi)生产的EIS-100阻抗分析仪。
本发明对所述板状电极的形状没有特殊限定(具体如图2所示，其中，A为实物图，B为结构图，C为将板状电极固定于板子上的示意图)，在本发明中，所述板状电极优选包括圆形板状电极，以保证电流能覆盖整个土团中的根团；所述板状电极优选在5～8个平均方位，分别设置向上测试探头，即所述向上测试探头优选平均分布。在本发明中，所述板状电极和向上测试探头的厚度优选独立的为0.1～0.3cm，以保证电流大小适宜检测；所述圆形板状电极的直径优选为6～25cm；所述向上测试探头的高度优选为1～3cm，高度的设置需保证向上测试探头位于植物根系底部；所述向上测试探头距圆中心的距离优选为半径的1/2～3/4。在本发明中，所述板状电极优选置于测定杯内，测定杯侧壁优选设置出口用于导线与板状电极连接，更优选的，所述板状电极边缘优选连接铜条，用于伸出测定杯，便于与导线连接；所述连接优选包括焊接。在本发明中，所述测定杯与板状电极安装好后，优选固定在板子上，本发明对所述板子的材质没有特殊限定，采用能够起到固定作用的板子均可。在本发明中，板状电极用Ag/AgCl涂层包裹能够防止测定过程中的极化效应。
在本发明中，所述测定杯的材质优选包括硬质塑料。本发明对所述测定杯的大小和形状没有特殊限定，设置为普通标准营养杯苗木的尺寸即可，如6.5cm×6.5cm～12cm×14cm。用于固定和保护测试材料。在本发明具体实施例中，所述测定杯的尺寸优选为6.5cm×6.5cm。
在本发明中，所述针状电极的长度优选为2.5～7.5cm，直径优选为0.15～0.55mm。如图3所示(A为实物图，B为结构图)。在本发明中，针状电极用Ag/AgCl涂层包裹能够防止测定过程中的极化效应。本发明所述针状电极钢质材料以及具体尺寸的设定，能够从植物学和电学角度，既满足导电性不受影响，又将装置对植物的伤害降到最低。
在本发明中，所述导线的材质优选为铜，保证电流大小适宜测定。
本发明还提供了基于上述技术方案所述装置测定植物根系质量的方法，包括以下步骤：
1)将待测试植物连土团放于测试杯内，向下压，使土团底部与板状电极接触，且向上测试探头插入土团；
2)将针状电极扎入待测试植物根颈内；
3)打开阻抗仪测试系统，构成电路：待测试植物根颈-针状电极-导线-阻抗仪-导线-板状电极-待测试植物材料的土团；所述阻抗仪和软件测试系统连接；
4)设定阻抗仪的电压为100mv，在80～10M Hz频率下测定42个频点的电阻抗δ值；
5)选用与峰值相对应的频点处的电阻抗δ值作为待测植物的电阻抗δ值；
6)得到待测植物的电阻抗δ值后，将待测植物的电阻抗δ值与对照植物电阻抗δ值进行邓肯显著性方差分析，分析结果越显著，代表植物根系质量越差。
1)将待测试植物连土团放于测试杯内，向下压，使土团底部与板状电极接触，且向上测试探头插入土团。如图4所示(A为实物图，B为结构图)。在此之前，本发明优选还包括对所述装置进行组装的操作，即用导线分别将板状电极和针状电极与阻抗仪连接，如图5所示(A为实物图，B为结构图)。
本发明将针状电极扎入待测试植物根颈内，如图6所示(A为实物图，B为结构图)。在本发明中，所述针状电极优选扎入待测试植物距离土面上方0.5cm处的根颈内，扎入深度优选为茎直径的1/4～1/2。本发明实际操作时更优选扎入深度设置为茎直径的一半，主要作用是扎入的足够深才能和板状电极构成一个电路，使电极接口“不虚接”。
本发明打开阻抗仪测试系统，构成电路(如图7所示)：待测试植物根颈-针状电极-导线-阻抗仪-导线-板状电极-待测试植物材料的土团；所述阻抗仪和软件测试系统连接。
本发明设定阻抗仪的电压为100mv，在80～10M Hz频率下测定42个频点的电阻抗δ值。在本发明中，所述42个频点优选指的是80Hz、100Hz、120Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、800Hz、1000Hz、1200Hz、1500Hz、2000Hz、2500Hz、3000Hz、4000Hz、5000Hz、6000Hz、8000Hz、10000Hz、12000Hz、15000Hz、20000Hz、25000Hz、30000Hz、40000Hz、50000Hz、60000Hz、80000Hz、100000Hz、120000Hz、150000Hz、200000Hz、300000Hz、400000Hz、500000Hz、600000Hz、700000Hz、800000Hz、1000000Hz。
本发明选用与峰值相对应的频点处的电阻抗δ值作为待测植物的电阻抗δ值；在本发明中，所述与峰值相对应的频点优选为8000Hz～20000Hz。
本发明得到待测植物的电阻抗δ值后，将待测植物的电阻抗δ值与对照植物电阻抗δ值进行邓肯显著性方差分析，分析结果越显著，代表植物根系质量越差。在本发明中，所述对照植物指正常生长环境下根系健康生长的与待测植物生长时间相同的同种植物。在本发明中，所述待测植物包括正常生长中的植物，或待移栽的非种植状态的植物。当所述待测植物与对照植物差异不显著，代表根系质量良好；当所述待测植物与对照植物差异显著时，代表根系受到损害；当待测植物与对照植物差异极显著时，代表根系严重受到损害。具体的，当所述待测植物为带移栽树苗时，对照植物选取与带移栽树苗同一批种植的正常生长状态下的树苗，通过将待测树苗的电阻抗值与对照树苗分析，可以成功检测到根系受到损伤的带移栽树苗，提前对树苗进行筛选，减少后期经济损失。当苗木根系在受到伤害(如低温、高温、水涝、干旱、运输环境、病虫害等)时，初期在外观上是没有任何表现的，而当外观能够表现出来时，植物已经种植了，已经晚了，还需要重新移栽种植，大大增加劳动成本，且影响整体移栽效果。在待测植物外观不能表现出来时，其实有些苗木内部已经发生了变化，而利用本发明所述方法能够捕捉到苗木内部细微的变化，利用此变化，本发明能够将根系质量差的植物提前筛选出来。
本发明系统和方法在前期验证过程中，设定低温作为对待测植物损害的外在因素。本发明所述低温指+3℃～-45℃，在上述温度范围的不同温度下，分别测定与峰值相对应的频点处的电阻抗δ值，并将得到的不同低温处理下电阻抗δ值与对照(11月测定时选取+3℃生长的植物作为对照，3月进行测定时，选取-3℃下生长的植物作为对照)电阻抗δ值进行邓肯显著性方差分析，分析不同低温处理下电阻抗δ值与对照电阻抗δ值的显著性(P<0.05)。某个低温处理的电阻抗δ值与对照差异显著，则表明此低温处理条件对苗木根系造成了伤害，显著程度越高，代表受伤害程度越深。
在所述验证过程中，本发明优选通过观察不同的环境温度下待测植物的外观受伤害程度和新枝生长量，来验证本发明装置和方法的有效性。在本发明中，所述外观受伤害程度在本发明具体实施例中，优选指欧洲赤松的针叶褐变率。经验证表明，本发明所述装置和方法能够高效准确地通过测定根系电阻抗δ值来反映苗木根系质量。
下面结合具体实施例对本发明所述的基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置及测定方法做进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
首先通过电阻抗图谱确定峰值，进而通过峰值对应的电阻值和容抗值，找到所对应的测定频点，最终使用相应频率范围内对应的电阻抗δ值，11月和3月根系电阻抗图谱如图12所示，通过图谱确定峰值，进而通过峰值确定对应的电阻值和容抗值，找到所对应的测定频点，其范围在8000Hz～20000Hz，使用这个频率范围内的对应的电阻抗δ值。本发明下述实验中，选定12000Hz进行电阻抗δ值的测量。
试验材料为一年生欧洲赤松容器苗，苗高25cm左右，直径0.5cm左右。将11月自然状态下和3月贮藏于冷库(-3℃)的欧洲赤松苗木，置于不同的低温条件下进行处理(表1)，处理时首先在+5℃维持1小时，然后以2℃/h的速度降温，在-3℃维持5小时，以保证土壤温度和气温一致，然后继续向目标处理温度降温，在每个设定稳定停留4小时，然后以5℃/h的速度升温，升到+5℃时维持5小时后取出，然后放于+5℃左右人工气候室缓冻4天，再在室温下缓冻1天，最终再进行电阻抗测定和人工气候室培养。
将经过上述低温处理的苗子放于人工气候室养护(光照/黑暗18h/6h(即一天中光照18h，黑暗6h)，温度20℃，空气湿度80％)，三周后观测人工气候室内苗木外观受伤害程度(针叶褐变率)以及新枝生长量，其结果与根系电阻抗δ值数据结果进行相关分析，进而验证该装置测定的根系电阻抗δ值可以反映苗木根系质量。
电阻抗数据采用Cole-Cole模型和确定的等效电路进行数据拟合，具体方法可参照现有技术中Schwan等报道的《Dielectric spectroscopy and electro-rotationofbiological cells》(Schwan H P.Dielectric spectroscopy and electro-rotationofbiological cells.Ferroelectrics,1988,86,205-223.)
表1不同低温处理温度
由图8可知，自然状态下11月份低温处理后-18℃和-30℃和-45℃处理根系δ值经邓肯方差分析，显著高于对照和-3℃、-6℃和-12℃处理(P<0.05)，且分别比对照提高了9.15％、16.11％和14.95％，而对照和-3℃、-6℃和-12℃处理之间差异不显著。对照和-3℃、-6℃和-12℃处理苗木针叶均未发现褐变，未表现出伤害症状。而-18℃、-30℃和-45℃处理苗木针叶褐变率分别达到38％、91％和100％，表现出明显受伤害症状。同时经过3周培养发现-18℃和-30℃和-45℃处理新枝生长量显著低于对照和其他3个处理(P<0.05)(图9和图11)。相关分析表明，根系δ值与地上部针叶褐变率和新枝生长量相关性极高，相关系数分别达到r＝0.947和r＝0.973。
由图8可知，冷贮状态下3月份低温处理后-45℃处理根系δ值经邓肯方差分析，显著高于对照和其他4个温度处理(P<0.05)，比对照显著提高了3.93％(P<0.05)。-45℃处理苗木针叶褐变率达到82％，表现出明显伤害症状，而对照和其他4个温度处理苗木褐变率均为0，未表现出明显伤害症状。同时经过3周培养发现只有-45℃处理新枝生长量显著低于对照和其他5个处理(P<0.05)，而对照和其他4个处理之间差异不显著(图10和图11)。相关性分析表明，根系电阻抗δ值与针叶褐变率和新枝生长量相关性极高，相关系数分别达到r＝0.962和r＝0.981。
根系电阻抗δ值与地上部受伤害程度(褐变率)以及新枝生长量显著性相关(P<0.05)，同时地上部受伤害程度和新梢生长量之间也显著性相关(P<0.05)。地上部表现受到明显伤害时，苗木新枝生长量低，同时受到伤害的苗木根系电阻抗δ值与对照的电阻抗δ值差异显著(P<0.05)。综合表现为，当苗木根系受到伤害时，在地上部表现为较高的针叶褐变率和较低的新枝生长量，同时根系电阻抗δ值与对照相比，出现显著差异(P<0.05)。因此，通过本发明装置得到的根系电阻抗δ值与对照苗木根系电阻抗δ值进行对比分析，通过差异的显著性判断苗木根系是否受到伤害，从而避免了由于根系在土壤中不容易被观察和测定的缺点，同时也克服了传统方法需要较长时间培养、具有严重滞后性的弊端，可以快速、准确的指导苗木种植生产。
本发明实施例中进行的不同低温处理，是人为设置的对植株造成伤害的因素，观察造成伤害后苗木δ值的变化是否与对照有显著差异，实现对装置的测定效果的验证。由于对照是没有受到伤害的，而不同低温处理尤其是很低的温度是会造成苗木伤害的，本发明最后通过观测处理与对照之间是否有显著差异进行根系质量是否受到伤害的判断。
当正式对未知根系状态的植物进行测定时，本发明只要把当前准备种植时苗木的电阻抗δ值和对照(需保证根系未受损)进行对比，如果两者显著，就是受到了伤害，如果不显著就是没有受到伤害，就为好苗。
本发明测定一个苗木根系的电阻抗δ值仅为几分钟，而且基本不伤苗子，既快速、又无损。
以上所述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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于电阻抗的测定苗木根系质量的装置，其特征在于，所述装置包括：由软件测试系统和阻抗仪组成的阻抗仪测试系统、通过导线与阻抗仪分别连接的板状电极和针状电极；所述板状电极上安装测定杯；
所述板状电极为含向上测试探头的铜质板状电极；所述板状电极用Ag/AgCl涂层包裹；
所述针状电极为钢质针状电极；所述针状电极用Ag/AgCl涂层包裹。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻抗仪测试系统包括阻抗分析仪和软件测试系统；所述软件测试系统通过电脑和阻抗分析仪连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述板状电极包括圆形板状电极；所述板状电极，分别设置5～8个向上测试探头。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述板状电极和向上测试探头的厚度独立的为0.1～0.3cm；所述圆形板状电极的直径为6～25cm；所述向上测试探头的高度为1～3cm；所述向上测试探头距圆中心的距离为半径的1/2～3/4。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述板状电极置于测定杯内，测定杯侧壁设置出口用于导线与板状电极连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述针状电极的长度为2.5～7.5cm，直径为0.15～0.55mm。
7.基于权利要求1～6任一项所述装置测定植物根系质量的方法，包括以下步骤：
1)将待测试植物连土团放于测试杯内，向下压，使土团底部与板状电极接触，且向上测试探头插入土团；
2)将针状电极扎入待测试植物根颈内；
3)打开阻抗仪测试系统，构成电路：待测试植物根颈-针状电极-导线-阻抗仪-导线-板状电极-待测试植物材料的土团；所述阻抗仪和软件测试系统连接；
4)设定阻抗仪的电压为100mv，在80～10M Hz频率下测定42个频点的电阻抗δ值；
5)选用与峰值相对应的频点处的电阻抗δ值作为待测植物的电阻抗δ值；
6)得到待测植物的电阻抗δ值后，将待测植物的电阻抗δ值与对照植物电阻抗δ值进行邓肯显著性方差分析，分析结果越显著，代表植物根系质量越差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2)所述针状电极扎入待测试植物距离土面上方0.5cm处的根颈内，扎入深度为茎直径的1/4～1/2。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5)所述与峰值相对应的频点为8000Hz～20000Hz。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤6)所述对照植物指正常生长环境下根系健康生长的与待测植物生长时间相同的同种植物。
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