CN113075380B - 植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统 - Google Patents

植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，包括根系形态观测单元、营养液与氧气补充单元、土壤水采集单元、根系环境监测单元和集成智控单元，根系形态观测单元包括螺旋透明观测管、支撑电缆、镂空重力支架和多个扫描仪，螺旋透明观测管为螺旋形状的透明管，螺旋透明观测管竖向分布，支撑电缆和扫描仪位于螺旋透明观测管内；扫描仪设置在支撑电缆上，支撑电缆固定设置在螺旋透明观测管中，扫描仪分布在螺旋透明观测管螺旋状部位，扫描仪围绕植物根系分布；营养液与氧气补充单元和土壤水采集单元均设置在螺旋透明观测管上，土壤水采集单元和根系环境监测单元电连接集成智控单元。实现植物根系生长形态多角度同步观测。

Description

植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统
技术领域
本发明涉及植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，属于植物生长环境监测技术领域。
背景技术
植物在生长过程中通过根系从土壤中汲取营养物质，监测植物根系生长环境和观测根系形态对研究植物生长具有重要意义。为了观测根系生长状况，现有技术中，传统的采集方法，需要通过人工来对植物根系进行测量并统计，而针对于根系的长度、直径、面积、体积和根尖数等参数的测量困难重重，通过人工进行的测量不仅耗时长，工作强度大，结果的精准度更是难以保证。
中国发明专利CN202010302965.1公开了“一种透明原位三维植物栽培装置及其在植物根系观测中的应用”，该应用根系生长也不会受到影响，能让原位根系观测的清晰度得到显著提升，无论是动态实时观测还是收获植物后得到的相关功能性状都有理想的结果。中国发明专利CN201910109645.1公开了一种植物根系观测装置，该装置这种观测装置可以用水培的方式来培养植物，使植物的根系能够处于透明的介质中，且在观测装置中设置有观测器，方便植物根系的观测。中国发明专利CN201920561022.3公开了植物根系与土壤试验培养箱，它更接近自然生长环境，方便观察和取样，可提高在科学研究中对植物根系及周围土壤(环境)研究的准确性和精确性。现有技术做出了较大的改进，可获取同一地点不同深度的根系图像，以及不同点不同根系的图像，可分析计算根长、根面积、体积、根尖数等根系形态参数，并进行不同时间空间多幅图片的拼接，具备强大的根系形态分析功能，但不容易实现多角度同步观测，只能实现单向观测图像，并较难实现与根系生长环境监测的同步性。
现有技术的上述方案主要针对的是植物根系生长的单一方向的监测，并未实现多角度同步观测，无法确保实验数据的科学性和真实性。因此本技术在其它技术的基础上，将多角度观测和环境监测同步进行，提高实验精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，可以实现植物根系生长形态观测，并可实现多角度同步观测。
为达到上述目的，本发明提供植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，包括根系形态观测单元（1）、营养液与氧气补充单元（2）、土壤水采集单元（3）、根系环境监测单元（4）和集成智控单元（5），
根系形态观测单元（1）包括螺旋透明观测管（6）、支撑电缆（7）、镂空重力支架（8）和多个扫描仪（9），螺旋透明观测管（6）为螺旋形状的透明管，螺旋透明观测管（6）下端密封插入土壤中，支撑电缆（7）、镂空重力支架（8）和扫描仪（9）位于螺旋透明观测管（6）内；扫描仪（9）通过镂空重力支架（8）固定在支撑电缆（7）上，扫描仪（9）分布在螺旋透明观测管（6）中，扫描仪（9）围绕植物根系分布，植物根系的侧根或不定根攀附在螺旋透明观测管（6）上；
营养液与氧气补充单元（2）和土壤水采集单元（3）均设置在螺旋透明观测管（6）周围，根系环境监测单元（4）插入土壤中，土壤水采集单元（3）和根系环境监测单元（4）电连接集成智控单元（5）。
优先地，营养液与氧气补充单元（2）包括针筒（10）、透水管（11）和种植槽（12），种植槽（12）固定环绕在螺旋透明观测管（6）周围，种植槽（12）内设置有土壤，透水管（11）一端沿螺旋透明观测管（6）外侧壁包围在种植槽（12）周围，透水管（11）另一端连通针筒（10）。
优先地，土壤水采集单元（3）包括陶土头（13）、软管（14）、锥形瓶（15）、玻璃活塞（16）和真空泵（17），锥形瓶（15）上开设有侧瓶嘴和瓶口，陶土头（13）一端埋入种植槽（12）的土壤中，陶土头（13）另一端用软管（14）连通锥形瓶（15）的侧瓶嘴；
所述锥形瓶（15）的瓶口密封卡设玻璃活塞（16），锥形瓶（15）的瓶口密封连通真空泵（17）。
优先地，玻璃活塞（16）包括上层活塞和下层活塞，下层活塞密封固定设置在所述锥形瓶（15）的瓶口，上层活塞密封转动连接所述锥形瓶（15）的瓶口，上层活塞位于下层活塞的上侧，上层活塞上偏心开设一个上层通孔，下层活塞上偏心开设一个下层通孔，上层通孔通过软管（14）密封连通真空泵（17），旋转上层活塞控制上层通孔和下层通孔连通从而控制锥形瓶（15）与真空泵（17）连通。
优先地，根系环境监测单元（4）包括水分监测探头（18）、CO2监测探头（19）、pH监测探头（20）、DO监测探头（21）和Eh监测探头（22），水分监测探头（18）、CO2监测探头（19）、pH监测探头（20）、DO监测探头（21）和Eh监测探头（22）均插入土壤，水分监测探头（18）、CO2监测探头（19）、pH监测探头（20）、DO监测探头（21）和Eh监测探头（22）电连接集成智控单元（5）。
优先地，集成智控单元（5）包括电脑（23）。
优先地，镂空重力支架（8）为U形，镂空重力支架（8）上开设配合支撑电缆（7）的电缆通孔，支撑电缆（7）穿过电缆通孔，螺旋透明观测管（6）材质为钢化玻璃，镂空重力支架（8）材质为不锈钢。
优先地，透水管（11）材质为PE。
优先地，软管（14）为硅胶管，锥形瓶（15）和玻璃活塞（16）材质为玻璃。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，可以实现植物根系生长形态观测，并可实现多角度同步观测；同时，本发明可实现环境监测与植物根系形态观测同步，与现有技术相比其显著优点在于：
（1）基于水分监测探头对螺旋透明观测管内部进行水分检测，基于CO2监测探头对螺旋透明观测管内部进行CO2含量监测，基于pH监测探头对螺旋透明观测管内部进行pH检测，基于DO监测探头对螺旋透明观测管内部进行DO检测，基于Eh监测探头对螺旋透明观测管内部进行Eh检测，针筒通过透水管向种植槽内补充营养液，通过真空泵向锥形瓶收集土壤中的水分，同时进行植物根系形态观测和周围环境监测，实现观测植物与环境指标的同步；
（2）植物根系生长方向不定，可以进行多角度和多方位同步观测植物根系形态；
（3）基于扫描仪，可以获得根长、根尖数和体积等多种参数，可进行不同时间空间多幅图片的拼接。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是本发明中支撑电缆和镂空重力支架的连接示意图。
附图中标记含义，1-根系形态观测单元，2-营养液与氧气补充单元，3-土壤水采集单元，4-根系环境监测单元，5-集成智控单元，6-螺旋透明观测管，7-支撑电缆，8-镂空重力支架，9-扫描仪，10-针筒，11-透水管，12-种植槽，13-陶土头，14-软管，15-锥形瓶，16-玻璃活塞，17-真空泵，18-水分监测探头，19-CO2监测探头，20-pH监测探头，21-DO监测探头，22-Eh监测探头，23-电脑，24-数据线。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，包括根系形态观测单元1、营养液与氧气补充单元2、土壤水采集单元3、根系环境监测单元4和集成智控单元5，
根系形态观测单元1包括螺旋透明观测管6、支撑电缆7和多个扫描仪9，螺旋透明观测管6为螺旋形状的透明管，螺旋透明观测管6竖向分布，螺旋透明观测管下端螺旋部分插入土壤中，支撑电缆7和扫描仪9位于螺旋透明观测管6内；扫描仪9设置在支撑电缆7上，支撑电缆7可拆适配连接若干个镂空重力支架8，扫描仪9通过镂空重力支架8固定在支撑电缆7上，支撑电缆7固定设置在螺旋透明观测管6中，扫描仪9分布在螺旋透明观测管6螺旋状部位，扫描仪9围绕植物根系分布，螺旋透明观测管6插入的土壤中可埋设植物根系的主根；
营养液与氧气补充单元2和土壤水采集单元3均设置在螺旋透明观测管6上，土壤水采集单元3和根系环境监测单元4电连接集成智控单元5，植物根系的侧根或不定根攀附在螺旋透明观测管6外侧壁上。
进一步地，根系形态观测单元1还包括镂空重力支架8，镂空重力支架8位于螺旋透明观测管6内，扫描仪9通过镂空重力支架8固定在支撑电缆7上。
进一步地，营养液与氧气补充单元2包括针筒10、透水管11和种植槽12，种植槽12固定设置在螺旋透明观测管6内，透水管11一端沿螺旋透明观测管6包围在种植槽12周围，透水管11另一端连通针筒10。
进一步地，土壤水采集单元3包括陶土头13、锥形瓶15、玻璃活塞16、真空泵17和软管14，锥形瓶上开设有侧瓶嘴和瓶口，种植槽12中设置有土壤，种植槽12中可埋设植物根系的不定根或侧根或主根，陶土头13一端埋入种植槽12的土体中，陶土头13另一端用软管14连通锥形瓶15的侧瓶嘴；
所述锥形瓶15的瓶口密封设置玻璃活塞16，玻璃活塞16上贯穿开设活塞通孔，活塞通孔通过软管14密封连通真空泵17；
所述玻璃活塞16是一个两层结构、中间偏心垂直开孔且大小相同，水平方向有磨砂可活动，可通过旋转玻璃活塞控制两层结构的开孔是否在同一垂线上，从而控制锥形瓶15是否与真空泵17连通。
玻璃活塞16包括上层活塞和下层活塞，下层活塞密封固定设置在所述锥形瓶15的瓶口，上层活塞密封转动连接所述锥形瓶15的瓶口，上层活塞位于下层活塞的上侧，上层活塞上偏心开设一个上层通孔，下层活塞上偏心开设一个下层通孔，上层通孔通过软管14密封连通真空泵17，通过旋转上层活塞控制上层通孔轴线和下层通孔轴线是否在同一垂线上，从而控制锥形瓶15是否与真空泵17连通。
进一步地，根系环境监测单元4包括水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21和Eh监测探头22，水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21和Eh监测探头22均固定安装在螺旋透明观测管6内部周边，水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21和Eh监测探头22电连接集成智控单元5。
进一步地，集成智控单元5包括电脑23。
进一步地，镂空重力支架8为U形，镂空重力支架8上开设配合支撑电缆7的电缆通孔，支撑电缆7穿过电缆通孔，螺旋透明观测管6材质为钢化玻璃，镂空重力支架8材质为不锈钢。
进一步地，透水管11材质为PE。
进一步地，软管14为硅胶管，锥形瓶15和玻璃活塞16材质为玻璃。
扫描仪9上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
所述扫描仪9用于全方位同步获取植物根系图像，扫描仪9分布在螺旋透明观测管6围绕植物根系的部位，多角度同步扫描植物根系；所述扫描仪9由蓄电池提供能源，便于野外使用。
所述陶土头13竖直插在种植槽12中，陶土头13下端有透水薄膜，种植槽12中的土壤中水分透过薄膜进入陶土头13，配合锥形瓶15、玻璃活塞16和真空泵17，用于过滤并收集土壤水；针筒10内装有营养液和DO，针筒10通过透水管11对植物进行营养液和DO的补充。透水管11为曲纹网状透水管，针筒为普通医用针筒，针筒用于向透水管内添加营养液与DO。水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21、Eh监测探头22安装在螺旋管周边，用于监测植物根系的环境指标。陶土头13埋入土体中的一端带有透水薄膜，另一端用软管14密封连接锥形瓶15的侧瓶嘴；
所述扫描仪9有多个，按相同间距，由镂空重力支架8固定在支撑电缆7上；所述水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21、Eh监测探头22由数据线连接到电脑24，电脑上有自动记录水分含量、CO2浓度、pH值、氧气浓度等环境指标
所述螺旋透明观测管6没入土体的为密闭钻头状，防止土壤水进入螺旋透明管6中，用于保护扫描仪9工作。
在一些实施例中，不固定个数，本实施例设计了四个扫描仪9，按一定间距由镂空重力支架8固定在支撑电缆7上；四个扫描仪在螺旋透明管21内从四个不同方向同步观测植物根系，并扫描成像。
所述镂空重力支架8，用于支撑和固定扫描仪9，并且和扫描仪9一起用重力拉伸支撑电缆7，确保每个扫描仪9之间的距离。所述支撑电缆7，用于连接每个扫描仪9。
进一步的，所述营养液与氧气补充单元，针筒不用安装在透水管出露的一端，随取随用，用于吸取营养液和DO并将其注入透水管中；所述曲纹网状透水管11包围在植物根系周边，沿螺旋透明管6下降，用于将营养液和DO渗透在植物根系周围，为植物根系提供养分。
进一步的，所述陶土头13带透水薄膜的一端插入种植槽12中，另一端用软管14密封连接锥形瓶15的侧瓶嘴；所述锥形瓶15的瓶口连接带阀门的玻璃瓶塞16，该瓶塞的上端开孔处有软管14并密封连接到真空泵16的接口，通过真空泵17将锥形瓶15内空气抽掉，形成压力差，使得土壤中的水分进入锥形瓶15中。其中陶土头13材质为陶土，锥形瓶15材质为玻璃。
所述陶土头13一端的透水薄膜，用于过滤土壤水中的颗粒，避免堵塞陶土头13和软管17。
所述玻璃瓶塞与锥形瓶瓶口内部有磨砂，用于增加摩擦，密封锥形瓶，防止漏气；所述玻璃瓶塞15中心有一贯穿的开孔，软管一端可插入其中；
进一步的，所述根系环境监测单元，本实施例设计了水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21、Eh监测探头22各一个，所有探头均直接插入土壤，探头一端分布在螺旋透明管周边，另一端由数据线24连接到电脑23，用于监测植物根系周边土壤中的水分含量、CO2浓度、pH值、氧气浓度和Eh。
进一步的，所述电脑23，通过数据线24连接扫描仪9和DO等监测探头，用于获取植物根系的多角度同步扫描成像，同时还获取并记录根系周围氧气浓度等环境指标。
以下结合图1、2，进一步说明本发明的具体操作步骤：
本发明提出的一种植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统。
步骤一：将四个扫描仪9分别固定在镂空重力支架8上，再将镂空重力支架7在支撑电缆的适当位置，按一定间距安装固定；将扫描仪9等整体轻轻放入螺旋透明观测管6内，慢慢调整扫描仪的位置，使其位于透明管6的螺旋位置，并且扫描仪9对向螺旋中心；将透水管11粘贴在螺旋透明管内侧；陶土头13一端包裹有透明薄膜，另一端用铁丝将软管紧紧缠绕，锥形瓶15的侧瓶嘴也与软管用铁丝缠绕，将另一根软管14一端插入玻璃瓶活塞16的开孔，另一根软管另一端对接真空泵的接口。
步骤二：随后，将螺旋透明观测管中心与植物中心对准，在不影响植物根系的情况下，通过螺旋钻头前端旋转插入土壤，同时观测扫描仪获得的图像，调整螺旋管的深度，使得扫描仪对准植物根部；沿植物根系插入陶土头，扫描仪9调整深度；将水分监测探头18、CO2监测探头19、pH监测探头20、DO监测探头21、Eh监测探头22插入螺旋透明观测管内的土壤，根据扫描仪9成的像调整探头位置使得探头位于螺旋管6周边。
步骤三：使用针筒10向透水管中注入营养液和DO，静待一段时间后，获取扫描仪9多角度同步观测植物根系的图像，记录所测得的水分含量、CO2浓度、pH值和氧气浓度等环境指标。
步骤四：打开玻璃瓶塞16的阀门，阀门即为偏心开设的上层通孔和下层通孔，开启真空泵17，锥形瓶内形成真空，由于压力差，使得土壤中的水分进入锥形瓶中，达到样品需求量后，旋转上层活塞和下层活塞错位，关闭阀门，关闭真空泵17，采集土壤水完成；记录土壤水的样品数据。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，包括根系形态观测单元（1）、营养液与氧气补充单元（2）、土壤水采集单元（3）、根系环境监测单元（4）和集成智控单元（5），
根系形态观测单元（1）包括螺旋透明观测管（6）、支撑电缆（7）、镂空重力支架（8）和多个扫描仪（9），螺旋透明观测管（6）为螺旋形状的透明管，螺旋透明观测管（6）下端密封插入土壤中，支撑电缆（7）、镂空重力支架（8）和扫描仪（9）位于螺旋透明观测管（6）内；扫描仪（9）通过镂空重力支架（8）固定在支撑电缆（7）上，扫描仪（9）分布在螺旋透明观测管（6）中，扫描仪（9）围绕植物根系分布，植物根系的侧根或不定根攀附在螺旋透明观测管（6）上；
营养液与氧气补充单元（2）和土壤水采集单元（3）均设置在螺旋透明观测管（6）周围，根系环境监测单元（4）插入土壤中，土壤水采集单元（3）和根系环境监测单元（4）电连接集成智控单元（5）。
2.根据权利要求1所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
营养液与氧气补充单元（2）包括针筒（10）、透水管（11）和种植槽（12），种植槽（12）固定环绕在螺旋透明观测管（6）周围，种植槽（12）内设置有土壤，透水管（11）一端沿螺旋透明观测管（6）外侧壁包围在种植槽（12）周围，透水管（11）另一端连通针筒（10）。
3.根据权利要求2所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
土壤水采集单元（3）包括陶土头（13）、软管（14）、锥形瓶（15）、玻璃活塞（16）和真空泵（17），锥形瓶（15）上开设有侧瓶嘴和瓶口，陶土头（13）一端埋入种植槽（12）的土壤中，陶土头（13）另一端用软管（14）连通锥形瓶（15）的侧瓶嘴；
所述锥形瓶（15）的瓶口密封卡设玻璃活塞（16），锥形瓶（15）的瓶口密封连通真空泵（17）。
4.根据权利要求3所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
玻璃活塞（16）包括上层活塞和下层活塞，下层活塞密封固定设置在所述锥形瓶（15）的瓶口，上层活塞密封转动连接所述锥形瓶（15）的瓶口，上层活塞位于下层活塞的上侧，上层活塞上偏心开设一个上层通孔，下层活塞上偏心开设一个下层通孔，上层通孔通过软管（14）密封连通真空泵（17），旋转上层活塞控制上层通孔和下层通孔连通从而控制锥形瓶（15）与真空泵（17）连通。
5.根据权利要求1所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
根系环境监测单元（4）包括水分监测探头（18）、CO2监测探头（19）、pH监测探头（20）、DO监测探头（21）和Eh监测探头（22），水分监测探头（18）、CO2监测探头（19）、pH监测探头（20）、DO监测探头（21）和Eh监测探头（22）均插入土壤，水分监测探头（18）、CO2监测探头（19）、pH监测探头（20）、DO监测探头（21）和Eh监测探头（22）电连接集成智控单元（5）。
6.根据权利要求1所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
集成智控单元（5）包括电脑（23）。
7.根据权利要求1所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
镂空重力支架（8）为U形，镂空重力支架（8）上开设配合支撑电缆（7）的电缆通孔，支撑电缆（7）穿过电缆通孔，螺旋透明观测管（6）材质为钢化玻璃，镂空重力支架（8）材质为不锈钢。
8.根据权利要求2所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
透水管（11）材质为PE。
9.根据权利要求3所述的植物根系形态多角度同步观测与环境监测实验系统，其特征在于，
软管（14）为硅胶管，锥形瓶（15）和玻璃活塞（16）材质为玻璃。
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