CN210982360U - 一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，包括有以下部件：碳标记物释放装置，包括有电机、螺杆、滑动件及注射器，所述电机与螺杆传动连接用于驱动螺杆转动，所述滑动件分别与螺杆、注射器相连接用于在螺杆带动下滑动从而挤压释放所述注射器内的碳标记物；标记箱，中空且底部开口，所述标记箱经碳标记物释放管与注射器相连通；电机控制器，经第一信号线与电机相连接。本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，在田间原位条件下对水稻植株进行¹³C原位标定，过程可控，测定精确，减少人为干扰，降低¹³C标记成本。

Description

一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统

技术领域

本实用新型属于植物同位素标记的技术领域，涉及一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，具体涉及一种在田间原位条件下采用¹³C同位素标记精确定量的水稻植株的系统。

背景技术

稳定性碳同位素(¹³C)示踪技术是研究水稻碳固定、分配和转化研究中的重要技术手段，应用¹³C同位素示踪技术可安全、可靠地进行试验实施与测定。根据¹³C标记频率的不同，目前国际上主要有3种方法：单次脉冲标记、重复脉冲标记和持续标记。脉冲标记是一种单次足量注入¹³C标记物的技术方法，与其它标记技术相比，脉冲标记具有多种优点，适合对植物光合碳分配、转运的相关研究，而且还能够提供植物不同生育期光合碳的分配与转化信息，动态监测植物光合产物在土壤中的转化情况，能够准确地反映碳在大气-植物-土壤体系中的转化与迁移过程。

首先，目前¹³C植物标记相关实验研究大都集中于实验室研究，大田原位试验观测研究相对较少，这主要是由于缺少相关实验技术支持。目前，水稻植株¹³C同位素标定技术，均需要在实验室培养条件下进行，相关专利如：中国发明专利(申请号200610019742)，中国发明专利(申请号201020608969)，中国发明专利(申请号201420390240)，中国发明专利(申请号201520633964)，中国发明专利(申请号201721161687)，均需在盆栽或秧盘等培养器皿中对水稻植株进行¹³C同位素标定。上述标定方式，由于均为单株或几株水稻在培养器皿中生长，水稻植株生长的土壤、光照、水肥条件均迥异于田间成片水稻的环境条件，因此无法克服培养容器对水稻植株生长发育造成的边际效应，难以准确模拟大田实际种植条件下的水稻植株生理过程。

其次，现有专利均使用化学反应的方式生成¹³CO₂标记物，常见方法为在标定容器中添加¹³C标记的Na₂ ¹³CO₃和HCl进行化学反应获得¹³C标记的CO₂，相关专利如：中国发明专利(申请号200610019742)，中国发明专利(申请号201721161687)。此外，除Na₂ ¹³CO₃外，也有使用Ba¹³CO₃作为¹³C标记物反应发生载体的相关专利，如：中国发明专利(申请号201020608969)，中国发明专利(申请号201420390240)。上述专利中¹³CO₂标记物发生装置中，相关化学反应速度快，CO₂释放过程难以精确控制，因而难以控制标定容器内的CO₂浓度水平，而大量研究均表明环境CO₂浓度的剧烈变动会对水稻植株的光合作用及相关生理过程产生影响，因而难以反映在大田真实环境条件下水稻植株的生理及物质转运过程的响应情况。此外，由于现有¹³C同位素标记技术，其标记物发生机构均为滴控式化学反应装置，结构复杂且供气不稳定，并且对于反应的进行程度难以实时准确监控。同时，现有专利技术中的标记物供给以及剩余标记物回收均未涉及田间条件下准确定量工作。因此，仅以现有相关专利技术难以开展田间条件下的¹³C同位素标记的精确定量研究。

最后，¹³C同位素标定研究技术，对植株影响小，能够较好地反映植株特定生理活动及相关产物的迁移转化过程。由于¹³C标定过程需要隔绝标定容器与环境之间的气体交换，因此各类¹³C同位素标定技术均需在密闭箱体内进行。相关专利：中国发明专利(申请号201020608969)，中国发明专利(申请号201520633964)，中国发明专利(申请号201721161687)，均在标定容器中同时或部分配置有温度计、湿度计、CO₂浓度传感器等标定容器内环境参数读取设备。由于¹³C标定需要植物对CO₂进行同化固定，因此标定过程对容器内光照条件有一定要求，同时考虑到标定容器与外界环境无气体交换，因此箱体内的温度、湿度在标定过程中也会由于光照产生相应变化。现有的同位素标定技术，对标定容器内的温度、湿度难以精确调控，在田间实际操作中，无有效控温措施的标定容器温度可升高至42℃，过高的温度会对标记对象的生理过程造成极大的扰动，甚至对标记作物造成不可逆的损伤，这种标记过程产生的影响有违¹³C同位素标定应减少对于实验对象扰动、能更加准确反映观测对象在自然条件下的生理规律的初衷。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，用于解决现有技术中缺乏过程可控同时能够精确定量的稳定性碳同位素¹³C标定系统的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，包括有以下部件：

碳标记物释放装置，所述碳标记物释放装置包括有电机、螺杆、滑动件及注射器，所述电机与螺杆传动连接用于驱动螺杆转动，所述滑动件分别与螺杆、注射器相连接用于在螺杆带动下滑动从而挤压释放所述注射器内的碳标记物；

标记箱，所述标记箱中空且底部开口，所述标记箱经碳标记物释放管与注射器相连通；

控制器，所述控制器经第一信号线与电机相连接，用于向电机发送驱动螺杆转动的信号。

优选地，所述滑动件包括有滑块及滑轨，所述注射器包括筒体及筒体内的活塞芯杆，所述滑块与活塞芯杆的杆端相连接，且与螺杆转动连接，并与所述滑轨滑动连接，用于通过螺杆转动带动滑块在滑轨上滑动从而推动活塞芯杆挤压释放所述筒体内的碳标记物。

更优选地，所述滑块与螺杆转动连接是指，所述滑块下部与螺杆螺纹连接，且经螺杆转动带动滑块水平移动。

进一步优选地，所述滑块的内丝螺纹为0.9-1.1mm。最优选地，所述滑块的内丝螺纹为1.0mm。

进一步优选地，所述螺杆的牙距为0.9-1.1mm。最优选地，所述螺杆的牙距为1.0mm。

更优选地，所述筒体外设有用于固定筒体的限位杆。

更优选地，所述筒体的容量范围为0-200ml。

更优选地，所述筒体的针端接口与碳标记物释放管一端经止逆阀相连通。

优选地，所述螺杆远离电机的一端设有限位器。

优选地，所述碳标记物释放管上设有三向阀。

优选地，所述标记箱的厚度为3.8-4.2mm。更优选地，所述标记箱的厚度为4mm。

优选地，所述标记箱内的顶部设有风扇，所述风扇经第二信号线与控制器相连接，所述控制器用于向风扇发送驱动风扇转动的信号。

更优选地，所述第二信号线贯穿标记箱顶部，所述标记箱顶部在第二信号线贯穿位置设有套接于第二信号线外的密封塞。

优选地，所述标记箱内的顶部设有CO₂浓度传感器和温度传感器。

优选地，所述标记箱一侧设有气压平衡器。

优选地，所述标记箱上设有循环采样气路，所述循环采样气路的管路两端分别贯穿标记箱的两侧侧壁且插入标记箱内形成循环回路，所述循环采样气路上设有采样阀。

更优选地，所述循环采样气路经采样阀可外接有采气袋。所述采样阀可为三通电子阀。

更优选地，所述循环采样气路的管路上连接有气泵。

更优选地，所述标记箱侧壁在循环采样气路的管路贯穿位置设有套接于循环采样气路外的密封环。

优选地，所述标记箱下方设有与标记箱相匹配的底座，所述底座包括支撑框和位于支撑框顶部的固定槽，所述标记箱的侧壁下端可套接于底座的固定槽内。

优选地，所述标记箱一侧设有冷凝器，所述冷凝器包括有散热片和冷凝管，所述散热片和冷凝管位于标记箱内，所述冷凝管位于散热片及标记箱侧壁之间，所述冷凝管两端贯穿所述标记箱的侧壁且设有循环泵接口。

更优选地，所述冷凝管两端外套接有保温衬管。

更优选地，所述冷凝管经循环泵接口与循环泵相连。

更优选地，所述冷凝器下方设有冷凝水导流槽，所述冷凝水导流槽上部与散热片及冷凝管的位置相匹配，所述冷凝水导流槽下部与固定槽相匹配。

优选地，所述控制器经供电线与电池相连接。

优选地，所述控制器为常规使用的步进电机控制器。所述步进电机控制器通过输出均匀电脉冲信号，精确控制步进电机转子转动角度。本领域技术人员均了解，控制器的计算比较、判断、输出指令过程、均可以利用现有技术中的集成电路模块、可编程逻辑器件、其它硬件或安装相应的软件模块来实现。例如具体来说，所述控制器为Risym公司生产42型步进电机控制器TB6600，可精确控制本发明中使用的步进电机步进速率(步距角1.8°，200步/转)。

如上所述，本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，具有以下有益效果：

(1)本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，在田间原位条件下对水稻植株进行¹³C原位标定，使研究结果更接近大田环境下水稻植株的实际生理过程响应。

(2)本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，过程可控，通过步进电机及伺服机构，可连续精确定量释放经¹³C标记的CO₂，在田间原位条件下实现了对水稻植株¹³C同位素标记物的速率可控，使标记过程稳定且持续，并可在后续试验过程中定量分析相关光合产物的转化及迁移过程。

(3)本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，在过程可控的基础上，可定量分析标定过程中¹³C标记物去向，从而实现了对目标水稻植株¹³C标记物标记量的精确测定。

(4)本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，标定箱体内的温度在标定过程中参数可查可控，并且在¹³C标记过程中，设备内CO₂浓度和温度始终保持相对恒定，明显减少以往标记技术中大幅度CO₂浓度变化对作物光合作用生理过程的人为干扰，并可显著提高作物对¹³C标定CO₂的固定效率，大大降低了以往¹³C标定过程由于环境因子受人为扰动而对水稻植株造成的影响。

(5)本实用新型提供的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，除¹³C标记物外，本技术所有设备及材料均可多次重复利用，大幅度降低水稻植株的¹³C标记成本。

附图说明

图1显示为本实用新型的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统的结构示意图。

附图标记

1 碳标记物释放装置

11 电机

12 螺杆

13 滑动件

131 滑块

132 滑轨

14 注射器

141 筒体

142 活塞芯杆

15 限位杆

16 限位器

2 标记箱

21 风扇

22 CO₂浓度传感器

23 温度传感器

24 气压平衡器

3 控制器

4 碳标记物释放管

41 止逆阀

42 三向阀

5 第一信号线

6 第二信号线

61 密封塞

7 循环采样气路

71 密封环

8 底座

81 支撑框

82 固定槽

9 冷凝器

91 散热片

92 冷凝管

93 循环泵接口

94 保温衬管

95 冷凝水导流槽

10 电池

101 供电线

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1所示，本实用新型提供一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，包括有以下部件：

碳标记物释放装置1，所述碳标记物释放装置1包括有电机11、螺杆12、滑动件13及注射器14，所述电机11与螺杆12传动连接用于驱动螺杆12转动，所述滑动件13分别与螺杆12、注射器14相连接用于在螺杆12带动下滑动从而挤压释放所述注射器14内的碳标记物；

标记箱2，所述标记箱2中空且底部开口，所述标记箱2经碳标记物释放管4与注射器14相连通；

控制器3，所述控制器3经第一信号线5与电机11相连接，用于向电机11发送驱动螺杆12转动的信号。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述滑动件13包括有滑块131及滑轨132，所述注射器14包括筒体141及筒体141内的活塞芯杆142，所述滑块131与活塞芯杆142的杆端相连接，且与螺杆12转动连接，并与所述滑轨132滑动连接，用于通过螺杆12转动带动滑块131在滑轨132上滑动从而推动活塞芯杆142挤压释放所述筒体141内的碳标记物。

进一步来说，所述滑块131与螺杆12转动连接是指，所述滑块131下部与螺杆12螺纹连接，且经螺杆12转动带动滑块131水平移动。从而将步进电机输出的回转运动转化为直线运动，用于带动滑块131在滑轨132滑动，推动活塞芯杆142挤压，实现筒体141内的碳标记物精确定速、定量释放。

具体来说，所述滑块131的内丝螺纹为0.9-1.1mm，优选为1.0mm。

具体来说，所述螺杆12的牙距为0.9-1.1mm，优选为1.0mm。

进一步来说，如图1所示，所述筒体141外设有用于固定筒体141的限位杆15，用于固定筒体141位置，避免活塞芯杆142在挤压筒体141释放碳标记物时，筒体141发生移动从而导致无法准确控制碳标记物的释放速率。

进一步来说，所述筒体141的材质为PVC。

进一步来说，所述筒体141的容量范围为0-200ml。

进一步来说，如图1所示，所述筒体141的针端接口与碳标记物释放管4一端经止逆阀41相连通。所述筒体141的针端接口为标准鲁尔接口。所述止逆阀4用于防止筒体141内的碳标记物逆流。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述螺杆12远离电机11的一端设有限位器16。所述限位器16用于固定螺杆12的位置。

在一个优选的实施例中，所述碳标记物为¹³C标记的CO₂。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述碳标记物释放管4上设有三向阀42。所述三向阀42为标准鲁尔口三向阀。所述三向阀42通过开闭用于控制筒体141内的碳标记物经碳标记物释放管4的释放。

在一个优选的实施例中，所述标记箱2的材质为透明亚克力板材。

在一个优选的实施例中，所述标记箱2的透光率为96-98％，优选为97％。

在一个优选的实施例中，所述标记箱2的厚度为3.8-4.2mm，优选为4mm。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述标记箱2内的顶部设有风扇21，所述风扇21经第二信号线6与控制器3相连接，所述控制器3用于向风扇21发送驱动风扇21转动的信号。所述风扇21用于在标记箱2内输入碳标记物后混合标记箱2内的气体。

进一步地，如图1所示，所述第二信号线6贯穿标记箱2顶部，所述标记箱2顶部在第二信号线6贯穿位置设有套接于第二信号线6外的密封塞61。起到密封的作用。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述标记箱2内的顶部设有CO₂浓度传感器22和温度传感器23。所述CO₂浓度传感器22为常规使用的CO₂浓度传感器，可从市场上购买获得。具体来说，CO₂浓度传感器22为由SenseAir公司生产K30型CO₂浓度传感器。所述温度传感器23为常规使用的温度传感器，可从市场上购买获得。具体来说，温度传感器23为由BOSCH公司生产BMP180型温度传感器。所述CO₂浓度传感器22和温度传感器23经数据线可外接电脑通过显示器用于监控标记箱2内的CO₂相对浓度和温度。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述标记箱2一侧设有气压平衡器24。所述气压平衡器24为铝箔气袋制作的连通器，用于标记箱2平衡箱内外气压，保证标记箱2内外气压一致。所述气压平衡器24所使用材料可从市场上购买获得。具体来说，气压平衡器24为由大连德霖科技有限公司生产200ml型号铝箔气袋制成。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述标记箱2上设有循环采样气路7，所述循环采样气路7的管路两端分别贯穿标记箱2的两侧侧壁且插入标记箱2内形成循环回路，所述循环采样气路7上设有采样阀。用于使标记箱2内的气体通过循环采样气路7的管路循环回流。

进一步地，所述循环采样气路7经采样阀可外接有采气袋。所述采样阀可为三通电子阀。所述采气袋为真空铝箔气袋，其采用品牌及型号同气压平衡器24所使用气袋。所述采气袋可用于采集循环采样气路7内的气体。

进一步地，所述循环采样气路7的管路上连接有气泵。所述气泵用于驱动循环采样气路7内的气体流动。

进一步地，所述标记箱2侧壁在循环采样气路7的管路贯穿位置设有套接于循环采样气路7外的密封环71。从而起到密封作用，防止气体泄漏。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述标记箱2下方设有与标记箱2相匹配的底座8，所述底座8包括支撑框81和位于支撑框81顶部的固定槽82，所述标记箱2的侧壁下端可套接于底座8的固定槽82内。所述固定槽82可加液体进行液封。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述标记箱2一侧设有冷凝器9，所述冷凝器9包括有散热片91和冷凝管92，所述散热片91和冷凝管92位于标记箱2内，所述冷凝管92位于散热片91及标记箱2侧壁之间，所述冷凝管92两端贯穿所述标记箱2的侧壁且设有循环泵接口93。所述冷凝器9可用于调节标记箱2内温度，使标记箱2内环境温度低于38℃。

进一步地，所述冷凝管93两端外套接有保温衬管94。所述保温衬管94可用于保温。所述保温衬管94为发泡塑料材质的保温衬管。所述冷凝管94为铜管。

进一步地，所述冷凝管94经循环泵接口93与循环泵相连，通过循环泵向冷凝器9输送冷凝水，进行降温。

进一步地，如图1所示，所述冷凝器9下方设有冷凝水导流槽95，所述冷凝水导流槽95上部与散热片91及冷凝管92的位置相匹配，所述冷凝水导流槽95下部与固定槽82相匹配。所述冷凝水导流槽95上部与散热片91和冷凝管92的位置相匹配，便于冷凝水导流，使散热片91和冷凝管92产生的冷凝水能够准确流入冷凝水导流槽95内，不会发生溅落到待标定水稻植株上的情况。所述冷凝水导流槽95下部与固定槽82相匹配，便于冷凝水导流，使散热片91和冷凝管92产生的冷凝水经冷凝水导流槽95落入固定槽82，不会发生溅落到待标定水稻植株上的情况，同时增加了液封所需的水。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述控制器3经供电线101与电池10相连接。所述电池10为12V铅酸蓄电池。

在一个优选的实施例中，如图1所示，所述控制器3为常规使用的步进电机控制器。所述步进电机控制器通过输出均匀电脉冲信号，精确控制步进电机转子转动角度。本领域技术人员均了解，控制器的计算比较、判断、输出指令过程、均可以利用现有技术中的集成电路模块、可编程逻辑器件、其它硬件或安装相应的软件模块来实现。例如具体来说，所述控制器3为Risym公司生产42型步进电机控制器TB6600，可精确控制本发明中使用的步进电机步进速率(步距角1.8°，200步/转)。

下面结合图1，说明本实用新型中一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统的使用过程。

使用者获得如图1所示的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，在标定开始前40-50h，先将底座8固定在待标定稻田土壤中，即将支撑框81固定在待标定稻田土壤中，从而将待标定水稻植株所在的稻田区域围于底座8中间。

然后在正式标定前20-30h，将标记箱2套接在底座8上封闭，即将标记箱2的侧壁下端套接于底座8的固定槽82内，将待标定水稻植株罩入标记箱2内，将田间水灌入底座8的固定槽82内，从而对标记箱2与底座8之间进行液封，防止标记箱2内外气体交换，影响标定结果准确性。在日间不同时间段内，其时间区段为0.5h或1h，设定日间不同时间段的抽样时间段，分别测定标记箱2在抽样时间段开始时的体积CO₂浓度C₁和抽样时间段结束时的体积CO₂浓度C₂，同步测定标记箱2各对应抽样时间段内的光照强度，按公式(1)分别计算获得不同时间段内的待标定水稻植株的净CO₂同化速率F_npr，C₁和C₂采用由循环采样气路7经采样阀通过采气袋采集后通过气相色谱法测定CO₂浓度。

公式(1)为：F_npr＝(C₁×V_chamber-C₂×V_chamber)/T_duration，

式(1)中，F_npr为待标定水稻植株在对应时间段的净CO₂同化速率，cm³·h^-1；C₁为标记箱在抽样时间段开始时的体积CO₂浓度，ppmv；C₂为标记箱抽样时间段结束时的体积CO₂浓度，ppmv；V_chamber是标记箱内的空气体积，cm³；T_duration是抽样时间段的时长，h。

采用便携式数字照度仪测定抽样时间段内的光照强度平均值。以光照强度(单位：lx)为横坐标、净CO₂同化速率(cm³·h^-1)为纵坐标，获得净CO₂同化速率曲线，确定待标定水稻植株在光饱和条件下最大净CO₂同化速率及其时间段。

根据确定的最大净CO₂同化速率出现的时间段进行标定，在最大净CO₂同化速率出现的时间段内，将标记箱2套接在底座8上封闭后，即将标记箱2的侧壁下端套接于底座8的固定槽82内，将待标定水稻植株罩入标记箱2内，将田间水灌入底座8的固定槽82内，从而对标记箱2与底座8之间进行液封，防止标记箱2内外气体交换，影响标定结果准确性。然后，输入¹³C的CO₂气体，即通过由电池10供电的控制器3，经第一信号线5向电机11发送驱动螺杆12转动的信号，使电机11驱动螺杆12转动，通过螺杆12转动从而带动滑块131在滑轨132滑动，进而推动活塞芯杆142的活塞端挤压释放所述筒体141内富集的¹³C标记的CO₂标记物。筒体141内的¹³C标记的CO₂标记物经碳标记物释放管4流入标记箱2内，从而使¹³C-CO₂逐步替换¹²C-CO₂。

在标定T_labelling时间后，测定标记箱2内剩余气体中体积CO₂浓度C_CO2以及¹³C-CO₂的绝对原子丰度F_13C，即标记箱2内剩余气体中CO₂浓度通过循环采样气路7，经采气袋采集CO₂以及¹³C标记CO₂，通过气相色谱仪测定体积CO₂浓度，通过气体同位素质谱测定¹³C标记CO₂的绝对原子丰度，再按公式(2)、(3)计算水稻植株中标定¹³C标记物的含量n_13C。

公式(2)为：n_13C＝(p×V_13C)/(R×T)，

式(2)中，n_13C为水稻植株中标定¹³C标记物的含量，mol；p是标定时的大气压强，Pa；V_13C是标定结束时植株固定的¹³C-CO₂总体积，dm³；R是气体常量，其值为8.314J/mol·K；T为标定结束时标记箱内气温的热力学温度值，K；

公式(3)为：V_13C＝T_labelling×R_NAR–C_CO2×V_chamber×F_13C，

式(3)中，V_13C是标定结束时植株固定的¹³C-CO₂总体积，dm³；T_labelling是标定时长，h；R_NAR是水稻植株的最大净CO₂同化速率，ml·h^-1；C_CO2是标定结束后标记箱内剩余体积CO₂的浓度，ppmv；V_chamber是标记箱内的空气体积，cm³；F_13C是标定结束后标记箱内剩余CO₂中¹³C-CO₂的绝对丰度值，atom％。

其中，气相色谱仪为配备了FID检测器的Angilent-7890A气相色谱，采用手动进样方法对气体样品中的CO₂浓度进行测定，方法详见：邹建文,王跃思.稻田CO₂、CH₄和N₂O排放通量测定方法研究[J].南京农业大学学报,2002,25(4):45-48。气体同位素质谱为ThermoScientific GasBench生产的Delta V Plus稳定同位素比例质谱仪，测定方法详见Analysis of Carbon Dioxide(CO₂)by GasBench-IRMS，网址https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/co2.html。

测定完成后，关机并及时开启标记箱2，在标定过程中，通过温度传感器23测定所述标记箱内环境温度≤38℃，当所述标记箱2内环境温度过高时，利用循环水泵，启动冷凝器9输入冰水混合物降低标记箱2内环境温度，使箱内温度相对恒定。同时，可利用风扇21混合标记箱2内CO₂气体。

具体实例如下：

使用者获得如图1所示的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，在标定开始前48h，先将底座8固定在待标定稻田土壤中即将支撑框81固定在待标定稻田土壤中，从而将待标定水稻植株所在的稻田区域围于底座8中间。

然后在正式标定前24h，将标记箱2套接在底座8上封闭，即将标记箱2的侧壁下端套接于底座8的固定槽82内，将待标定水稻植株罩入标记箱2内，将田间水灌入底座8的固定槽82内，从而对标记箱2与底座8之间进行液封，防止标记箱2内外气体交换，影响标定结果准确性。在日间不同时间段内，其时间区段为1h，具体为7:00-8:00、8:00-9:00、9:00-10:00、10:00-11:00、11:00-12:00、12:00-13:00、13:00-14:00、14:00-15:00、15:00-16:00、16:00-17:00。然后，再设定抽样时间段为30min，分别测定标记箱2在抽样时间段开始时的体积CO₂浓度C₁和抽样时间段结束时的体积CO₂浓度C₂，并同步测定标记箱2各对应抽样时间段内的光照强度，按公式(1)分别计算获得不同时间段内的待标定水稻植株的净CO₂同化速率F_npr，C₁和C₂采用由循环采样气路7经采样阀通过采气袋采集后通过气相色谱法测定CO₂浓度。

采用便携式数字照度仪测定光照强度。以光照强度(单位：lx)为横坐标、净CO₂同化速率(cm³·h^-1)为纵坐标，获得净CO₂同化速率曲线，确定待标定水稻植株在光饱和条件下最大净CO₂同化速率及其时间段。

以上午10:00-11:00的时间段为例，分别在抽样开始时0min、抽样结束时30min(即抽样时间段)，采集标记箱2内气体样品，通过气相色谱测定体积CO₂浓度，得到0min时C₁为400ppmv，30min时C₂为250ppmv，由于标记箱2体积为1m³，将上述数值代入公式(1)：F_npr＝(C₁×V_chamber-C₂×V_chamber)/T_duration，得到在上午10:00-11:00这一时间段内，待标定水稻植株净CO₂同化速率为：300cm3·h^-1。采用便携式数字照度仪同步测定30min时间内的光照强度，获得光照强度为65000lx。以此类推分别测定日间各时间段的C₁和C₂值，分别根据公式(1)计算获得相应的标定水稻植株净CO₂同化速率。同步测定相应的抽样时间段内的光照强度。以光照强度(单位：lx)为横坐标、净CO₂同化速率(cm³·h^-1)为纵坐标，获得净CO₂同化速率曲线，比较待标定水稻植株在不同时间段的净CO₂同化速率，得出水稻植株净CO₂同化速率随光照强度增加而增加，当光照强度大于55000lx时，光照强度继续上升但水稻植株净CO₂浓度不再变化，则可以确定，此时水稻植株的光饱和点为55000lx，此时水稻植株达到最大净CO₂同化速率，获得待标定水稻植株在光饱和条件下日间的最大净CO₂同化速率为300cm3·h^-1，最大净CO₂同化速率出现的时间段为上午9:00至下午16:00。

在最大净CO₂同化速率出现的时间段内，将标记箱2套接在底座8上封闭后，即将标记箱2的侧壁下端套接于底座8的固定槽82内，将待标定水稻植株罩入标记箱2内，将田间水灌入底座8的固定槽82内，从而对标记箱2与底座8之间进行液封，防止标记箱2内外气体交换，影响标定结果准确性。然后，输入¹³C的CO₂气体，即通过由电池10供电的控制器3，经第一信号线5向电机11发送驱动螺杆12转动的信号，使电机11驱动螺杆12转动，通过螺杆12转动从而带动滑块131在滑轨132滑动，进而推动活塞芯杆142的活塞端挤压释放所述筒体141内富集的¹³C标记的CO₂标记物。筒体141内的¹³C标记的CO₂标记物经碳标记物释放管4流入标记箱2内，从而使¹³C-CO₂逐步替换¹²C-CO₂。可利用风扇22混合标记箱2内CO₂气体。由于电机11为步进电机，可调整¹³C标记的CO₂的释放速率至CO₂同化速率为300cm3·h^-1，标定时间在上午9:00至下午16:00时间段内完成。测定标记箱内剩余气体中体积CO₂浓度C_CO2以及¹³C-CO₂的绝对原子丰度F_13C，即标记箱2内剩余气体中CO₂浓度通过循环采样气路，经采气袋采集CO₂以及¹³C标记CO₂，通过气相色谱仪测定体积CO₂浓度，通过气体同位素质谱测定¹³C标记CO₂的绝对原子丰度，由于标记箱2体积为1m³，测定获得标记箱2内剩余气体中CO₂浓度为400ppmv，CO₂的¹³C绝对丰度值为10.0atom％。再按公式(2)、(3)计算水稻植株中标定¹³C标记物的含量n_13C，可得本次标定的¹³C标记物总量为：1.045×10^-2mol。

测定完成后，关机并及时开启标记箱2，在标定过程中，通过温度传感器23测定所述标记箱2内环境温度为30℃≤38℃，大气压强为101.325kPa。

由上述标定系统及其标定方法可知，相比现有的盆栽实验和实验室培养，该标定系统及其标定方法可在实际田间进行原位标记，测定结果是植株实际生长过程中的真实反映。该标定系统及其标定方法，全标记过程精确可控，标记过程中温度等环境因子相对可控，其封闭环境对植株的人为干扰小，¹³C标记总量可精确定量，标记结果准确。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，包括有以下部件：

碳标记物释放装置(1)，所述碳标记物释放装置(1)包括有电机(11)、螺杆(12)、滑动件(13)及注射器(14)，所述电机(11)与螺杆(12)传动连接用于驱动螺杆(12)转动，所述滑动件(13)分别与螺杆(12)、注射器(14)相连接用于在螺杆(12)带动下滑动从而挤压释放所述注射器(14)内的碳标记物；

标记箱(2)，所述标记箱(2)中空且底部开口，所述标记箱(2)经碳标记物释放管(4)与注射器(14)相连通；

控制器(3)，所述控制器(3)经第一信号线(5)与电机(11)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述滑动件(13)包括有滑块(131)及滑轨(132)，所述注射器(14)包括筒体(141)及筒体(141)内的活塞芯杆(142)，所述滑块(131)与活塞芯杆(142)的杆端相连接，且与螺杆(12)转动连接，并与所述滑轨(132)滑动连接，用于通过螺杆(12)转动带动滑块(131)在滑轨(132)上滑动从而推动活塞芯杆(142)挤压释放所述筒体(141)内的碳标记物。

3.根据权利要求2所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述筒体(141)包括以下条件中的任一项或多项：

A1)所述筒体(141)外设有用于固定筒体(141)的限位杆(15)；

A2)所述筒体(141)的容量范围为0-200ml；

A3)所述筒体(141)的针端接口与碳标记物释放管(4)一端经止逆阀(41)相连通。

4.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述标记箱(2)内的顶部设有风扇(21)，所述风扇(21)经第二信号线(6)与控制器(3)相连接；所述标记箱(2)内的顶部设有CO₂浓度传感器(22)和温度传感器(23)；所述标记箱(2)一侧设有气压平衡器(24)。

5.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述标记箱(2)上设有循环采样气路(7)，所述循环采样气路(7)的管路两端分别贯穿标记箱(2)的两侧侧壁且插入标记箱(2)内形成循环回路，所述循环采样气路(7)上设有采样阀。

6.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述标记箱(2)下方设有与标记箱(2)相匹配的底座(8)，所述底座(8)包括支撑框(81) 和位于支撑框(81)顶部的固定槽(82)，所述标记箱(2)的侧壁下端可套接于底座(8)的固定槽(82)内。

7.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述标记箱(2)一侧设有冷凝器(9)，所述冷凝器(9)包括有散热片(91)和冷凝管(92)，所述散热片(91)和冷凝管(92)位于标记箱(2)内，所述冷凝管(92)位于散热片(91)及标记箱(2)侧壁之间，所述冷凝管(92)两端贯穿所述标记箱(2)的侧壁且设有循环泵接口(93)。

8.根据权利要求7所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述冷凝管(92)两端外套接有保温衬管(94)；所述冷凝器(9)下方设有冷凝水导流槽(95)，所述冷凝水导流槽(95)上部与散热片(91)及冷凝管(92)的位置相匹配，所述冷凝水导流槽(95)下部与固定槽(82)相匹配。

9.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述碳标记物释放管(4)上设有三向阀(42)。

10.根据权利要求1所述的一种水稻植株的碳同位素田间原位标定系统，其特征在于，所述控制器(3)经供电线(101)与电池(10)相连接。

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