本發(fā)明涉及一種測定植物根系水力導度的高壓密閉裝置，屬于植物水分測定技術領域。

背景技術：

水分是限制植物生長和作物生產(chǎn)的主要影響因子，由鹽漬、干旱引起的水分虧缺已經(jīng)成為限制作物生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要逆境因子。植物水分生理的研究已經(jīng)成為生命科學和農(nóng)林科學研究中的重大核心內(nèi)容，很多植物的地理分布、形態(tài)建成以及生長發(fā)育過程均受到水分供給程度的影響。在逆境脅迫下，植物體內(nèi)水分平衡主要是通過根系吸水和冠層蒸騰失水之間的動態(tài)變化來共同維持。根據(jù)philip于1966年提出的“土壤-植物-大氣”連續(xù)體系（spac）的概念，在物理學上spac是一個統(tǒng)一的連續(xù)體。研究發(fā)現(xiàn)根系吸水的阻力大約占植物體內(nèi)水流阻力的50%以上，因此植物根系導水能力的研究一直是學術界研究的熱點。根系水力導度也是表征植物根系吸水能力的一個重要參數(shù)。

目前測定植物根系水力導度的方法有很多，如蒸騰流法、hpfm法、負壓引流法、蒸騰計法、壓力根探針法和壓力室法。這些方法各有優(yōu)缺點，蒸騰流法實際上是用整個植株的水力導度近似估算根系水力導度，雖然操作簡單但誤差較大；負壓引流法主要是通過毛細管施加的外界壓力小于正常的生理過程的值，測定數(shù)據(jù)容易受到滲透引起液流的影響而逐漸不被采用；蒸騰計法主要測定單根導水特性，與負壓引流法都存在無法測定整個根系的問題。而其余三種方法，即hpfm法、壓力根探針法以及壓力室法在測定根系水力導度方面較為普遍接受，但是也存在一些問題；諸如hpfm法、壓力根探針法無法避免根系導管氣穴化的影響，會造成一定的測量誤差。并且hpfm法主要是由美國dynamax公司的hpfm-gen3植物高壓導水率測量儀，該儀器的售價昂貴也限制了一些用戶；壓力根探針法所涉及的壓力傳感器雖然價格不及hpfm-gen3植物高壓導水率測量儀昂貴，但是掌握該方法需要豐富的操作經(jīng)驗（很長時間的反復練習），人為操作誤差較大。因為壓力室法測定植物根系水力大度操作簡單、成本較低、人為操作誤差小，越來越受到人們的青睞。但是國內(nèi)外目前缺乏基于壓力室原理研制的測定植物根系水力導度的高壓密閉裝置，這一定程度上制約了相關領域科學研究的發(fā)展。盡管國外個別實驗室自制相關設備，但是儀器的安全性和準確性尚不能保證。本發(fā)明研制的此裝置操作方面，安全性高，完全滿足實驗儀器的精度標準和需求。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種測定植物根系水力導度的高壓密閉裝置。該裝置主要用于測定植物根系水力導度，即根據(jù)水分在植物根系水分吸收和傳導運輸?shù)奶卣?，將植株整個根系處于設定氣體壓力下，測定壓力室中植株單位時間內(nèi)單位根系表面積在單位壓力下的根系水分傳導能力（水力導度）。該指標可以綜合反映植物根系水分運輸?shù)淖枇Α?/p>

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種測定植物根系水力導度的高壓密閉裝置，包括高壓氮氣鋼瓶、高壓氣體減壓閥、快速接頭、微調(diào)閥、高壓三通球閥、數(shù)顯壓力表、不銹鋼壓力倉、進氣口不銹鋼壓力蓋、密封膠圈、不銹鋼卡箍、雙錐形密封膠墊、錐形壓力墊片、頂螺帽、助力桿、圓柱桶狀節(jié)氣塊、安全卸荷閥、植物栽培容器和自封袋包裹的脫脂棉；高壓氮氣鋼瓶通過高壓管上的高壓氣體減壓閥、快速接頭、微調(diào)閥、高壓三通球閥、數(shù)顯壓力表與高壓密閉裝置中不銹鋼壓力倉的進氣口連接，實現(xiàn)管路密封；其特征是在不銹鋼壓力倉上裝有密封膠圈、不銹鋼卡箍、不銹鋼壓力蓋、雙錐密封膠墊、錐形壓力墊片和頂螺帽，形成一個高壓密閉裝置；其中：不銹鋼壓力倉和不銹鋼壓力蓋密封接觸面上分別有凹槽圈，與密封膠圈銜接，通過旋緊不銹鋼卡箍上的蝴蝶螺絲實現(xiàn)不銹鋼壓力倉和不銹鋼壓力蓋密封；不銹鋼壓力蓋和頂螺帽之間通過絲口連接；不銹鋼壓力蓋中央為內(nèi)錐形，錐形壓力墊片和不銹鋼壓力蓋內(nèi)錐形結構與雙錐形密封膠墊接觸；將植物栽培容器放置于不銹鋼壓力倉內(nèi)，植物栽培容器和不銹鋼壓力倉之間的空隙放置圓柱筒狀節(jié)氣塊；將助力桿插入頂螺帽兩側(cè)任一孔中驅(qū)動頂螺帽轉(zhuǎn)動而施壓于錐形壓力墊片，使得雙錐形密封膠墊)的上下面分別處于錐形壓力面的均勻壓力，減少雙錐形密封膠墊內(nèi)孔和植物樣品之間的間隙，實現(xiàn)密封；不銹鋼壓力倉底部側(cè)端設有安全卸荷閥，不銹鋼壓力倉與安全卸荷閥絲口連接。

本發(fā)明的優(yōu)點如下：

1）本發(fā)明采用樣品密封構件中，采用助力桿驅(qū)動頂螺帽施壓于錐形壓力墊片，迫使雙錐形膠墊內(nèi)孔縮小實現(xiàn)與樣品之間的密封。助力桿使得操作省時省力，也便于裝配和拆卸。雙錐形密封膠墊內(nèi)孔均勻縮小，與樣品周圍壓力均勻，對樣品的破壞性小。助力桿與頂螺帽兩側(cè)的插孔的接觸面為凸凹的圓臺形狀，接觸牢固，且便于操作。

2）不銹鋼壓力倉與壓力蓋之間的密封采用高強度不銹鋼卡箍結構設計，在增加不銹鋼壓力倉內(nèi)徑的同時，有效避免不銹鋼壓力蓋和不銹鋼壓力倉“卡死”（擰不動）現(xiàn)象發(fā)生，使儀器操作起來省時省力，便于操作且拆卸方便。

3）本發(fā)明設計增加了不銹鋼壓力倉的體積，極大地拓展了植物根系水力導度測定對象，可以在測量土培條件下大根系植株的根系水力導度。

4）本發(fā)明設計不銹鋼壓力倉（最大承受壓力為20mpa）、高壓氣體減壓閥（<1.5mpa）和安全卸荷閥（<1.5mpa）三重安全保障措施，保證裝置的壓力安全問題。

5）本發(fā)明采用圓柱桶裝節(jié)氣塊，其材質(zhì)為尼龍塑料，既可以承受高壓，也可以節(jié)約高壓氮氣的使用量，降低試驗成本。

6）本發(fā)明安裝安全閥（或稱卸荷閥），并且所有高壓密閉裝置采用316不銹鋼材質(zhì)，保證了高壓裝置壓力安全問題。

7)本發(fā)明采用高精度數(shù)字顯示壓力表，可提高測量的精度和操作可視性；

8）本發(fā)明采用的高壓氣體減壓閥，增加整個高壓氣路的安全性，也可以降低高壓密閉裝置充氣過程中氣流的波動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構示意圖。

圖2為圖1中不銹鋼壓力倉裝置示意圖。

圖中各標記如下：1-高壓氮氣鋼瓶、2-高壓氣體減壓閥、3-快速接頭、4-微調(diào)閥（針閥）、5-高壓三通球閥、6-數(shù)顯壓力表、7-不銹鋼壓力倉、8-進氣口、9-不銹鋼壓力蓋、10-密封膠圈、11-不銹鋼卡箍、12-雙錐形密封膠墊、13-錐形壓力墊片、14-頂螺帽、15-助力桿、16-圓柱筒狀節(jié)氣塊、17-安全卸荷閥、18-植物栽培容器和19-自封袋包裹的脫脂棉。

圖3為根系木質(zhì)部汁液液流速率（cm³s^-1）與壓力（mpa）關系示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案再作進一步的說明：

如圖1和圖2所示，一種測定植物根系水力導度的高壓密閉裝置，包括高壓氮氣鋼瓶1）、高壓氣體減壓閥2、快速接頭3、微調(diào)閥（針閥）4、高壓三通球閥5、數(shù)顯壓力表6和不銹鋼壓力倉7；不銹鋼壓力倉7上設有進氣口8、不銹鋼壓力蓋9、密封膠圈10、不銹鋼卡箍11、雙錐形密封膠墊12、錐形壓力墊片13、頂螺帽14、助力桿15、圓柱筒狀節(jié)氣塊16、安全卸荷閥17、植物栽培容器18和自封袋包裹的脫脂棉19。高壓氮氣鋼瓶1通過高壓氣體減壓閥2、快速接頭3、微調(diào)閥（針閥）4、高壓三通球閥5、數(shù)顯壓力表6和不銹鋼壓力倉7的進氣口8連接，實現(xiàn)管路密封。在不銹鋼壓力倉7上裝有密封膠圈10、不銹鋼壓力蓋9、不銹鋼卡箍11、雙錐形密封膠墊12、錐形壓力墊片13和頂螺帽14，形成一個密閉的壓力容器；其中：不銹鋼壓力倉7和不銹鋼壓力蓋9密封接觸面分別有凹槽圈，與密封膠圈10銜接，通過旋緊不銹鋼卡箍11上的蝴蝶螺絲實現(xiàn)不銹鋼壓力倉7和不銹鋼壓力蓋9密封；不銹鋼壓力蓋9和頂螺帽14之間通過絲口連接；不銹鋼壓力蓋9中央為內(nèi)錐形，錐形壓力墊片13和不銹鋼壓力蓋9內(nèi)錐形結構與雙錐形密封膠墊12接觸。將植物栽培容器18放置于不銹鋼壓力倉7內(nèi)，植物栽培容器18和不銹鋼壓力倉7之間的空隙放置圓柱筒狀節(jié)氣塊16。植株基莖的切面穿過雙錐形密封膠墊12中間小孔和錐形壓力墊片13；通過助力桿15插入頂螺帽14兩側(cè)任一孔中驅(qū)動頂螺帽14轉(zhuǎn)動而施壓于錐形壓力墊片13，使得雙錐形密封膠墊的上下面分別處于錐形壓力面（即錐形壓力墊片和壓力蓋上內(nèi)錐形結構）的均勻壓力下，減少雙錐形密封膠墊內(nèi)孔和樣品之間的間隙，實現(xiàn)密封；不銹鋼壓力倉7底部側(cè)端設有安全卸荷閥17，不銹鋼壓力倉7與安全卸荷閥17絲口連接。

測定植物根系水力導度高壓密閉裝置的安裝：

高壓氮氣鋼瓶1通過高壓管上高壓氣體減壓閥2、快速接頭3、微調(diào)閥（針閥）4、高壓三通球閥5、數(shù)顯壓力表6和不銹鋼壓力倉7的進氣口8，進行植物根系水力導度的檢測。測定植物樣品之前，需要檢測高壓密閉裝置的密閉性。首先在不銹鋼壓力倉7放置密封膠圈10和不銹鋼壓力蓋9，并用不銹鋼卡箍11固定后，旋緊不銹鋼卡箍11上的蝴蝶螺絲。其次在不銹鋼壓力蓋9中央的內(nèi)錐形結構處依次放置雙錐形密封膠12和錐形壓力墊片13，然后旋動頂螺帽14與不銹鋼壓力蓋9之間的絲口；待手動無法轉(zhuǎn)動頂螺帽14時，將助力桿15插入頂螺帽14任一側(cè)孔旋轉(zhuǎn)1/4到1/2圈即可。通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥（針閥）4和高壓三通球閥5緩慢向高壓密閉裝置中注入氮氣，設定壓力1.0mpa后停止供氣，若30分鐘壓力的變化小于5%，視為裝置的密封性良好。

（一）植物根系水力導度的測定

1）測定植物根系水力導度時，首先將將植物栽培容器18中的植物離基部4cm剪去冠層部分，放入不銹鋼壓力倉7中，根據(jù)植物栽培容器18和不銹鋼壓力倉7之間空隙放置不同厚度的圓筒狀節(jié)氣塊16；然后將切去將植株基莖的切面穿過不銹鋼壓力蓋9、雙錐形密封膠墊12和錐形壓力墊片13中間小孔，最后安裝頂螺帽14。先旋緊不銹鋼卡箍11上的蝴蝶螺絲，固定密封不銹鋼壓力倉7和不銹鋼壓力蓋9，安裝頂螺帽14并旋轉(zhuǎn)助力桿15，通過助力桿15驅(qū)動頂螺帽14施壓于錐形壓力墊片13，使得雙錐形密封膠墊12的上下面分別處于錐形壓力面（即錐形壓力墊片和壓力蓋上內(nèi)錐形結構）的均勻壓力下，減少雙錐形密封膠墊內(nèi)孔和植物樣品之間的間隙，實現(xiàn)樣品密封。在植株基莖的切面處放置用自封袋包裹的脫脂棉19，用于收集根系木質(zhì)部汁液。

2）打開高壓氣體減壓閥（2）、調(diào)節(jié)微調(diào)閥（針閥）4和高壓三通球閥5向不銹鋼壓力倉7中充氣。待壓力增至0.2mpa,平衡10分鐘后，用脫脂棉擦去根系木質(zhì)部汁液；分別在壓力0.2、0.4、0.6、0.8和1.0mpa下持續(xù)10分鐘，用預先稱重的填充脫脂棉的自封袋固定在莖稈的剪斷處，收集根系木質(zhì)部汁液，通過稱重法計算根系傷流液的重量；

3）再將高壓三通球閥5調(diào)至“放氣”狀態(tài)，待數(shù)顯壓力表6示數(shù)為“零”時小心取出植物，用水沖洗收集整個根部，并在根系掃描儀掃描并分析整個根系表面積；

4）先計算根系木質(zhì)部汁液液流速率（cm³s^-1）與壓力（mpa）的斜率（cm³mpa^-1s^-1，見圖3），再除以根系總表面積計算植物根系水力導度（lpr），即lpr(cm³cm^-2s^-1mpa^-1)=斜率/根系總表面積。