CN112683935B - 适用于ct扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法，培养组件内用于放置土样和植物，水位测量组件能够与培养组件连通，并用于实现水在水位测量组件与培养组件之间的流通，土样无法通过，培养组件上设有多个位于不同高度的检测口，检测口能够连通培养组件内腔与外界，负压调节组件能够连通不同的检测口，并用于对各检测口处土样提供并调节负压，检测口处安装有水分检测元件，水分检测元件位于检测口与负压调节组件之间，并用于检测是否有水通过，射线扫描系统用于对培养组件内植物根系扫描成像。该适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置直接扫描成像，避免破坏植物根系或土壤结构，保证试验结果的准确性，提高试验效率。

Description

适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法

技术领域

本发明涉及非饱和土研究技术领域，具体是涉及一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法。

背景技术

近年来植被护坡技术在处理浅层滑坡问题上得到广泛应用，植物根系对边坡表层岩土体有加固机制和加固效果，同时植物根系通过蒸腾作用将土壤中的水分释放到大气中，从而降低非饱和带内孔隙水压力以提高土体稳定性。土壤水入渗根部的机理十分重要，表征植物根系对非饱和土三相组成的影响。

根是植物从土壤中吸收水分和养分所必需的重要器官。为有效吸收水分和养分，植物会形成具有不同形状和功能的根，如主根、侧根以及根毛。根部在生长过程中影响的土体微区域称为根际，研究植物根系对周围土壤水分产生的影响以及对根际的结构研究具有重要意义。

目前我们无法机械地预测植物根系形状和分布在吸收土壤水分中的作用，传统技术手段例如钻孔法、取样法和电阻率法等均需要较长的处理时间，难以控制人为误差，且这些物理方法具有破坏性，难以对植物根系吸水对土壤的作用过程进行持续追踪。对试验样品进行非破坏性表型分析和微观结构研究，需要对现有的试验装置及方法进行创新。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法，用于分析植物生长过程中，植物根系对土壤吸水能力的影响，以解决上述现有技术存在的问题，避免在试验过程中破坏植物根系或土壤结构，保证试验结果的准确性，提高试验效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，包括射线扫描系统和测量培养系统，所述测量培养系统包括水位测量组件、负压调节组件和培养组件，所述培养组件内用于放置土样，所述水位测量组件能够与所述培养组件连通，并用于实现水在所述水位测量组件与所述培养组件之间的流通以调节所述培养组件内土样的饱和度，还包括滤土组件，所述滤土组件用于防止所述培养组件内土样进入所述水位测量组件，所述培养组件上设有多个检测口，各所述检测口分别位于所述培养组件上不同高度，且所述检测口能够连通所述培养组件内腔与外界，所述负压调节组件能够连通不同的所述检测口，并用于对各所述检测口处土样提供并调节负压，所述检测口处安装有水分检测元件，所述水分检测元件位于所述检测口与所述负压调节组件之间，并用于检测是否有水通过，所述射线扫描系统用于对所述所述培养组件内植物根系扫描成像。

优选地，所述培养组件包括培养箱、滤土组件和储水室，所述培养箱内用于放置土样和植物，所述培养箱材质透明且上端开口，下端封闭且设有多个透水孔，所述培养箱可拆卸安装在所述储水室上端，且所述滤土组件位于所述培养箱和所述储水室之间，所述滤土组件可拆卸安装在所述培养箱下端，并用于防止所述培养箱内土样进入所述储水室，所述水位测量组件与所述储水室通过导管连通，所述储水室上还设有出水口，所述出水口用于所述储水室内水的排出，各所述检测口均开设于所述培养箱侧壁。

优选地，所述培养组件还包括支撑箱和储水槽，所述支撑箱固定于所述储水室下端，且所述支撑箱上端设有穿入孔，所述支撑箱侧壁设有穿出孔，所述出水口位于所述储水室底面，所述出水口与一出水管的一端连接并连通，所述出水管的另一端通过所述穿入孔穿入所述支撑箱，通过所述穿出孔穿出所述支撑箱，并与所述储水槽连通，所述出水管上设有第一开关阀，所述第一开关阀用于控制所述出水管内水流的通断。

优选地，所述滤土组件包括依次叠放并固定连接的透水滤纸、第一硬质筛网、第一滤棉和第二硬质筛网，所述透水滤纸靠近所述培养箱设置。

优选地，所述负压调节组件包括真空泵、真空压力表和通气管，所述通气管的一端能够分别连接并连通各所述检测口，所述通气管的另一端与所述真空泵连通，所述真空压力表安装于所述通气管上，并用于检测所述真空泵施加的压力。

优选地，所述水位测量组件包括升降元件和量水管，所述量水管的上端通过一安装元件固定在所述升降元件上端，所述导管的一端固定在所述量水管下端，另一端可拆卸连接在所述储水室的侧壁，且所述导管能够连通所述量水管和所述储水室，所述导管上安装有第二开关阀，所述第二开关阀用于控制所述导管内水流的通断，所述升降元件能够带动所述量水管升降，并使所述量水管与所述导管内水往复流动。

优选地，所述水分检测元件包括滤土管、第二滤棉和水分检测纸条，所述滤土管的一端固定在所述检测口处，所述滤土管的另一端向远离所述检测口的方向延伸，所述第二滤棉和所述水分检测纸条均安装于所述滤土管内，且所述第二滤棉靠近所述检测口，所述第二滤棉用于防止所述培养组件内土样经所述滤土管掉落，所述水分检测纸条用于检测是否有水通过。

优选地，还包括支撑垫座，所述支撑垫座的上端面固定一水准泡，所述水准泡用于观察所述支撑垫座的水平度，所述支撑垫座下端安装有多个连接元件，一个所述连接元件对应安装一万向轮，且所述连接元件能够调节所述支撑垫座的水平度，所述水位测量组件和所述培养组件均安装在所述支撑垫座的上端面。

本发明提供了一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验方法，使用上述技术方案中任一项所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，包括：

S1：向所述培养组件内加入土样；

S2：模拟田间持水量：将所述培养组件放入水盘上使土样缓慢吸水，再自由排水，对所述培养组件称重并记录；

S3：将预发芽好的植物种子种植在所述培养组件的土样内；

S4：每经过单位生长周期后对所述培养组件称重，并进行土-水特征分析，土-水特征分析包括以下步骤：

S41：扫描：通过所述射线扫描系统对所述培养组件进行扫描，得到所述培养组件内土样和植物根部图像，通过图像对所述培养组件内植物根系进行物理建模，结合软件图像阈值分割结果对所述培养组件内土样的孔隙度、颗粒大小、体积、含水率进行分析；

S42：获得土样的土-水特性曲线：

包括

S421：通过所述水位测量组件调节所述培养组件内土样的土样饱和度至Ci，

S422：使所述水位测量组件与所述培养组件不连通，并使所述负压调节组件依次与各所述检测口连通，通过所述负压调节组件依次向各所述检测口的土样提供缓慢增大的负压，当各所述检测口对应的所述水分检测元件显示有水通过停止加压，记录所述负压调节组件施加的各个压力值，得到该土样饱和度Ci下各所述检测口的土样的基质吸力；

S423：重复S421-S422，获得各所述检测口处的土样在各不同土样饱和度下的基质吸力，得出土样的土-水特性曲线。

优选地，所述培养组件设置有三组，分别为A组、B组和C组，

A组：进行S1-S4步骤；

B组：进行S1-S4步骤，并在S41步骤中，在所述射线扫描系统与所述培养组件之间设置金属过滤器；

C组：进行S1、S2和S42步骤。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，水位测量组件能够与培养组件连通，并用于实现水在水位测量组件与培养组件之间的流通以调节培养组件内土样的饱和度，从而对不同饱和度下的土样进行基质吸力测量，滤土组件用于防止培养组件内土样进入水位测量组件，避免土样流失，影响试验结果的准确性，培养组件上设有多个位于不同高度的检测口，负压调节组件能够连通不同的检测口，并用于对各检测口处土样提供并调节负压，以通过负压与基质吸力进行比对，检测口处安装有水分检测元件，逐渐增大负压至水分检测元件检测到刚好有水通过，表明此时施加的负压值即为基质吸力，测量结果更加直观准确，且操作简单、快捷，提高试验效率，射线扫描系统用于对培养组件内植物根系扫描成像，利用扫描得到土样孔隙率、含水率随根系分布的变化规律，无需破坏土样及植物根系，且成像迅速，具有更高的准确性和微观性，提高试验效率。

本发明提供的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验方法，使水样完全饱和后，逐渐使培养组件内的水回流进水位测量组件内，记录回流后的水体体积，结合射线扫描结果得到的土样孔隙度，从而得到土样在不同状态下的饱和度；通过负压调节组件向培养组件内提供缓慢增大的负压，当对应的水分检测元件显示有水通过停止加压，记录负压调节组件施加的压力值并关闭负压调节组件，使负压调节组件与不同检测口分别连通并施加负压，各压力值即各截面的基质吸力；不断调节水位测量组件的高度来控制培养组件的土样饱和度，再通过负压调节组件测出土样不同饱和度下各截面的基质吸力，从而得出没有种植植物的土样的土-水特性曲线，且在此过程中没有破坏土样和植物根部，提高检测的准确性；在植物生长的不同时段进行水-土特征分析，得到植物各个生长时段的根系变化对土样的影响，操作简单且在检测时较迅速，提高试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例一提供的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置的结构示意图；

图2是实施例一提供的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置中滤土组件的示意图；

图3是实施例二提供的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验方法中对培养箱扫描时的示意图；

图中：1-水位测量组件，11-升降元件，12-量水管，13-安装元件，14-导管，2-负压调节组件，21-真空泵，22-真空压力表，23-通气管，3-培养组件，31-培养箱，32-滤土组件，321-透水滤纸，322-第一硬质筛网，323-第一滤棉，234-第二硬质筛网，33-储水室，34-水分检测元件，35-支撑箱，36-储水槽，37-出水管，4-支撑垫座，5-万向轮，6-水准泡，71-射线光源，72-旋转台，73-射线接收器，74-金属过滤器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法，以解决现有植物根系吸水过程研究容易破坏植物根系及土壤，影响试验效率及结果准确性的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图3所示，本发明提供一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，包括射线扫描系统和测量培养系统，测量培养系统包括水位测量组件1、负压调节组件2和培养组件3，培养组件3内用于放置土样和植物，以测量植物根系对土样的各项参数的影响，水位测量组件1能够与培养组件3连通，并用于实现水在水位测量组件1与培养组件3之间的流通以调节培养组件3内土样的饱和度，从而对不同饱和度下的土样进行基质吸力测量，还包括滤土组件32，滤土组件32用于防止培养组件3内土样进入水位测量组件1，防止土样流失，培养组件3上设有多个检测口，各检测口分别位于培养组件3上不同高度，且检测口能够连通培养组件3内腔与外界，负压调节组件2能够连通不同的检测口，并用于对各检测口处土样提供并调节负压，即对培养组件3的不同高度提供并调节负压，以通过负压与基质吸力进行比对，检测口处安装有水分检测元件34，逐渐增大负压至水分检测元件34检测到刚好有水通过，表明此时施加的负压值即为基质吸力，测量结果更加直观准确，且操作简单、快捷，提高试验效率，射线扫描系统用于对培养组件3内植物根系扫描成像，利用扫描得到土样孔隙率、含水率随根系分布的变化规律，无需破坏土样及植物根系，且成像迅速，具有更高的准确性和微观性，提高试验效率。

培养组件3包括培养箱31、滤土组件32和储水室33，培养箱31内用于放置土样和植物，培养箱31材质透明且上端开口，下端封闭且设有多个透水孔，更优的，培养箱31为内径30mm、高度220m、壁厚2mm的圆柱体结构，材质为高透有机玻璃，培养箱31通过有机玻璃胶与水分检测元件34密闭连接，较小的容器尺寸使得测试的土样更小，根据CT扫描远离，土样越小扫描成像越清晰；薄壁且高透的有机玻璃盛装土体可使CT扫描射线穿透性更好、成像结果分辨率更高；培养箱31上端高于土样顶部20mm，防止植物根系生长造成的土样体积增大而掉落箱体，培养箱31可拆卸安装在储水室33上端，且滤土组件32位于培养箱31和储水室33之间，滤土组件32可拆卸安装在培养箱31下端，并用于防止培养箱31内土样进入储水室33，防止土样流失，影响测量准确性，水位测量组件1与储水室33通过导管14连通，储水室33上还设有出水口，出水口用于储水室33内水的排出，各检测口均开设于培养箱31侧壁，以保证各检测口位于不同高度。

培养组件3还包括支撑箱35和储水槽36，支撑箱35固定于储水室33下端，且支撑箱35上端设有穿入孔，支撑箱35侧壁设有穿出孔，出水口位于储水室33底面，出水口与一出水管37的一端连接并连通，出水管37的另一端通过穿入孔穿入支撑箱35，通过穿出孔穿出支撑箱35，并与储水槽36连通，通过支撑箱35将储水室33和培养箱31等组件撑起，同时也对出水管37起到保护作用，出水管37上设有第一开关阀，第一开关阀用于控制出水管37内水流的通断，在试验过程中，关闭第一开关阀，防止水通过出水管37流出，影响水体体积的测量，在试验结束后，可打开第一开关阀，将水排出。

滤土组件32包括依次叠放并固定连接的透水滤纸321、第一硬质筛网322、第一滤棉323和第二硬质筛网234，透水滤纸321靠近培养箱31设置，通过滤土组件32在保证水的正常通过的前提下，也防止土样进入储水室33，影响后期试验结果的准确性，在使用时，通过导管14向储水室33注水，随着储水室33内水的增多，水位上涨，且进入培养箱31。

负压调节组件2包括真空泵21、真空压力表22和通气管23，通气管23的一端能够分别连接并连通各检测口，通气管23的另一端与真空泵21连通，通过使通气管23连通不同的检测口，实现对培养箱31内不同高度基质吸力的测量，真空压力表22安装于通气管23上，并用于检测真空泵21施加的压力，且真空压力表22可直观的看出真空泵21施加的负压，进而直接得到基质吸力大小，使用方便，读数简单，且无需在土样内埋设吸力传感器，从而不会破坏土样结构，且真空压力表22的大小不受限制。

水位测量组件1包括升降元件11、量水管12和导管14，量水管12的上端通过一安装元件13固定在升降元件11上端，导管14的一端固定在量水管12下端，另一端可拆卸连接在储水室33的侧壁，更优的，储水室33侧壁可安装一通水管，在需要连接时，直接将导管14与通水管连接即可，操作方便，且导管14能够连通量水管12和储水室33，更优的，升降元件11包括固定支架和升降杆，固定支架内部中空，且侧壁设有长条孔，升降杆的下部伸入固定支架内，且升降杆的下部设有螺纹孔，通过螺栓穿过长条孔伸入至固定支架内，并与升降杆的螺纹孔螺纹连接，螺栓的头端能够卡在长条孔的内壁，从而实现升降杆的位置固定，通过螺栓和升降杆固定在长条孔内不同高度，实现升降杆高度的调节；安装元件13包括固定环和固定杆，固定环固定套设于量水管12上端外周，固定杆一端固定在固定环外壁，另一端固定在升降杆上端，导管14上安装有第二开关阀，第二开关阀用于控制导管14内水流的通断，以实现水的流通与截流，升降元件11能够带动量水管12升降，并使量水管12与导管14内水往复流动。

水分检测元件34包括滤土管、第二滤棉和水分检测纸条，滤土管的一端固定在检测口处，滤土管的另一端向远离检测口的方向延伸，用于与通气管23相接，第二滤棉和水分检测纸条均安装于滤土管内，且第二滤棉靠近检测口，第二滤棉用于防止培养组件3内土样经滤土管掉落，影响检测准确性，水分检测纸条用于检测滤土管内是否有水通过，当真空泵21提供的负压与基质吸力之间的极限平衡被破坏，培养箱31内水将进入滤土管内并接触水分检测纸条，并使水分检测纸条变色，刚好变色时，真空泵21提供的负压力大小与基质吸力大小相同。

还包括支撑垫座4，水位测量组件1和培养组件3均安装在支撑垫座4的上端面，即固定支架的下端安装在支撑垫座4上，更优的，固定支架还可通过钢螺旋桩安装在支撑垫座4上，从而通过钢螺旋桩调整固定支架的高度，支撑箱35固定在支撑垫座4上，支撑垫座4的上端面固定一水准泡6，水准泡6用于观察支撑垫座4的水平度，从而保证水位测量组件1和培养组件3等的水平度，支撑垫座4下端安装有多个连接元件，一个连接元件对应安装一万向轮5，且连接元件能够调节支撑垫座4的水平度，更优的，支撑垫座4为矩形，万向轮5分别安装于支撑垫座4的四个角部，连接元件为钢螺旋桩，钢螺旋桩的一端与万向轮5连接，另一端能够伸入支撑垫座4内，并与支撑垫座4螺纹连接，通过钢螺旋桩对万向轮5与水平垫座之间的距离进行调节，结合水准泡6，保证支撑垫座4的水平度，且通过设置万向轮5，使得支撑垫座4移动方便，从而带动整个装置移动，以减少光照位置带来的误差。

射线扫描组件采用微焦点CT扫描，包括射线光源71、旋转台72和射线接收器73，射线光源71用于提供扫描射线，且对准旋转台72设置，培养箱31能够安装在旋转台72上，并在旋转台72的带动下进行360°旋转，以得到不同角度的扫描图像，射线接收器73用于成像，更优的，射线光源71在气动后应待电子管电压、电流稳定再进行扫描，以确保扫描成像的准确性和清晰度，相比传统的机械手段具有更高的效率和准确性。

实施例二

如图3所示，本实施例提供了一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验方法，应用实施例一中的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，在试验前先安装试验装置：

将支撑垫座4下部的四个万向轮5用钢螺旋桩固定，调整各万向轮5位置直至支撑垫座4上水准泡6水平，再将固定支架下端用钢螺旋桩固定在支撑垫座4上端面；将支撑箱35用双面胶固定在支撑垫座4中部，支撑箱35上端放置储水室33；储水室33底部连接出水管37，通过支撑箱35内部连接到储水槽36，储水槽36固定在支撑垫座4上，出水管37的一端与储水室33底部用热熔胶密封；储水室33侧壁安装一通水管，通水管两端分别连接并连通储水室33和导管14，储水室33顶部安装滤土组件32；量水管12通过安装元件13安装在升降杆上端；滤土管一端通过有机玻璃胶与培养箱31的检测口密闭连接，另一端通过通气管23与装有真空压力表22的真空泵21相连；

试验过程包括以下步骤：

S1：将预选的土样分别装入三个培养组件3内，预选的土样是从野外田间相同位置取样得到的砂土，粒径较黏土大，在灰度图像下可分辨出固-液-气三相界限，且不含有粉粒和粘粒，具有可以保留足够水分和养分(例如铵盐、硝酸盐等)以供植物生长、营养成分易于吸收、数量较多、质地较硬等特点，各培养组件3内土样分多次摊铺并分别压实，更优的，每个箱体内土壤均压实成10层，每层厚20mm，各层土样表面划开，以保证每层土壤的均匀及水力连续性，三组培养组件3分别标号A组、B组和C组，再将装好土样的一组培养箱31对齐储水室33安装，打开通水管处的第二开关阀，通过吹气试验检测量水管12-导管14-通水管-储水室33-出水管37-储水槽36的气密性，更优的，为了保证试验的效率以及节约时间，可使用三个实施例一中的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，不同的是，各个适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置中分别对应A组培养组件3、B组培养组件3和C组培养组件3；

S2：将三组培养组件3分别放入水盘中使土样缓慢饱和12h，再分别置于透水砖上自由排水48h以模拟田间持水量，各组培养组件3称重并记录；

S3：使水位测量组件1与C组培养组件3连通，关闭第一开关阀，通过调整升降杆的高度从而调整量水管12的高度，使量水管12的零刻度线与培养组件3内土样顶部齐平，向量水管12内注水至水位稳定在零刻度线处，根据连通器原理可认为此时土样已完全饱和；逐渐降低量水管12的高度，使培养箱31内的水回流进量水管12内，记录回流后的水体体积，结合扫描结果得到的孔隙度可计算得出土样的饱和度Ci，饱和度Ci即土样中水的体积与土中孔隙体积之比，且Ci中i≥1；

S4：使水位测量组件1与C组培养组件3不连通，即关闭第二开关阀，使通气管23与一滤土管连通，打开真空泵21对滤土管提供缓慢增大的负压，此时观察滤土管内水分检测纸条是否变色，当水分检测纸条产生颜色变化时停止加压，说明真空泵21产生的负压与土样的基质吸力间的极限平衡刚好破坏，土样中的水分浸入到水分检测纸条中，认为此时的负压和该截面基质吸力相等，记录真空压力表22刻度并关闭真空泵21，继续通过使通气管23与不同的滤土管相连并提供负压以测量其他截面的基质吸力；

S5：不断调节量水管12的高度来控制C组培养组件3的土样饱和度Ci，重复S4步骤得出土样不同饱和度下(例如C1、C2、C3等)各截面的基质吸力，从而得出土样的土-水特性曲线；

S6：将预发芽好的植物种子分别种植在A组培养箱31和B组培养箱31内，严格控制光照时长、空气湿度、补水量等环境参数使A组培养箱31内植物和B组培养箱31内植物在适宜且相同的环境生长7天；

S7：将A组培养箱31取下并称重，再将A组培养箱31安放在旋转台72上，并使射线光源71对准A组培养箱31进行CT扫描，将旋转台72进行360°旋转得到不同角度的平面灰度图片，再辅助以高性能计算机的应用系统重构出A组三维图像；将B组培养箱31取下并称重，再将B组培养箱31安放在旋转台72上，且在射线光源71与B组培养箱31之间放置金属过滤器74以减少低能X射线比例，用以分析X射线剂量对植物根系生长的潜在影响，更优的，金属过滤器74采用较薄的铜滤光片，厚度为0.2mm-0.5mm，使射线光源71对准B组培养箱31进行CT扫描，将旋转台72进行360°旋转得到不同角度的平面灰度图片，再辅助以高性能计算机的应用系统重构出B组三维图像；C组培养箱31称重后仅置于旋转台72上旋转但不扫描，以确保试验结果的差异只能归结于扫描与否，而不是环境差异，在上述步骤中需严格控制扫描时间，扫描后应将各培养箱31放回原装置继续培养，在得到A组、B组植物根系及培养土样的三维灰度图像后，手动拾取该图像中的根线段并对根系进行物理建模，并综合Fiji、dragonfly及avizo软件的CT图像前处理及后续图像阈值分割结果对土体的孔隙度、颗粒大小、体积、含水率等进行分析；

S8：A组培养箱31和B组培养箱31经扫描放回原装置后，对A组培养箱31进行S4-S5步骤处理，得到受植物根系生长影响下的A组的土样饱和度-基质吸力曲线，对B组培养组箱进行S4-S5步骤处理，得到受植物根系生长影响下的B组的土样饱和度-基质吸力曲线；结合S7的扫描结果中的含水率得到此刻土样的基质吸力；根据S7的扫描结果中的孔隙度计算得到植物该生长时期下土样的土-水特征曲线；

S9：在不同时段重复S6-S8，得到植物各个生长时段的根系变化对土样的影响，即得到植物生长各个时段A组培养箱31和B组培养箱31中土样的土-水特征曲线、截面基质吸力、含水率、三相构成随根系分布的变化规律，从而得到植物根系吸水过程的新认识。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：包括射线扫描系统和测量培养系统，所述测量培养系统包括水位测量组件、负压调节组件和培养组件，所述培养组件内用于放置土样，所述水位测量组件能够与所述培养组件连通，并用于实现水在所述水位测量组件与所述培养组件之间的流通以调节所述培养组件内土样的饱和度，所述培养组件包括培养箱、滤土组件和储水室，所述培养箱内用于放置土样和植物，所述培养箱材质透明且上端开口，下端封闭且设有多个透水孔，所述培养箱可拆卸安装在所述储水室上端，且所述滤土组件位于所述培养箱和所述储水室之间，所述滤土组件可拆卸安装在所述培养箱下端，并用于防止所述培养箱内土样进入所述储水室，所述水位测量组件与所述储水室通过导管连通，所述储水室上还设有出水口，所述出水口用于所述储水室内水的排出，所述滤土组件用于防止所述培养箱内土样进入所述水位测量组件，所述培养箱侧壁上设有多个检测口，各所述检测口分别位于所述培养箱上不同高度，且所述检测口能够连通所述培养箱内腔与外界，所述负压调节组件能够连通不同的所述检测口，并用于对各所述检测口处土样提供并调节负压，所述检测口处安装有水分检测元件，所述水分检测元件位于所述检测口与所述负压调节组件之间，并用于检测是否有水通过，所述射线扫描系统用于对所述培养箱内植物根系扫描成像。

2.根据权利要求1所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：所述培养组件还包括支撑箱和储水槽，所述支撑箱固定于所述储水室下端，且所述支撑箱上端设有穿入孔，所述支撑箱侧壁设有穿出孔，所述出水口位于所述储水室底面，所述出水口与一出水管的一端连接并连通，所述出水管的另一端通过所述穿入孔穿入所述支撑箱，通过所述穿出孔穿出所述支撑箱，并与所述储水槽连通，所述出水管上设有第一开关阀，所述第一开关阀用于控制所述出水管内水流的通断。

3.根据权利要求1所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：所述滤土组件包括依次叠放并固定连接的透水滤纸、第一硬质筛网、第一滤棉和第二硬质筛网，所述透水滤纸靠近所述培养箱设置。

4.根据权利要求1所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：所述负压调节组件包括真空泵、真空压力表和通气管，所述通气管的一端能够分别连接并连通各所述检测口，所述通气管的另一端与所述真空泵连通，所述真空压力表安装于所述通气管上，并用于检测所述真空泵施加的压力。

5.根据权利要求1所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：所述水位测量组件包括升降元件和量水管，所述量水管的上端通过一安装元件固定在所述升降元件上端，所述导管的一端固定在所述量水管下端，另一端可拆卸连接在所述储水室的侧壁，且所述导管能够连通所述量水管和所述储水室，所述导管上安装有第二开关阀，所述第二开关阀用于控制所述导管内水流的通断，所述升降元件能够带动所述量水管升降，并使所述量水管与所述导管内水往复流动。

6.根据权利要求1所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：所述水分检测元件包括滤土管、第二滤棉和水分检测纸条，所述滤土管的一端固定在所述检测口处，所述滤土管的另一端向远离所述检测口的方向延伸，所述第二滤棉和所述水分检测纸条均安装于所述滤土管内，且所述第二滤棉靠近所述检测口，所述第二滤棉用于防止所述培养组件内土样经所述滤土管掉落，所述水分检测纸条用于检测是否有水通过。

7.根据权利要求1所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，其特征在于：还包括支撑垫座，所述支撑垫座的上端面固定一水准泡，所述水准泡用于观察所述支撑垫座的水平度，所述支撑垫座下端安装有多个连接元件，一个所述连接元件对应安装一万向轮，且所述连接元件能够调节所述支撑垫座的水平度，所述水位测量组件和所述培养组件均安装在所述支撑垫座的上端面。

8.一种适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验方法，其特征在于：使用权利要求1-7任一项所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验装置，包括：

S1：向所述培养组件内加入土样；

S2：模拟田间持水量：将所述培养组件放入水盘上使土样缓慢吸水，再自由排水，对所述培养组件称重并记录；

S3：将预发芽好的植物种子种植在所述培养组件的土样内；

S4：每经过单位生长周期后对所述培养组件称重，并进行土-水特征分析，土-水特征分析包括以下步骤：

S41：扫描：通过所述射线扫描系统对所述培养组件进行扫描，得到所述培养组件内土样和植物根部图像，通过图像对所述培养组件内植物根系进行物理建模，结合软件图像阈值分割结果对所述培养组件内土样的孔隙度、颗粒大小、体积、含水率进行分析；

S42：获得土样的土-水特性曲线：

包括

S421：通过所述水位测量组件调节所述培养组件内土样的土样饱和度至Ci，

S422：使所述水位测量组件与所述培养组件不连通，并使所述负压调节组件依次与各所述检测口连通，通过所述负压调节组件依次向各所述检测口的土样提供缓慢增大的负压，当各所述检测口对应的所述水分检测元件显示有水通过停止加压，记录所述负压调节组件施加的各个压力值，得到该土样饱和度Ci下各所述检测口的土样的基质吸力；

S423：重复S421-S422，获得各所述检测口处的土样在各不同土样饱和度下的基质吸力，得出土样的土-水特性曲线。

9.根据权利要求8所述的适用于CT扫描的植物根系吸水过程试验方法，其特征在于：所述培养组件设置有三组，分别为A组、B组和C组，

A组：进行S1-S4步骤；

B组：进行S1-S4步骤，并在S41步骤中，在所述射线扫描系统与所述培养组件之间设置金属过滤器；

C组：进行S1、S2和S42步骤。

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