專利名稱：一種測定作物活體生物量變化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測定作物活體生物量變化的方法。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(biāo)， 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。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，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(或地下根或莖)。需要在作物的不同的生育階段將作物苗挖出，去 除土后進行稱重(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，不能夠得到單株作 物的連續(xù)生長曲線，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 體生物量變化的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種能精確測定作物活體生物量變化的方法。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)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案 一種測定作物活體生物量變化的方法，其特征在于，包括如下步驟
a) 提供一水溶液，并保持其水勢恒定；
b) 將所述恒定水勢溶液依次通過選擇性透過介質(zhì)一、封閉水體、選擇性透過介質(zhì)二與土 壤連接，建立一個水動態(tài)平衡體系，其中-
所述恒定水勢溶液通過選擇性透過介質(zhì)一與所述封閉水體進行水交換，該選擇性透過 介質(zhì)一能讓水自由透過，但不能透過所述恒定水勢溶液中的溶質(zhì)；
所述封閉水體通過選擇性透過介質(zhì)二與土壤進行水交換，該選擇性透過介質(zhì)二能讓水 自由通過，但不能通過土壤顆粒和空氣。
C)將作物栽培于土壤中，等土壤的水勢恒定后，使用稱量設(shè)備稱量栽盆重量變化。 進一步，上述步驟a)中保持水溶液水勢恒定的方法是
在水溶液的上部設(shè)置一封閉空氣，該封閉空氣上部設(shè)置一恒定水壓的水源，該恒壓水 源不直接向水溶液供水，僅當(dāng)封閉氣體壓強小于恒壓水源加在封閉氣體上的氣壓時，恒壓 水源的水才穿過封閉氣體滴入水溶液中，直至封閉氣體壓強等于恒壓水源加在封閉氣體上 的氣壓時為止。
上述步驟b)所述的選擇性透過介質(zhì)一為反滲透膜或半透膜。上述選擇性透過介質(zhì)二為 孔徑微小的多孔性裝置，優(yōu)選為微孔陶瓷容器。
與現(xiàn)有的研究作物活體生物量變化的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于
1. 本發(fā)明方法能夠?qū)⒆魑锏叵虏糠种亓孔兓瘻?zhǔn)確地稱量出來，傳統(tǒng)的方法就有難度；
2. 本發(fā)明方法能夠連續(xù)跟蹤研究作物生物量動態(tài)變化；
3. 本發(fā)明方法能使試驗規(guī)模得到有效的控制，比起傳統(tǒng)方法來說小多了；
4. 本發(fā)明方法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分等 的工作量；
5. 本發(fā)明方法節(jié)省了財力物力人力，提高了工作效率。


圖1是本發(fā)明實施例各功能部件連接示意圖 圖2是本發(fā)明實施例恒定水壓供水裝置示意圖 圖3是本發(fā)明實施例自動控制進水裝置示意圖 圖4(a)是本發(fā)明實施例半透性材料控水裝置立體結(jié)構(gòu)圖 (b)是本發(fā)明實施例半透性材料控水裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)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
6- 作物植株
7- 稱量設(shè)備 11-進水口 14-出水口 23-液面 32-螺釘孔 35-進水口
12-水面 21-進水口 24-出水口 33-螺釘 36-出水口
13-進氣口
22-滴水管 31-夾板 34-反滲透膜
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述
本實施例通過恒定水壓供水裝置1和自動控制進水裝置2獲得恒定水勢溶液，其中恒
定水壓供水裝置1提供恒壓水源，自動控制進水裝置2實現(xiàn)盛裝于其中的水溶液的水勢恒定。
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， 進水口ll連接水源，水面12大約位于容器中部，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ll,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ll注水，注水結(jié)束后，先關(guān)閉進水口ll，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，/9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/z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(dāng)該裝置供水時，該裝置中的水量減少，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]， 9>PEG: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)上述公式可以設(shè)計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濃度范圍為0-0.3g/g。
上述恒定水勢溶液依次通過反滲透膜34 (充當(dāng)選擇性透過介質(zhì)一)，封閉水體和微孔 陶瓷容器4 (充當(dāng)選擇性透過介質(zhì)二)與土壤連接，建立一個動態(tài)水平衡體系。恒定水勢 溶液通過反滲透膜34與封閉水體進行水交換，封閉水體通過微孔陶瓷容器4與土壤進行
水交換。
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PAl-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。
將作物6栽培或播種于土壤中，等土壤的水勢恒定后，使用稱量設(shè)備7稱量栽盆5的 重量變化。
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，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。
使用上述裝置時，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(biāo)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(zhǔn)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?fàn)顟B(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。
本發(fā)明方法的核心在于恒定控制土壤的水勢，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(dāng)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(dāng)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 的相對位置不變，并保證恒定水勢溶液溶質(zhì)的量不變。
權(quán)利要求
1.一種測定作物活體生物量變化的方法，其特征在于，包括如下步驟a)提供一水溶液，并保持其水勢恒定；b)將所述恒定水勢溶液依次通過選擇性透過介質(zhì)一、封閉水體、選擇性透過介質(zhì)二與土壤連接，建立一個水動態(tài)平衡體系，其中所述恒定水勢溶液通過選擇性透過介質(zhì)一與所述封閉水體進行水交換，該選擇性透過介質(zhì)一能讓水自由透過，但不能透過所述恒定水勢溶液中的溶質(zhì)；所述封閉水體通過選擇性透過介質(zhì)二與土壤進行水交換，該選擇性透過介質(zhì)二能讓水自由通過，但不能通過土壤顆粒和空氣。c)將作物栽培于土壤中，等土壤的水勢恒定后，使用稱量設(shè)備稱量栽盆重量變化。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種測定作物活體生物量變化的方法，其特征在于，所述步驟a)中保持水溶液水勢恒定的方法是-在水溶液的上部設(shè)置一封閉空氣，該封閉空氣上部設(shè)置一恒定水壓的水源，該恒壓水 源不直接向水溶液供水，僅當(dāng)封閉氣體壓強小于恒壓水源加在封閉氣體上的壓強時，恒壓 水源的水才穿過封閉氣體滴入水溶液中，直至封閉氣體壓強等于恒壓水源加在封閉氣體上 的壓強時為止。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種自動控制土壤水勢恒定的方法，其特征在于，所述選擇性透過介質(zhì)一為反滲透膜或半透膜。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種自動控制土壤水勢恒定的方法，其特征在于，所述選擇性透過介質(zhì)二為孔徑微小的多孔性裝置。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種自動控制土壤水勢恒定的方法，其特征在于，所述孔徑微小 的多孔性裝置為微孔陶瓷容器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測定作物活體生物量變化的方法。本方法包括如下步驟提供一水溶液，并保持其水勢恒定；將該恒定水勢溶液依次通過選擇性透過介質(zhì)一、封閉水體、選擇性透過介質(zhì)二與土壤連接，建立一個水動態(tài)平衡體系。恒定水勢溶液通過選擇性透過介質(zhì)一與封閉水體進行水交換，該選擇性透過介質(zhì)一能讓水自由通過，但不能通過溶液中的溶質(zhì)，如反滲透膜；封閉水體通過選擇性透過介質(zhì)二與土壤進行水交換，該選擇性透過介質(zhì)二能讓水自由通過，但不能通過土壤和空氣，如微孔陶瓷容器；等上述土壤的水勢恒定后，將作物栽培于土壤中，并使用稱量設(shè)備稱量作物的重量變化。本方法能夠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G01N33/00GK101187657SQ20071017852
公開日2008年5月28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)明者鞏永凱, 張認(rèn)連, 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