CN208505719U - 一种植物叶片水同位素富集信号标记系统 - Google Patents
一种植物叶片水同位素富集信号标记系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型适用生态环境领域，提供了一种植物叶片水同位素富集信号标记系统，该系统包括空气压缩机、与空气压缩机连通的空气干燥机、与空气干燥机连通的质量流量控制器、储水罐、与储水罐连通的蠕动泵、与蠕动泵连通的气化室、与气化室和质量流量控制器连通的混合腔、与混合腔连通的植物生长室以及光源，蠕动泵从大容量储水罐中将包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到气化室完全气化，混合腔对预设气体流速的无水分气流和气化后气态水进行混合，从而向待标记植物提供稳定的特定同位素富集信号标记气流，在光源的照射下，通过光合作用和同位素信号标记气流，实现待标记植物在特定湿度下的全株植物叶片水标记。
Description
技术领域
本实用新型属于生态环境领域，尤其涉及一种植物叶片水同位素富集信号标记系统。
背景技术
植物叶片不仅是联系亚细胞尺度生理学和宏观生态学的桥梁，同时也是植物进行碳水交换和能量流通的重要场所。植物叶片水稳定同位素富集信号(氢或氧同位素，在这里以Δ2H叶片水或Δ18Ο叶片水表示，下文以Δ叶片水统一表示)的变化可以直接沟通叶片内部生理活动与外界环境信息的联系，因此被认为是研究气候变化及生态系统碳水循环的一个有力工具。已有的研究表明，Δ叶片水可以通过光合、蒸腾等生理活动影响大气多个分子包括O2、CO2和水汽的同位素组分，从而在量化区分陆地和海洋碳固定、估测陆地生态系统总初级生产力、以及蒸散发分配等碳水研究领域发挥重要作用。另外，作为植物体重要代谢物质蔗糖、纤维素及脂类的信号前体，Δ叶片水同时也是古气候重建、植物源性食药产品源产地溯源和植被对环境变化的响应等应用研究的关键指标。
上述多项环境生态类研究或应用的一个共性研究目标是致力于阐明Δ叶片水与其所标记的下游分子的同位素信号间的定量关系。譬如，生态系统研究人员希望获取Δ叶片水与光合期间CO2氧同位素信号间的关系，以便完善同位素方法精确估算生态系统生产力；同位素产地溯源方法的开发者希望了解Δ叶片水怎样影响植物结构性物质，如纤维素(纤维素是一大类植物源性食药产品如冬虫夏草、人参、藏红花、茶叶等的重要成分)的同位素信号，从而夯实同位素产地溯源的理论基础。为实现此类研究目的，研究者往往需要通过实验手段获取目标植物一系列的、信号特定并且长期稳定的Δ叶片水值，并在此基础上通过使用回归分析等统计学手段量化Δ叶片水与目标分子同位素信号的关系。从理论上说，所获得的Δ叶片水应该尽量形成范围宽广的“梯度”，“梯度”范围越宽广，则基于回归分析所获得的同位素信号间的定量关系越准确。
然而，创建稳定而且范围足够宽广的Δ叶片水信号“梯度”是一个世界级的难题。这是因为Δ叶片水受相对湿度(RH)、水汽氢或氧同位素比率(Δv)、气孔导度等多个环境或生理因子的影响，而任意一个环境因子的变化都可导致Δ叶片水发生变化。参考Craig-Gordon模型：
Δ叶片水＝ε++εk+（Δv-εk)×RH
其中，ε+为液态水与水汽之间平衡分馏系数，εk为动力分馏系数。
现有的创建Δ叶片水“梯度”的方法主要涉及针对Δ叶片水驱动因子RH进行调控，然而，该方法的一个局限性在于其所能实现的Δ叶片水水梯度范围较为狭窄。例如，假设实际操作中能够实现RH在20％至95％的“宽广”范围内的变动，根据经典的Craig-Gordon方程推算得到的Δ叶片水(以氧同位素为例)“梯度”也仅维持在大约0‰-30‰的较为狭窄的范围。同时，传统的RH调控方法无法同时有效维持水汽Δv恒定，这意味着Δ18O叶片水将大概率处于不稳定状态。也就是说，现有的方法存在两个弊端：调控Δ叶片水变化范围的能力有限及无法维持特定Δ叶片水信号长期稳定，这使得当前量化Δ叶片水与大气分子或植物有机质同位素信号关系的努力存在诸多不确定性，从而妨碍生态系统生产力估算、古气候重建及同位素产地溯源等研究领域在机制理解上的进一步深入。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种植物叶片水同位素富集信号标记系统，旨在解决由于现有植物叶片水同位素富集信号标记系统无法提供特定同位素富集信号，导致室内水汽中的预设同位素信号难以在线连续监测的问题。
本实用新型提供了一种植物叶片水同位素富集信号标记系统，所述系统包括空气压缩机、与所述空气压缩机连通的空气干燥机、与所述空气干燥机连通的质量流量控制器、储水罐、与所述储水罐连通的蠕动泵、与所述蠕动泵连通的气化室、与所述气化室和所述质量流量控制器连通的混合腔、与所述混合腔连通的植物生长室以及光源，其中：
所述储水罐，用于存储包含预设同位素信号的液态水；
所述蠕动泵，用于从所述储水罐中将所述包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到所述气化室；
所述气化室，用于将所述包含预设同位素信号的液态水完全转化为气态水；
所述空气干燥机，用于对所述空气压缩机输出的预设压力空气进行干燥，以去除所述预设压力空气中的水分，得到无水分气流；
所述混合腔，用于对所述质量流量控制器调整后的预设气体流速的无水分气流和所述气态水进行混合，以得到室温下预设湿度和流速的同位素信号标记气流；
所述植物生长室，用于容置待标记植物，以在所述光源的照射下，通过光合作用和所述同位素信号标记气流实现全株植物叶片水的标记。
优选地，所述标记系统还包括设置在所述蠕动泵和所述气化室之间单向阀，用于防止所述气化室中的液态水回流。
优选地，所述气化室包括控温仪，以将气化室的温度调控在220℃，使所述包含预设同位素信号的液态水迅速、完全转化为气态水。
优选地，所述空气干燥机为分子筛吸附式干燥机，以实现对所述预设压力空气的完全干燥。
优选地，植物生长室为透明聚乙烯材料制成的透明腔室，所述植物生长室的尺寸为40cm*40cm*40cm。
优选地，所述光源为LED模组。
本实用新型提供的植物叶片水同位素富集信号标记系统包括空气压缩机、与空气压缩机连通的空气干燥机、与空气干燥机连通的质量流量控制器、储水罐、与储水罐连通的蠕动泵、与蠕动泵连通的气化室、与气化室和质量流量控制器连通的混合腔、与混合腔连通的植物生长室以及光源，蠕动泵从大容量储水罐中将包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到气化室完全气化，混合腔对预设气体流速的无水分气流和气化后气态水进行混合，从而向待标记植物提供稳定的特定同位素富集信号标记气流，在光源的照射下，通过光合作用和同位素信号标记气流，实现待标记植物在特定湿度下的全株植物叶片水标记。
附图说明
图1是本实用新型实施例一提供的植物叶片水同位素富集信号标记系统的结构示意图；以及
图2是本实用新型实施例二提供的植物叶片水同位素富集信号标记方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1示出了本实用新型实施例一提供的植物叶片水同位素富集信号标记系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
本实用新型实施例提供的植物叶片水同位素富集信号标记系统10包括空气压缩机101、与空气压缩机101连通的空气干燥机102、与空气干燥机102连通的质量流量控制器103、储水罐104、与储水罐104连通的蠕动泵105、与蠕动泵105连通的气化室106、与气化室106和质量流量控制器103连通的混合腔107、与混合腔107连通的植物生长室108以及光源109。
空气压缩机101用于产生的高速空气流(最大可达40L/min)，之后经过减压阀调节至稳压(如4kg cm-2，相当于392kPa)后，传送给空气干燥机102，以便于空气干燥机102对空气流进行干燥。
空气干燥机102用于对空气压缩机101输出的预设压力空气进行干燥，以去除预设压力空气中的水分，得到无水分气流，从而消除空气水分中包含的预设同位素信号对同位素信号标记的影响。优选地，空气干燥机102为分子筛吸附式干燥机，经变压吸附去除空气压缩机101输出的压缩空气(压缩空气露点温度可达-40℃)中的水汽，以在实现对预设压力空气的完全干燥。进一步地，该空气干燥机102被制成双塔式干燥机，从而能够保证分子筛能够快速循环再生，实现为后续装置提供连续的特定流速的干燥气流，同时，也可节约标记过程中的成本。进一步优选地，分子筛吸附式干燥机采用高性能活性氧化铝吸附剂，从而提高干燥机的抗压强度和抗液态水浸泡性能，延长干燥机的使用时间。
质量流量控制器103用于对空气干燥机102输送的无水分气流的气压进行调整，以得到调整后的预设气体流速的无水分气流，从而使得混合腔107在将无水分气流和气态水混合后，能够得到室温下湿度和流速可控的同位素信号标记气流。
储水罐104用于存储包含预设同位素信号的液态水，该储水罐为较大容量的储水罐，优选地，储水罐的容量为20L，从而为长期(例如，1-3个月)的、针对全株植物叶片水同位素信号标记提供稳定的、预设同位素信号的液态水，进一步优选地，同位素信号为氢或氧同位素，从而简化同位素信号的标记和后续的测量。
蠕动泵105用于从储水罐中将包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到气化室，预先可根据同位素信号标记的应用场景不同，对蠕动泵的水流速度进行设置，以调节混合腔107中无水分气流和气态水的混合比，从而调整混合后水气的湿度。
气化室106用于将蠕动泵105泵送的、包含预设同位素信号的液态水完全转化为气态水，优选地，气化室105包括控温仪，以对气化室106的温度进行调控，以将液态水完全转化为气态水。进一步优选地，控温仪将气化室106的温度调控在220℃，使包含预设同位素信号的液态水迅速、完全转化为气态水。
混合腔107用于对质量流量控制器103调整后的预设气体流速的无水分气流和气化室106气化后的气态水进行混合，以得到室温下预设湿度和流速的同位素信号标记气流。
植物生长室108用于容置待标记植物，以在光源109的照射下，通过光合作用和同位素信号标记气流实现全株植物叶片水的标记。优选地，植物生长室108为透明聚乙烯材料制成的透明腔室，植物生长室的尺寸为40cm*40cm*40cm，这样，植物生长室108可容纳目标植物的冠层部分，并使土壤部分隔离在植物生长室108外，以避免土壤蒸发的水汽进入植物生长室108，从而提高标记的准确性。进一步优选地，植物生长室108的底板设计为双开门式，以利于目标植物放置于植物生长室内。
光源109用于在植物生长室108中容置的待标记植物进行光合作用时提供光照，以在光照条件下，通过光合作用和同位素信号标记气流实现全株植物叶片水的标记。优选地，光源109为LED模组，从而在减少能耗的同时向植物提供充足的光照。
进一步优选地，标记系统10还包括设置在蠕动泵105和气化室106之间单向阀，以用于在蠕动泵关闭后防止气化室中的液态水回流，避免连接蠕动泵的管路因水分回流导致产生气泡从而影响流速。
在本实用新型实施例中，大容量储水罐保证了液态水中同位素信号的长期不变，蠕动泵从储水罐中抽取包含预设同位素信号的液态水，将水流持续不段送至汽化室，在可控高温下快速完全汽化，确保了汽化过程中无同位素分馏，即气态水得以完全保留储水罐中液态水的同位素值，从而为标记提供了稳定的同位素信号，分子筛吸附式干燥机具有较高的抗压强度和抗液态水浸泡性能，消除了空气中水分对标记效果的影响，质量流量控制器和蠕动泵分别控制气流和水流流速，从而维持气流湿度稳定，确保可以进行长期的、针对特定湿度下全株植物的同位素富集信号标记。
实施例二：
图2示出了本实用新型实施例二提供的植物叶片水同位素富集信号标记方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
本实用新型实施例适用于实施例一中的植物叶片水同位素富集信号标记系统，以用于该系统对植物叶片水同位素富集信号进行标记，具体地，植物叶片水同位素富集信号标记方法包括以下步骤：
在步骤S201中，蠕动泵从储水罐中将包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到气化室。
在本实用新型实施例中，储水罐存储有包含预设同位素信号的液态水，该储水罐为较大容量的储水罐，优选地，储水罐的容量为20L，从而为长期(例如，1-3个月)的、针对全株植物叶片水同位素信号标记提供稳定的、预设同位素信号的液态水，进一步优选地，同位素信号为氢或氧同位素，从而简化同位素信号的标记和后续的测量。
蠕动泵从储水罐中将包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到气化室，预先可根据同位素信号标记的应用场景不同，对蠕动泵的水流速度进行设置，以用于后续混合腔调节腔中无水分气流和气态水的混合比，从而调整混合后水气的湿度。
在步骤S201中，气化室将包含预设同位素信号的液态水完全转化为气态水。
在本实用新型实施例中，气化室将蠕动泵泵送的、包含预设同位素信号的液态水完全转化为气态水，优选地，气化室包括控温仪，以对气化室的温度进行调控，以将液态水完全转化为气态水。进一步优选地，控温仪将气化室的温度调控在220℃，使包含预设同位素信号的液态水迅速、完全转化为气态水。
在步骤S201中，空气干燥机对空气压缩机输出的预设压力空气进行干燥，以去除预设压力空气中的水分，得到无水分气流。
在本实用新型实施例中，空气压缩机产生的高速空气流(最大可达40L/min)，之后经过减压阀调节至稳压(如4kg cm-2，相当于392kPa)后，传送给空气干燥机，空气干燥机对空气压缩机输出的预设压力空气进行干燥，以去除预设压力空气中的水分，得到无水分气流，从而消除空气水分中包含的预设同位素信号对同位素信号标记的影响。优选地，空气干燥机为分子筛吸附式干燥机，经变压吸附去除空气压缩机输出的压缩空气(压缩空气露点温度可达-40℃)中的水汽，以在实现对预设压力空气的完全干燥。进一步地，该空气干燥机被制成双塔式干燥机，从而能够保证分子筛能够快速循环再生，实现为后续装置提供连续的特定流速的干燥气流，同时，也可节约标记过程中的成本。进一步优选地，分子筛吸附式干燥机采用高性能活性氧化铝吸附剂，从而提高干燥机的抗压强度和抗液态水浸泡性能，延长干燥机的使用时间。
在步骤S201中，混合腔对质量流量控制器调整后的预设气体流速的无水分气流和气态水进行混合，以得到室温下预设湿度和流速的同位素信号标记气流。
在本实用新型实施例中，质量流量控制器对空气干燥机输送的无水分气流的气压进行调整，得到调整后的预设气体流速的无水分气流，从而使得混合腔在将无水分气流和气态水混合后，能够得到室温下湿度和流速可控的同位素信号标记气流。
在步骤S201中，混合腔将同位素信号标记气流输送到植物生长室，以在光源的照射下，通过光合作用和同位素信号标记气流对植物生长室中容置的待标记植物进行全株植物叶片水标记。
在本实用新型实施例中，混合腔对质量流量控制器调整后的预设气体流速的无水分气流和气化室气化后的气态水进行混合，以得到室温下预设湿度和流速的同位素信号标记气流。之后，以在光源的照射下，通过光合作用和同位素信号标记气流实现容置在植物生长室待标记植物的全株植物叶片水的标记。优选地，植物生长室为透明聚乙烯材料制成的透明腔室，植物生长室的尺寸为40cm*40cm*40cm，这样，植物生长室可容纳目标植物的冠层部分，并使土壤部分隔离在植物生长室外，以避免土壤蒸发的水汽进入植物生长室108，从而提高标记的准确性。进一步优选地，植物生长室的底板设计为双开门式，以利于目标植物放置于植物生长室内。
在本实用新型实施例中，大容量储水罐保证了液态水中同位素信号的长期不变，蠕动泵从储水罐中抽取包含预设同位素信号的液态水，将水流持续不段送至汽化室，在可控高温下快速完全汽化，确保了汽化过程中无同位素分馏，即气态水得以完全保留储水罐中液态水的同位素值，从而为标记提供了稳定的同位素信号，分子筛吸附式干燥机具有较高的抗压强度和抗液态水浸泡性能，消除了空气中水分对标记效果的影响，质量流量控制器和蠕动泵分别控制气流和水流流速，从而维持气流湿度稳定，确保可以进行长期的、针对特定湿度下全株植物的同位素富集信号标记。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种植物叶片水同位素富集信号标记系统，其特征在于，所述系统包括空气压缩机、与所述空气压缩机连通的空气干燥机、与所述空气干燥机连通的质量流量控制器、储水罐、与所述储水罐连通的蠕动泵、与所述蠕动泵连通的气化室、与所述气化室和所述质量流量控制器连通的混合腔、与所述混合腔连通的植物生长室以及光源，其中：
所述储水罐，用于存储包含预设同位素信号的液态水；
所述蠕动泵，用于从所述储水罐中将所述包含预设同位素信号的液态水以预设水流速度泵送到所述气化室；
所述气化室，用于将所述包含预设同位素信号的液态水完全转化为气态水；
所述空气干燥机，用于对所述空气压缩机输出的预设压力空气进行干燥，以去除所述预设压力空气中的水分，得到无水分气流；
所述混合腔，用于对所述质量流量控制器调整后的预设气体流速的无水分气流和所述气态水进行混合，以得到室温下预设湿度和流速的同位素信号标记气流；
所述植物生长室，用于容置待标记植物，以在所述光源的照射下，通过光合作用和所述同位素信号标记气流实现全株植物叶片水的标记。
2.如权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述标记系统还包括设置在所述蠕动泵和所述气化室之间单向阀，用于防止所述气化室中的液态水回流。
3.如权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述气化室包括控温仪，以将气化室的温度调控在220℃，使所述包含预设同位素信号的液态水迅速、完全转化为气态水。
4.如权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述空气干燥机为分子筛吸附式干燥机，以实现对所述预设压力空气的完全干燥。
5.如权利要求1所述的标记系统，其特征在于，植物生长室为透明聚乙烯材料制成的透明腔室，所述植物生长室的尺寸为40cm*40cm*40cm。
6.如权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述光源为LED模组。
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| CN201820997842.2U CN208505719U (zh) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | 一种植物叶片水同位素富集信号标记系统 |
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| CN201820997842.2U CN208505719U (zh) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | 一种植物叶片水同位素富集信号标记系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108801735A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 深圳雨伦环境科技有限公司 | 一种植物叶片水同位素富集信号标记系统及标记方法 |
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2018
- 2018-06-26 CN CN201820997842.2U patent/CN208505719U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108801735A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 深圳雨伦环境科技有限公司 | 一种植物叶片水同位素富集信号标记系统及标记方法 |
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