專利名稱：一種測定作物活體生物量變化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于測定作物活體生物量變化的裝置。屬于農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中，經(jīng)常需要對作物進行某種處理，把生物量的變化作為一種指標， 來分析研究該處理對作物生長的影響，這時就需要測定作物的生物量。作物的生物量包括 兩個部分， 一部分是地上部分的莖葉花果實種子，另一部分是地下部分的根(地下根或地 下莖)。按照常規(guī)的方法，在實驗室條件下，為了研究某種處理對作物生物量變化的影響， 需要進行大量的盆栽試驗，在試驗過程中，需要在作物的不同的生育階段將作物苗挖出， 去除土進行稱重(干重或鮮重)來研究該處理對作物生物量的影響。不難看出，這種試驗 方法存在一定的問題，①試驗規(guī)模較大，為了研究某種處理在不同生育階段對作物生物量 的影響，需要在不同的生育階段挖出作物苗稱重研究，因此需要種植較大群體的作物苗來 滿足試驗要求；②工作量較大，為了研究某種處理對作物活體生物量在全生育期的變化規(guī) 律，需要在不同生育時期進行取樣稱量，加之試驗規(guī)模較大，工作量隨之就很大；③通過 這種方法來研究作物生物量的變化規(guī)律，其結(jié)果是用統(tǒng)計方法得到的，不能得到單株作物 生物量生長便化的曲線，為了使結(jié)果更具有代表性，試驗種植規(guī)模和工作量就越大； 這 種試驗方法不能將作物的所有生物量測定出來，其中地下部分的根就很難完全取出稱量； ⑤這種研究方法不能自動、連續(xù)、簡單地實現(xiàn)作物活體生物量變化的測量。
在對作物活體生物量變化的研究中，目前尚沒有能夠自動、連續(xù)、簡單地研究作物活 體生物量變化的裝置。

實用新型內(nèi)容
本實用新型旨在提供一種能精確測定作物活體生物量變化的裝置。主要利用半透性材 料和具有恒定水勢的溶液來控制土壤水勢恒定，進而保證土壤含水量穩(wěn)定，在此條件下栽盆重量的變化就是作物活體生物量的變化。
為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型采取如下技術(shù)方案
一種測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，該裝置包括恒定水壓供水裝置， 自動控制進水裝置，半透性材料控水裝置，微孔容器，栽盆和稱量設(shè)備；恒定水壓供水裝 置，自動控制進水裝置，半透性材料控水裝置均設(shè)有進水口和出水口，微孔容器設(shè)有進水 口；恒定水壓供水裝置的出水口連接自動控制進水裝置的進水口，自動控制進水裝置的出 水口連接半透性材料控水裝置的進水口 ，半透性材料控水裝置的出水口連接微孔容器的進 水口，微孔容器置于栽盆中，栽盆置于稱量設(shè)備上，其中
恒定水壓供水裝置為一裝水容器，該裝置能以恒定的水壓向外供水，如馬力奧特瓶。 自動控制進水裝置為一盛裝恒定水勢溶液的容器，溶液不充滿整個容器，除溶液以外 部分裝有空氣，該部分空氣處于封閉狀態(tài)，氣壓恒定；該裝置能夠自動控制向恒定水勢溶 液的進水量，保證其體積和濃度的恒定
半透性材料控水裝置為一盛裝液體的容器，通過設(shè)于容器中部附近的半透性材料將容 器分成兩個腔體，分別設(shè)有進水口和出水口，與進水口連接的腔體內(nèi)裝有恒定水勢溶液， 與出水口連接的腔體內(nèi)裝有水。半透性材料指的是那些允許溶液中的溶劑分子自由透過， 而溶質(zhì)不能透過的材料，如動物的膀胱、腸衣、細胞膜和利用外加壓力凈水的膜等。本實 用新型半透性材料優(yōu)選為反滲透膜或半透膜。
微孔容器為一裝水容器，容器壁上有許多孔徑微小的孔，可以用來透水，但不能透過 空氣和土壤。該裝置直接和土壤接觸，土壤散失的水分都是通過這個微孔容器補給的。本 實用新型微孔容器優(yōu)選為微孔陶瓷容器。其微孔直徑在250-800微米范圍內(nèi)，該微孔陶瓷 容器在其容器壁被水飽和時不能透過空氣，其進氣值較低，在0.3-0.6MPa范圍內(nèi)。進氣值: 當對水分飽和的多孔陶瓷板的一側(cè)增加氣壓到一定值時，陶瓷板開始排水，但空氣不能透 過陶瓷板，此時陶瓷板的基模吸力(與陶瓷板兩面的氣壓差對應(yīng))定義為進氣值。 微孔容器壁和半透性材料之間的水處于封閉狀態(tài)，形成一個封閉水體。 栽盆為一上端開口，側(cè)面和底部封閉的不漏水容器，用于裝填土壤和栽培作物。 稱量設(shè)備用于稱量置于其上的設(shè)備，包括微孔容器，栽盆以及作物等的重量，具有較 高的精度和較大的稱量范圍。
進一步，上述恒定水壓供水裝置靠近出水口附近設(shè)有進氣口，該進氣口位于水面以下,在整個裝置工作時處于打開狀態(tài)；進水口在整個裝置工作時處于關(guān)閉狀態(tài)。注水時，先封 閉下端的出水口和進氣口，然后打開上端的進水口注水；至一定量后，先關(guān)閉上端的進水 口，然后打開出水口供水，最后打開進氣口，即可實現(xiàn)恒定水壓供水。在工作期間需要注 水時，先將出水口和進氣口封閉，接著打開進水口注水，注水結(jié)束后，先關(guān)閉進水口，再 打開出水口，最后打開進氣口。該裝置的工作原理簡述如下水壓的計算公式/^/)XgW中， 為水的密度1000kg/m3， g為重力加速度約9.8m/s2， 為該裝置進氣口到自動控制進水裝 置的滴水管出口間的豎直高度(m)。因此在該裝置使用過程中，只要保持A的大小不變， 即保持該裝置和自動控制進水裝置間的相對位置固定，該裝置就能以恒定的水壓向自動控 制進水裝置供水。
上述自動控制進水裝置的進水口向裝置內(nèi)腔延伸進去一段，形成一個懸置于裝置內(nèi)腔 的滴水管，可以形成水滴。該裝置的工作原理簡述如下當該裝置向半透性材料控水裝置 供水時，該裝置中的恒定水勢溶液減少，液面下降，使得液面上部的封閉空氣體積增大， 壓強減小，于是滴水管開始滴水，液面逐漸升高，直至空氣壓強恢復(fù)到初始水平為止，此 時液面上升到初始高度，空氣體積恢復(fù)到初始體積，恒定水勢溶液的體積，濃度，水勢等 數(shù)值均保持不變。
上述恒定水勢溶液用高分子量、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)配制，其濃度和水勢具有一一對 應(yīng)關(guān)系，可以計算或測定。如聚乙二醇(PEG)，水勢通過下述公式進行計算， ^PEG=1.29x[CPEG]2xr-140x[CPEG]2-4x[CPEG]，仰eg:水勢(bar), T:溫度(°C)， CPEG:聚 乙二醇濃度(g/g),水勢誤差在5%以內(nèi)。根據(jù)上述公式可以計算欲控制土壤水勢的水平， 上述公式適宜的PEG濃度范圍為0-0.8g/g，適宜作物生長的PEG濃度范圍是0-0.3g/g。
上述各裝置之間的連接方式均為使用橡皮管連接。
更進一步，作為本實用新型裝置的一種簡化，上述自動控制進水裝置和半透性材料控 水裝置用于盛裝恒定水勢溶液的腔體共用同一個容器?；蛘哒f自動控制進水裝置同時充當 半透性材料控水裝置用于盛裝恒定水勢溶液的腔體。
與現(xiàn)有的研究作物活體生物量變化的裝置相比，本實用新型的優(yōu)勢在于
1. 本實用新型裝置能夠?qū)⒆魑锏叵虏糠种亓孔兓瘻蚀_地稱量出來，傳統(tǒng)的方法就有難度；
2. 本實用新型裝置能夠連續(xù)跟蹤研究作物生物量動態(tài)變化；3. 本實用新型裝置能使試驗規(guī)模得到有效的控制，比起傳統(tǒng)方法來說小多了；
4. 本實用新型裝置能使試驗工作量大大減少，與傳統(tǒng)的方法比較，減少了澆水挖取地下部
5. 等的工作量；
本實用新型裝置節(jié)省了財力物力人力，提高了工作效率。


圖1是本實用新型實施例各功能部件連接示意圖 圖2是本實用新型實施例恒定水壓供水裝置示意圖 圖3是本實用新型實施例自動控制進水裝置示意圖 圖4(a)是本實用新型實施例半透性材料控水裝置立體結(jié)構(gòu)圖 (b)是本實用新型實施例半透性材料控水裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)圖 圖5是本實用新型實施例自動控制進水裝置和半透性材料控水裝置簡化結(jié)構(gòu)示意圖 圖6是本實用新型實施例自動控制進水裝置和半透性材料控水裝置簡化結(jié)構(gòu)立體圖 其中
1- 恒定水壓供水裝置
2- 自動控制進水裝置
3- 半透性材料控水裝置
4- 微孔陶瓷容器 5畫栽盆
6- 作物植株
7- 稱量設(shè)備
11-進水口 12-水面 13-進氣口
14-出水口 21-進水口 22-滴水管
23-液面 24-出水口 31-夾板
32-螺釘孔 33-螺釘 34-反滲透膜
35-進水口 36-出水口具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述
如附圖l所示，本裝置由恒定水壓供水裝置l,自動控制進水裝置2，半透性材料控水
裝置3，微孔陶瓷容器4，栽盆5和稱量設(shè)備7組成。
如附圖2所示，恒定水壓供水裝置1是一個圓柱形的裝水容器，上端設(shè)有進水口ll, 下端設(shè)有出水口14，出水口 14通過橡皮管連接自動控制進水裝置2的進水口21,靠近出 水口 14設(shè)有進氣口 13,進氣口 13位于水面12以下，在正常使用過程中進水口 11處于關(guān) 閉狀態(tài)，進氣口13處于開啟狀態(tài)。該裝置能以恒定的水壓向外供水。注水時，先封閉下 端的出水口 14和進氣口 13，然后打開上端的進水口 ll注水；至所需的量后，先關(guān)閉上端 的進水口 11,然后打開出水口 14，最后打開進氣口 13，即可實現(xiàn)恒定水壓供水。在工作 期間需要注水時，先將出水口 14和進氣口 13封閉，接著打開進水口 11注水，注水結(jié)束后， 先關(guān)閉進水口 11,再打開出水口 14，最后打開進氣口 13。該裝置的工作原理簡述如下 水壓的計算公式i^pxgW中，戶為水的密度1000kg/m3， g為重力加速度約9.8m/s2, 為該 裝置進氣口到自動控制進水裝置的滴水管出口間的豎直高度(m)。因此在該裝置使用過程 中，只要保持A的大小不變，即保持該裝置和自動控制進水裝置2間的相對位置固定，該 裝置就能以恒定的水壓向自動控制進水裝置2供水。
如附圖3所示，自動控制進水裝置2是一個圓柱狀的盛裝恒定水勢溶液的容器，上端 設(shè)有進水口 21,進水口 21通過橡皮管連接恒定水壓供水裝置的出水口 14，進水口 21向 裝置內(nèi)腔延伸進去一段，形成滴水管22，用來形成水滴，液面23位于容器中部上下；其 上方區(qū)域A裝有封閉空氣，氣壓恒定，下端設(shè)有出水口24，出水口24通過橡皮管和半透 性材料控水裝置3的進水口 35相連。該裝置能夠自動控制向恒定水勢溶液的進水量，保 證其體積和濃度恒定，進而保證恒定水勢溶液的水勢恒定。該裝置的工作原理簡述如下 當該裝置供水時，該裝置中的恒定水勢溶液量減少，液面下降，使得液面上部的封閉空氣 體積增大，氣壓減小，于是滴水管開始滴水，液面逐漸升高，直至空氣壓強恢復(fù)到初始水 平為止，此時液面上升到初始高度，空氣體積恢復(fù)到初始體積，恒定水勢溶液的體積，濃 度，水勢等數(shù)值均保持不變。
上述恒定水勢溶液由化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)配制，如氯化鈉之類的強電解質(zhì)或聚乙二醇 之類的高分子物質(zhì)均可。該溶液的水勢和溶液的濃度一一對應(yīng)，可以通過計算或者測量得 到。以聚乙二醇(PEG )為例，水勢可通過下述公式進行計算，pPEG=1.29x[CPEG]2xr-140x[CPEG]2-4x[CPEG],仰eg:水勢(bar), r:溫度(。C)， Cpeg:聚乙二 醇濃度(g/g),水勢誤差在5%以內(nèi)。根據(jù)上述公式可以計算欲控制土壤水勢的水平，上述 公式適宜的PEG溶液的濃度范圍是0~0.8g/g，適宜作物生長的PEG濃度范圍是0—0.3g/g。
如附圖4所示，半透性材料控水裝置3是一個近似于球形的盛裝液體的容器，容器中 部設(shè)有反滲透膜34，反滲透膜34通過支撐板31夾持固定并和整個容器密封，支撐板31 的中間被挖掉形成一個空洞以便溶液通過，支撐板31之間通過螺釘33固定。反滲透膜34 將整個裝置分成C和D兩個獨立腔體。C腔體設(shè)有進水口 35，和自動控制進水裝置2的 出水口24連接，該腔體內(nèi)裝有恒定水勢溶液，D腔體設(shè)有出水口36，和微孔陶瓷容器4 的進水口連接，該腔體內(nèi)裝有水，從反滲透膜34到微孔陶瓷容器4之間的這一部分水體 處于封閉狀態(tài)。反滲透膜34把封閉水體和恒定水勢溶液分隔開，成為兩者之間水交換的 介質(zhì)，水分子可以自由透過，恒定水勢溶液中的溶質(zhì)分子則不能透過。本實施例使用的反 滲透膜的型號為PA1-4040,在大約1Pa的壓力條件下，反滲透膜34的透水能力是 1.2255m3/m2/h。
微孔陶瓷容器4是一個圓柱形的裝水容器，其容器壁被水飽和，容器壁上有許多孔徑 在250-800微米范圍的微孔，進氣值較低，在0.3-0.6MPa范圍內(nèi)，在壓力差很小的情況下 就可以排出微孔陶瓷容器壁的水。該裝置和土壤直接接觸，土壤散失的水分都是通過該裝 置補給的。
栽盆5是一個側(cè)面和底部密封良好，不漏水的柱狀容器，上端開口，能盛裝土壤和栽 培作物6;
稱量設(shè)備7用來監(jiān)測作物活體重量的變化過程，稱量精度較高，最小稱樣量是lg，最 大稱量值為60kg。整個栽盆、栽盆內(nèi)的土壤、微孔陶瓷容器4及微孔陶瓷容器內(nèi)的水、植 株的重量都加在稱量設(shè)備上，發(fā)生變化的只有作物活體重量。
使用本實用新型裝置時，首先將微孔陶瓷容器4和半透性材料控水裝置3連接，并在 微孔陶瓷容器4和半透性材料控水裝置3的裝水腔體中裝水。為了能使裝置更好地工作， 裝水時應(yīng)盡可能地排出封閉水體中的空氣，最好在水下完成安裝。這一段封閉水體需要承 受一定的負壓，所以應(yīng)做好密封工作。在裝水結(jié)束后，用橡皮管連接自動控制進水裝置2 的出水口 24和半透性材料控水裝置3的進水口 35。從自動控制進水裝置2的進水口 21處 加注恒定水勢溶液，直到液面23上升至自動控制進水裝置2的中部左右。然后在恒定水壓供水裝置1中裝水，完成后封閉進水口 11和進氣口 13,用橡皮管把出水口 14和自動控 制進水裝置2的進水口21連接，之后打開進氣口 13，這樣就完成了主要功能部件的連接。 最好標明液面23的位置，作為該液面的初始高度記錄。此時將微孔容器4安裝在栽盆5 中，按一定的容重裝填土壤，過一段的時間就可以在栽盆5里移栽作物植株6，由于移栽 的作物苗根部帶土，因此宜靜候一段時間使這一部分土壤也參與水勢平衡之后再開始使用 稱量設(shè)備7稱量栽盆5的重量，以后栽盆的重量變化就是作物活體生物量的變化量。
值得說明的是，盡管加在稱量設(shè)備上的微孔容器上面連接了橡皮管，橡皮管同時連接 半透性材料供水裝置，但橡皮管和半透性材料供水裝置并不加在稱量設(shè)備上，因此有可能 產(chǎn)生這部分裝置會引起稱量結(jié)果不夠準確的顧慮。實驗發(fā)現(xiàn)，這一顧慮是沒有必要的，因 為在稱量過程中，整個裝置處于靜止狀態(tài)，這部分裝置在兩次稱量間并沒有發(fā)生重量變化， 因此這部分裝置的重量作為系統(tǒng)誤差存在，不影響兩次稱量的差值。
本裝置的核心在于恒定土壤的水勢，而恒定土壤水勢的驅(qū)動力來自土壤水勢的變化。 在使用過程中，由于作物吸收和表面蒸發(fā)，土壤的水勢有所下降，這時土壤水勢和恒定水 勢溶液的水勢之間產(chǎn)生一個水勢差,使得微孔陶瓷容器4中的水趨向于經(jīng)過微孔流向土壤， 因此封閉水體中的水量減少，由此產(chǎn)生的負壓使得位于反滲透膜34另一邊的恒定水勢溶 液中的水透過反滲透膜34進入裝水腔體，也即封閉水體，補充封閉水體散失的水分，直 到土壤水勢和溶液水勢相等，水的移動才暫時停止。封閉水體在整個過程中起到了在恒定 水勢溶液和土壤之間傳遞水分的作用，同時也起到了將土壤水勢變化向恒定水勢溶液傳遞 的作用。
當恒定水勢溶液中的水透過反滲透膜34進入封閉水體時，恒定水勢溶液的體積減小， 濃度升高，這個微小的體積變化在自動控制進水裝置2中體現(xiàn)出來，該裝置中的液面23 下降，使得液面23上端空氣體積增大，空氣壓強減小，于是自動控制進水裝置2上端的 滴水管22開始滴水，液面23升高，空氣體積減小，壓強增大，直至恢復(fù)到初始水平。此 時恒定水勢溶液的濃度和體積均保持不變，溶液的水勢也因此保持不變。
正常情況下，土壤的水勢等于或小于恒定水勢溶液的水勢，保證了上述裝置能夠正常 工作，即水從恒定水勢溶液通過反滲透膜34流向封閉水體進而通過微孔陶瓷容器4流向 土壤。當土壤水勢因為某些原因，如土壤所在區(qū)域降雨或者過多灌溉等，突然升高而高于 恒定水勢溶液時，就會發(fā)生逆流現(xiàn)象，即土壤中的水分進入微孔陶瓷容器4，封閉水體中的水分進入自動控制進水裝置2。若發(fā)生逆流現(xiàn)象，應(yīng)斷開連接恒定水壓供水裝置1和自 動控制進水裝置2的橡皮管，等恒定水勢溶液液面23恢復(fù)到初始高度記錄時，再連接該 橡皮管，值得注意的是整個過程必須保證恒定水壓供水裝置1和自動控制進水裝置2之間 的相對位置保持不變。
作為對本實用新型裝置的一種簡化，自動控制進水裝置2和半透性材料控水裝置3用 于盛裝恒定水勢溶液的腔體之間的連接方式可以省去，兩者共用同一個容器，或者說自動 控制進水裝置2同時充當半透性材料控水裝置3用于盛裝恒定水勢溶液的腔體，如附圖5 和6所示。
權(quán)利要求1.一種測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，該裝置包含恒定水壓供水裝置，自動控制進水裝置，半透性材料控水裝置，微孔容器，栽盆和稱量設(shè)備；恒定水壓供水裝置，自動控制進水裝置，半透性材料控水裝置均設(shè)有進水口和出水口，微孔容器設(shè)有進水口；恒定水壓供水裝置的出水口連接自動控制進水裝置的進水口，自動控制進水裝置的出水口連接半透性材料控水裝置的進水口，半透性材料控水裝置的出水口連接微孔容器的進水口，微孔容器置于栽盆中，栽盆置于稱量設(shè)備上，其中恒定水壓供水裝置為一裝水容器，該裝置能以恒定的水壓向外供水；自動控制進水裝置為一盛裝恒定水勢溶液的容器，溶液不充滿整個容器，除溶液以外部分裝有空氣，該部分空氣處于封閉狀態(tài)，氣壓恒定；半透性材料控水裝置為一盛裝液體的容器，通過設(shè)于容器中部附近的半透性材料將容器分成兩個腔體，分別與進水口和出水口連接，與進水口連接的腔體內(nèi)裝有恒定水勢溶液，與出水口連接的腔體內(nèi)裝有水；微孔容器為一裝水容器，容器壁上有許多孔徑微小的孔，可以用來透水，但不能透過空氣和土壤；位于微孔容器壁和半透性材料之間的水處于封閉狀態(tài)；栽盆為一上端開口，側(cè)面和底部封閉的不漏水容器，用于栽培作物；稱量設(shè)備用于稱量置于其上的設(shè)備包括微孔容器，栽盆以及作物等的重量。
2. 如權(quán)利要求l所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述恒定水壓供水 裝置靠近出水口附近設(shè)有進氣口，該進氣口位于水面以下。
3. 如權(quán)利要求1所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述自動控制進水 裝置的進水口向裝置內(nèi)腔延伸進去一段，形成一個懸置于裝置內(nèi)腔的滴水管，可以形成水 滴。
4. 如權(quán)利要求1所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述恒定水勢溶液由化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)配制。
5. 如權(quán)利要求1所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述半透性材料控 水裝置中的半透性材料為反滲透膜或半透膜。
6. 如權(quán)利要求1所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述的微孔容器為 微孔陶瓷容器。
7. 如權(quán)利要求6所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述的微孔容器的 微孔直徑在250-800微米之間，進氣值在0.3-0.6MPa范圍內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求1所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，所述的裝置之間的 連接方式均為使用橡皮管連接。
9. 如權(quán)利要求1所述的測定作物活體生物量變化的裝置，其特征在于，自動控制進水裝置 和半透性材料控水裝置用于盛裝恒定水勢溶液的腔體共用同一個容器。
專利摘要本實用新型公開了一種測定作物活體生物量變化的裝置。該裝置包括恒定水壓供水裝置，自動控制進水裝置，半透性材料控水裝置，微孔容器，栽盆和稱量設(shè)備；恒定水壓供水裝置能以恒定的水壓向外供水，自動控制進水裝置能夠自動控制向恒定水勢溶液的輸水量，保證其水勢恒定；半透性材料控水裝置是一個以半透性材料為主要功能部件的裝置，它實現(xiàn)恒定水勢溶液和封閉水體之間的水交換，微孔容器的表面有許多微小孔徑的孔，可以透水，但進氣值較低，實現(xiàn)封閉水體和土壤之間的水交換，栽盆用于栽培作物，稱量設(shè)備用于稱量作物的重量變化。該裝置能在恒定土壤水勢的條件下精確測定作物活體生物量的變化，廣泛適用于農(nóng)業(yè)以及科研領(lǐng)域。
文檔編號G01N33/00GK201133908SQ20072019052
公開日2008年10月15日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者岳現(xiàn)錄, 鞏永凱, 張認連, 雷秋良, 龍懷玉 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所