CN116210475A - 一种花生根瘤固氮通气装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于根瘤固氮技术领域，涉及一种花生根瘤固氮通气装置及其使用方法，通气装置包括依次连接的氮气集气瓶、分流接头、气体输入管道和密封组件，氮气集气瓶上安装有用于监测和调控气体流量的气体流量计和气体减压阀，气体流量计和气体减压阀设置于氮气集气瓶与分流接头之间；气体输入管道与密封组件相连接并伸入密封组件中，气体输入管道伸入密封组件中的部分管道上均匀分布若干个通气孔，密封组件包括带有密封盖的生长箱。本发明提供了一种针对土壤紧实胁迫下花生等豆科植物充分吸收氮气进行根瘤固氮的通气装置，该装置简单易操作，使用方法简便，可用于深入开展花生根瘤固氮相关研究，揭示固氮机制，为花生高效优质栽培研究提供有效的工具。
Description
技术领域
本发明属于根瘤固氮技术领域，涉及一种通气装置，具体涉及一种花生根瘤固氮通气装置及其使用方法。
背景技术
氮元素是植物生长不可缺少的元素，土壤固氮对于保证作物正常生长、提高粮食产率、确保粮食安全具有重要意义。现有的土壤固氮技术包括微生物固氮，是利用固氮菌固定住大气中的氮气为植物生长提供有机氮源。花生作为共生固氮植物，植株所需氮素近一半来源于根瘤菌生物固氮，花生生物固氮作为一种绿色固氮模式，能够改善土壤板结，增加土壤肥力。
现有研究大多通过增施氮肥等间接方法调控花生根系生长及根瘤固氮作用，然而氮肥施用过量不仅抑制了花生根系发育和养分吸收，还会加剧土壤紧实状况，尤其对花生根瘤形成和固氮作用影响显著，产生“氮阻遏”效应。因此，这种方法不仅不能从根本上提高花生根瘤固氮量，还会因过量施肥造成不必要的经济投入。
目前已有的土壤固氮技术还包括低温等离子体固氮方式，例如发明专利CN113545190A公开了一种低温等离子体土壤固氮装置，利用高压电源电性连接中空螺纹电极，电极安装在石英管中，石英管开有若干排气孔，插在土壤中并通入空气；高压电极将通入石英管的空气电离，使得空气中游离的氮分子和氧分子反应生成氮氧化物，氮氧化物随着气流吹入至土壤中，再与土壤中的水分子进一步反应生成硝酸盐，以此供植株吸收。该装置为有源装置，系统较为复杂，不易实施，且成本较高；此外，高压电极处理不当可能对实施人员造成伤害；再者，高压电极在土壤水蒸气含量较高时，容易使土壤气体中带电，甚至电离其他活泼气体或造成其他不可预知的反应，打破土壤原有离子平衡环境，可能对植株生长造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种花生根瘤固氮通气装置及其使用方法，是一种针对土壤紧实胁迫下花生等豆科植物充分吸收氮气进行根瘤固氮的通气装置，该装置简单易操作，使用方法简便，可用于深入开展花生根瘤固氮相关研究，揭示固氮机制，为花生高效优质栽培研究提供有效的工具。
本发明的技术方案是：
一种花生根瘤固氮通气装置，所述通气装置包括依次连接的氮气集气瓶、分流接头、气体输入管道和密封组件，所述氮气集气瓶上安装有用于监测和调控气体流量的气体流量计和气体减压阀，所述气体流量计和气体减压阀设置于所述氮气集气瓶与分流接头之间；所述气体输入管道与密封组件相连接并伸入密封组件中，所述气体输入管道伸入密封组件中的部分管道上均匀分布若干个通气孔，所述密封组件包括带有密封盖的生长箱。
进一步的，所述气体输入管道与分流接头和密封组件均为密封连接，所述气体输入管道伸入所述生长箱至接近生长箱底部；所述气体输入管道伸入生长箱内的管道上套设有一层隔离层，所述隔离层将设有通气孔的部分管道包裹在内。
进一步的，所述隔离层由丝绵材质制成。
进一步的，所述氮气集气瓶与分流接头之间通过管道连通，所述气体流量计和气体减压阀安装在氮气集气瓶瓶口。
进一步的，所述分流接头连接若干个气体输入管道，每个所述气体输入管道连接一个密封组件。
进一步的，所述密封盖上设有用于安装具塞进水管和生长管的通孔，所述具塞进水管与密封盖密闭连接且伸入生长箱内一定距离，所述生长管与密封盖密闭连接且伸入生长箱内一定距离。
进一步的，所述气体输入管道为PVC软管，所述具塞进水管为带有塞子的PVC管，所述生长管为PVC管。
进一步的，所述氮气集气瓶中气体为同位素标记N2气体。优选地，可采用15N2气体。
进一步的，所述生长箱为圆柱形密封桶或方形密封桶。
本发明还提供了一种花生根瘤固氮通气装置的使用方法，包括以下步骤：向生长箱内加入土壤后，在生长箱中生长管所在位置种植花生，待花生生长发育到一定阶段，盖上密封盖进行密封，同时对生长管和花生茎基部用医用级硅胶密封，密封后通过具塞进水管加水，根据需要开启氮气集气瓶通入氮气气体，并通过气体流量计和气体减压阀控制气体流速和流量，观测花生生长发育状况。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提供的花生根瘤固氮通气装置，能够直接供给花生植株生长土壤充分的氮气，同时可以精确定量监测花生生物固氮量，确定合理施氮量及根部最适合供气量，使得与花生共生固氮的根瘤菌充分吸收氮气，提高花生固氮能力，促进花生生长，提高花生产量。
(2)本发明装置无源设备，装置简单，能耗低，无危险性，安装后具体操作仅需调节气体减压阀，系统简单易操作，使用方法简便；且同一氮气源可供大面积植株使用，更为环保经济。
(3)通过15N同位素技术，确定花生根瘤固氮极值，合理施肥，在防止过量施肥导致“氮阻遏”效应的同时减少了经济浪费，该花生根瘤固氮量检测方法先进，结果精确；此外，该装置还适用于其他安全性高的气体检测研究。
附图说明
图1为本发明提供的通气装置的结构示意图一；
图2为本发明提供的通气装置的结构示意图二；
图3为花生根部通气后的根瘤数情况；
图4为花生根部通气后的根干重情况；
以上各图中，1、氮气集气瓶；2、气体流量计和气体减压阀；3、分流接头；4、气体输入管道；5、具塞进水管；6、生长管；7、密封盖；8、生长箱；9、通气孔。
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。
为了进一步理解本发明，将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种花生根瘤固氮通气装置，如图1至2所示，包括依次连接的氮气集气瓶1、分流接头3、气体输入管道4和密封组件，氮气集气瓶1上安装有用于监测和调控气体流量的气体流量计和气体减压阀2，气体流量计和气体减压阀2设置于氮气集气瓶1与分流接头3之间；气体输入管道4与密封组件相连接并伸入密封组件中，气体输入管道4伸入密封组件中的部分管道上均匀分布若干个通气孔9，密封组件包括带有密封盖7的生长箱8。
上述装置为促进花生生物固氮效应，充分利用花生共生固氮特性，通过直接将氮气吹入土壤供根瘤菌吸收反应生成花生能够吸收的含氮离子的方法，可精确定量监测花生生物固氮量，确定合理施氮量及根部最适合供气量；有效改善过量施肥导致的氮阻遏效应。
整体装置由气源组件和密封组件组成，气源组件包括依次密封连接的氮气集气瓶1、气体流量计和气体减压阀2、分流接头3以及气体输入管道4，密封组件包括生长箱8、密封盖7、具塞进水管5和生长管6。上述各组成部件的制备原材料均廉价易得，投入低。
进一步的，氮气集气瓶1与分流接头3之间通过管道连通，气体流量计安装在氮气集气瓶1瓶口并用于实时监测气体流量，气体减压阀安装在氮气集气瓶1瓶口并用于实时调控气体流速和流量。通过气体流量计和气体减压阀2的监测与调控作用，可实时控制气体流速和流量，根据实验需要控制气体流速和通气时间，能够提高精度和效率；可设置不同的参数监测花生根瘤固氮量，操作简单易行。可以理解的是，通过分流接头3可以连接若干个(例如2个或2个以上)气体输入管道4，每个气体输入管道4连接一个密封组件，这样，一个氮气集气瓶1就可以通过分流接头3同时连接多个密封组件。
氮气集气瓶1中的气体经过分流接头3分流后，经各个气体输入管道4进入密封组件，气体输入管道4与分流接头3和密封组件均为密封连接，密封组件包括生长箱8，气体输入管道4伸入生长箱8至接近生长箱8底部；并且，气体输入管道4伸入生长箱8内的这一段管道上均匀分布若干个通气孔9，设有通气孔9的这部分管道套设隔离层，将设有通气孔9的这部分管道包裹在内。通过在通气孔9上设置隔离层，可以既不影响通气，又能防止通气管被堵塞，达到根部供气目的。
在一具体应用实施例中，生长箱8内装入土壤，气体输入管道4为PVC软管，插入土壤的部分软管上均匀分布2mm小孔，为了防止该通气孔9被土壤堵塞，软管外包裹一层丝绵材质的隔离层。
进一步的，密封盖7上设有用于安装具塞进水管5和生长管6的通孔，具塞进水管5与密封盖7密闭连接且伸入生长箱8内一定距离，具塞进水管5为带有塞子的PVC管，需要时将塞子打开进行操作，操作完毕则加上塞子保持密封环境。生长管6与密封盖7密闭连接且伸入生长箱8内一定距离，生长管6是花生等植株栽种后向上生长的位置，生长管6为PVC管，为了保持气密性，该生长管6与植株茎基部间采用医用级硅胶和羊毛脂密封，使得密封盖7与生长箱8内的土壤间为密闭空间。进一步的，生长箱8为圆柱形密封桶或方形密封桶，生长箱8的形状可根据实际环境等需要进行设置。
本装置的气源组件中，氮气集气瓶1为普通压缩气体集气瓶，装有气压为10MPa的压缩气体。该氮气集气瓶1与气体流量计和气体减压阀2连接，气密性好，气体减压阀出口处与分流接头3连接，分流接头3接通气体输入管道4插入密封盖7进入生长箱8内土壤。在本具体实施例中，氮气集气瓶1中气体为同位素标记N2气体，优选地，可采用15N2气体。
在一具体实施例中，氮气集气瓶1气体主要是同位素标记N2气体，密封的生长箱8中施入不同15N标记尿素，可精确定量监测花生生物固氮量，确定合理施氮量及根部最适合供气量。通过15N同位素技术，确定花生根瘤固氮极值，合理施肥，减少经济浪费。
可以理解的是，该氮气集气瓶1可以替换为其他气体集气瓶，适用于其他安全性高的气体监测研究；同理，此密闭通气装置同样适用于其他作物。
实施例2
为明确氮胁迫下花生外源氮吸收利用、根瘤固氮受阻特征及氮阻遏缓解机制，采用尿素15N和氮气同位素(15N2)标记技术实验，并配合上述花生根瘤固氮通气装置进行实验。该通气装置的使用方法包括以下步骤：
连接装有氮气同位素(15N2)气体的氮气集气瓶1，向生长箱8内加入土壤后，在生长箱8土壤中生长管6所在位置种植花生，待花生生长发育到一定阶段，盖上密封盖7进行密封，同时对生长管和花生间进行密封，保证整个通气装置的密封性；根据需要开启氮气集气瓶1通入氮气气体，并通过气体流量计和气体减压阀2控制气体流速和流量；需要灌溉时通过具塞进水管5加水，施肥阶段向土壤中施加尿素15N，观测花生生长发育状况。最后，应用质谱仪检测采样植株含氮量，验证氮阻遏效应，明确氮肥合理施用量。
使用本发明装置进行通气实验，设置对照组和通气组，通气结束后观测根瘤数及根干重，如图3所示，花生根部通气7天后和14天后根瘤数情况，从图中可以看出，通气处理花生根瘤数明显高于未通气处理，通气14天后花生根瘤数达到69个/株，高于对照组45个/株。如图4所示，花生根部通气7天后和14天后根干重情况，从图中可以看出，通气7天后和14天后花生干重均明显增加，且通气处理7天和14天后花生根干重均明显大于未通气处理，14天时通气组花生单株干重为1.62g/株，而对照组单株干重仅为0.69g/株。
上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述通气装置包括依次连接的氮气集气瓶、分流接头、气体输入管道和密封组件，所述氮气集气瓶上安装有用于监测和调控气体流量的气体流量计和气体减压阀，所述气体流量计和气体减压阀设置于所述氮气集气瓶与分流接头之间；所述气体输入管道与密封组件相连接并伸入密封组件中，所述气体输入管道伸入密封组件中的部分管道上均匀分布若干个通气孔，所述密封组件包括带有密封盖的生长箱。
2.根据权利要求1所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述气体输入管道与分流接头和密封组件均为密封连接，所述气体输入管道伸入所述生长箱至接近生长箱底部；所述气体输入管道伸入生长箱内的管道上套设有一层隔离层，所述隔离层将设有通气孔的部分管道包裹在内。
3.根据权利要求2所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述隔离层由丝绵材质制成。
4.根据权利要求1所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述氮气集气瓶与分流接头之间通过管道连通，所述气体流量计和气体减压阀安装在氮气集气瓶瓶口。
5.根据权利要求1所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述分流接头连接若干个气体输入管道，每个所述气体输入管道连接一个密封组件。
6.根据权利要求1所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述密封盖上设有用于安装具塞进水管和生长管的通孔，所述具塞进水管与密封盖密闭连接且伸入生长箱内一定距离，所述生长管与密封盖密闭连接且伸入生长箱内一定距离。
7.根据权利要求6所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述气体输入管道为PVC软管，所述具塞进水管为带有塞子的PVC管，所述生长管为PVC管。
8.根据权利要求1所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述氮气集气瓶中气体为同位素标记N2气体。
9.根据权利要求1所述的花生根瘤固氮通气装置，其特征在于，所述生长箱为圆柱形密封桶或方形密封桶。
10.一种权利要求1-9任一项所述的花生根瘤固氮通气装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：向生长箱内加入土壤后，在生长箱中生长管所在位置种植花生，待花生生长发育到一定阶段，盖上密封盖进行密封，同时对生长管和花生茎基部用医用级硅胶密封，密封后通过具塞进水管加水，根据需要开启氮气集气瓶通入氮气气体，并通过气体流量计和气体减压阀控制气体流速和流量，观测花生生长发育状况。
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| CN202310156044.2A Pending CN116210475A (zh) | 2023-02-23 | 2023-02-23 | 一种花生根瘤固氮通气装置及其使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116210475A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117686684A (zh) * | 2023-11-29 | 2024-03-12 | 青岛农业大学 | 一种用于估算生物固氮量的同位素标记装置及其控制方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003102273A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-08 | Koji Kakizawa | 植物の栽培法 |
| CN101731110A (zh) * | 2009-12-02 | 2010-06-16 | 中国科学院南京土壤研究所 | 一种田间原位智能气密植物生长箱 |
| JP2014171471A (ja) * | 2013-03-06 | 2014-09-22 | Takaho Kashiwabara | 花器を植木鉢として使用するための技術 |
| CN107484564A (zh) * | 2017-09-29 | 2017-12-19 | 新疆农业科学院经济作物研究所 | 一种利用田间滴灌系统对地膜下作物根部输气的装置 |
| CN108684283A (zh) * | 2018-05-03 | 2018-10-23 | 广西壮族自治区农业科学院 | 一种甘蔗田间加气装置及水肥气一体化栽培甘蔗的方法 |
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| CN211603177U (zh) * | 2019-12-26 | 2020-09-29 | 董殿波 | 一种氧气调控研究土壤中PAHs光降解的试验装置 |
| CN214961351U (zh) * | 2021-06-18 | 2021-12-03 | 浙江农林大学 | 一种室内模拟试验用的植物栽培用盆 |
-
2023
- 2023-02-23 CN CN202310156044.2A patent/CN116210475A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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