專利名稱：一種測(cè)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(cè)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(duì)作物進(jìn)行某種處理，把生物量的變化作為一種指標(biāo)， 來(lái)分析研究該處理對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，這時(shí)就需要測(cè)定作物的生物量。按照常規(guī)的方法， 在實(shí)驗(yàn)室條件下，為了研究某種處理對(duì)作物生物量變化的影響，需要進(jìn)行大量的盆栽試驗(yàn)， 在試驗(yàn)過(guò)程中，作物的生物量包括兩個(gè)部分， 一部分是地上部分的莖葉花果實(shí)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(jìn)行稱重(干重或鮮重)來(lái)研究該處理對(duì)作物生物量的影響。不難看出，這種試驗(yàn) 方法存在一定的問(wèn)題，①試驗(yàn)規(guī)模較大，為了研究某種處理在不同生育階段對(duì)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(lái) 滿足試驗(yàn)要求；②工作量較大，為了研究某種處理對(duì)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(shí)期進(jìn)行取樣稱量，加之試驗(yàn)規(guī)模較大，工作量隨之就很大；③通過(guò) 這種方法來(lái)研究作物生物量的變化規(guī)律，其結(jié)果是用統(tǒng)計(jì)方法得到的，不能夠得到單株作 物的連續(xù)生長(zhǎng)曲線，為了使結(jié)果更具有代表性，試驗(yàn)種植規(guī)模和工作量就越大； 這種試 驗(yàn)方法不能將作物的所有生物量測(cè)定出來(lái)，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(dòng)、連續(xù)、簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)作物活體生物量變化的測(cè)量。
在對(duì)作物活體生物量變化的研究中，目前尚沒(méi)有能夠自動(dòng)、連續(xù)、簡(jiǎn)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(cè)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(shì)的溶液來(lái)控制土壤水勢(shì)恒定，進(jìn)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(shí)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(cè)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(shì)恒定；
b) 將所述恒定水勢(shì)溶液依次通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)一、封閉水體、選擇性透過(guò)介質(zhì)二與土 壤連接，建立一個(gè)水動(dòng)態(tài)平衡體系，其中-
所述恒定水勢(shì)溶液通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)一與所述封閉水體進(jìn)行水交換，該選擇性透過(guò) 介質(zhì)一能讓水自由透過(guò)，但不能透過(guò)所述恒定水勢(shì)溶液中的溶質(zhì)；
所述封閉水體通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)二與土壤進(jìn)行水交換，該選擇性透過(guò)介質(zhì)二能讓水 自由通過(guò)，但不能通過(guò)土壤顆粒和空氣。
C)將作物栽培于土壤中，等土壤的水勢(shì)恒定后，使用稱量設(shè)備稱量栽盆重量變化。 進(jìn)一步，上述步驟a)中保持水溶液水勢(shì)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(qiáng)小于恒壓水源加在封閉氣體上的氣壓時(shí)，恒壓 水源的水才穿過(guò)封閉氣體滴入水溶液中，直至封閉氣體壓強(qiáng)等于恒壓水源加在封閉氣體上 的氣壓時(shí)為止。
上述步驟b)所述的選擇性透過(guò)介質(zhì)一為反滲透膜或半透膜。上述選擇性透過(guò)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(shì)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(lái)，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(dòng)態(tài)變化；
3. 本發(fā)明方法能使試驗(yàn)規(guī)模得到有效的控制，比起傳統(tǒng)方法來(lái)說(shuō)小多了；
4. 本發(fā)明方法能使試驗(yàn)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(cái)力物力人力，提高了工作效率。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例各功能部件連接示意圖 圖2是本發(fā)明實(shí)施例恒定水壓供水裝置示意圖 圖3是本發(fā)明實(shí)施例自動(dòng)控制進(jìn)水裝置示意圖 圖4(a)是本發(fā)明實(shí)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(shí)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(dòng)控制進(jìn)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(jìn)水口 14-出水口 23-液面 32-螺釘孔 35-進(jìn)水口
12-水面 21-進(jìn)水口 24-出水口 33-螺釘 36-出水口
13-進(jìn)氣口
22-滴水管 31-夾板 34-反滲透膜
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
本實(shí)施例通過(guò)恒定水壓供水裝置1和自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2獲得恒定水勢(shì)溶液，其中恒
定水壓供水裝置1提供恒壓水源，自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2實(shí)現(xiàn)盛裝于其中的水溶液的水勢(shì)恒定。
如附圖2所示，恒定水壓供水裝置1是一個(gè)圓柱形的裝水容器，上端設(shè)有進(jìn)水口ll， 進(jìn)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(guò)橡 皮管連接自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2的進(jìn)水口 21，靠近出水口 14設(shè)有進(jìn)氣口 13，進(jìn)氣口 13位
于水面12以下，在正常使用過(guò)程中進(jìn)水口 11處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣口 13處于開(kāi)啟狀態(tài)。 該裝置能以恒定的水壓向外供水。注水時(shí)，先封閉下端的出水口 14和進(jìn)氣口 13，然后打 開(kāi)上端的進(jìn)水口ll注水；至所需的量后，先關(guān)閉上端的進(jìn)水口ll,然后打開(kāi)出水口14， 最后打開(kāi)進(jìn)氣口 13，即可實(shí)現(xiàn)恒定水壓供水。在工作期間需要注水時(shí)，先將出水口 14和 進(jìn)氣口13封閉，接著打開(kāi)進(jìn)水口ll注水，注水結(jié)束后，先關(guān)閉進(jìn)水口ll，再打開(kāi)出水口
14，最后打開(kāi)進(jìn)氣口 13。該裝置的工作原理簡(jiǎn)述如下水壓的計(jì)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(jìn)氣口到自動(dòng)控制進(jìn)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(guò)程中，只要保持/z的大小不變，即保 持該裝置和自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2間的相對(duì)位置固定，該裝置就能以恒定的水壓向自動(dòng)控制 進(jìn)水裝置2供水。
如附圖3所示，自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2是一個(gè)圓柱狀的盛裝恒定水勢(shì)溶液的容器，上端 設(shè)有進(jìn)水口 21，進(jìn)水口 21通過(guò)橡皮管連接恒定水壓供水裝置的出水口 14，進(jìn)水口 21向 裝置內(nèi)腔延伸進(jìn)去一段，形成滴水管22，用來(lái)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(guò)橡皮管和半透 性材料控水裝置3的進(jìn)水口 35相連。該裝置能夠自動(dòng)控制向恒定水勢(shì)溶液的進(jìn)水量，保 證其體積和濃度恒定，進(jìn)而保證恒定水勢(shì)溶液的水勢(shì)恒定。該裝置的工作原理簡(jiǎn)述如下 當(dāng)該裝置供水時(shí)，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(kāi)始滴水，液面逐漸升高，直至空氣壓強(qiáng)恢復(fù)到初始水平為止，此 時(shí)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(shì)溶液的體積，濃度，水勢(shì)等 數(shù)值均保持不變。
上述恒定水勢(shì)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(qiáng)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(shì)和溶液的濃度一一對(duì)應(yīng)，可以通過(guò)計(jì)算或者測(cè)量得 到。以聚乙二醇(PEG )為例，水勢(shì)可通過(guò)下述公式進(jìn)行計(jì)算， pPEG=1.29x[CPEG]2xr-140x[CPEG]2-4x[CPEG]， 9>PEG:水勢(shì)(bar), r:溫度(°C)， CPEG:聚 乙二醇濃度(g/g)，水勢(shì)誤差在5%以內(nèi)。根據(jù)上述公式可以設(shè)計(jì)欲控制土壤水勢(shì)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(zhǎng)的PEG濃度范圍為0-0.3g/g。
上述恒定水勢(shì)溶液依次通過(guò)反滲透膜34 (充當(dāng)選擇性透過(guò)介質(zhì)一)，封閉水體和微孔 陶瓷容器4 (充當(dāng)選擇性透過(guò)介質(zhì)二)與土壤連接，建立一個(gè)動(dòng)態(tài)水平衡體系。恒定水勢(shì) 溶液通過(guò)反滲透膜34與封閉水體進(jìn)行水交換，封閉水體通過(guò)微孔陶瓷容器4與土壤進(jìn)行
水交換。
如附圖4所示，半透性材料控水裝置3是一個(gè)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(guò)支撐板31夾持固定并和整個(gè)容器密封，支撐板31 的中間被挖掉形成一個(gè)空洞以便溶液通過(guò)，支撐板31之間通過(guò)螺釘33固定。反滲透膜34 將整個(gè)裝置分成C和D兩個(gè)獨(dú)立腔體。C腔體設(shè)有進(jìn)水口 35,和自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2的 出水口24連接，該腔體內(nèi)裝有恒定水勢(shì)溶液，D腔體設(shè)有出水口36，和微孔陶瓷容器4 的進(jìn)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(shì)溶液分隔開(kāi)，成為兩者之間水交換的 介質(zhì)，水分子可以自由透過(guò)，恒定水勢(shì)溶液中的溶質(zhì)分子則不能透過(guò)。本實(shí)施例使用的反 滲透膜的型號(hào)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(gè)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(jìn)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(guò)該裝 置補(bǔ)給的。
將作物6栽培或播種于土壤中，等土壤的水勢(shì)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(gè)側(cè)面和底部密封良好，不漏水的柱狀容器，上端開(kāi)口，能盛裝土壤和栽 培作物6;
稱量設(shè)備7用來(lái)監(jiān)測(cè)作物活體重量的變化過(guò)程，整個(gè)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(shí)，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(shí) 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(fù)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(dòng)控制進(jìn)水裝置2的出水 口 24和半透性材料控水裝置3的進(jìn)水口 35。從自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2的進(jìn)水口 21處加注恒 定水勢(shì)溶液，直到液面23上升至自動(dòng)控制進(jìn)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(jìn)水口 11和進(jìn)氣口 13，用橡皮管把出水口 14和自動(dòng)控制進(jìn)水 裝置2的進(jìn)水口21連接，之后打開(kāi)進(jìn)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(shí)將微孔容器4安裝在栽盆5中， 按一定的容重裝填土壤，過(guò)一段時(shí)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(shí)間使這一部分土壤也參與水勢(shì)平衡之后再開(kāi)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(shuō)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(shí)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(huì)引起稱量結(jié)果不夠準(zhǔn)確的顧慮。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一顧慮是沒(méi)有必要的，因 為在稱量過(guò)程中，整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，這部分裝置在兩次稱量間并沒(méi)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(shì)，而恒定土壤水勢(shì)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自土壤水勢(shì) 的變化。在使用過(guò)程中，由于作物吸收和表面蒸發(fā)，土壤的水勢(shì)有所下降，這時(shí)土壤水勢(shì) 和恒定水勢(shì)溶液的水勢(shì)之間產(chǎn)生一個(gè)水勢(shì)差，使得微孔陶瓷容器4中的水趨向于經(jīng)過(guò)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(fù)壓使得位于反滲透膜34另一邊的 恒定水勢(shì)溶液中的水透過(guò)反滲透膜34進(jìn)入裝水腔體，也即封閉水體，補(bǔ)充封閉水體散失 的水分，直到土壤水勢(shì)和溶液水勢(shì)相等，水的移動(dòng)才暫時(shí)停止。封閉水體在整個(gè)過(guò)程中起 到了在恒定水勢(shì)溶液和土壤之間傳遞水分的作用，同時(shí)也起到了將土壤水勢(shì)變化向恒定水 勢(shì)溶液傳遞的作用。
當(dāng)恒定水勢(shì)溶液中的水透過(guò)反滲透膜34進(jìn)入封閉水體時(shí)，恒定水勢(shì)溶液的體積減小， 濃度升高，這個(gè)微小的體積變化在自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2中體現(xiàn)出來(lái)，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(qiáng)減小，于是自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2上端的 滴水管22開(kāi)始滴水，液面23升高，空氣體積減小，壓強(qiáng)增大，直至恢復(fù)到初始水平。此 時(shí)恒定水勢(shì)溶液的濃度和體積均保持不變，溶液的水勢(shì)也因此保持不變。
正常情況下，土壤的水勢(shì)等于或小于恒定水勢(shì)溶液的水勢(shì)，保證了上述裝置能夠正常 工作，即水從恒定水勢(shì)溶液通過(guò)反滲透膜34流向封閉水體進(jìn)而通過(guò)微孔陶瓷容器4流向 土壤。當(dāng)土壤水勢(shì)因?yàn)槟承┰颍缤寥浪趨^(qū)域降雨或者過(guò)多灌溉等，突然升高而高于 恒定水勢(shì)溶液時(shí)，就會(huì)發(fā)生逆流現(xiàn)象，即土壤中的水分進(jìn)入微孔陶瓷容器4,封閉水體中 的水分進(jìn)入自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2。若發(fā)生逆流現(xiàn)象，應(yīng)斷開(kāi)連接恒定水壓供水裝置1和自 動(dòng)控制進(jìn)水裝置2的橡皮管，等恒定水勢(shì)溶液液面23恢復(fù)到初始高度記錄時(shí)，再連接該 橡皮管，值得注意的是整個(gè)過(guò)程必須保證恒定水壓供水裝置1和自動(dòng)控制進(jìn)水裝置2之間 的相對(duì)位置不變，并保證恒定水勢(shì)溶液溶質(zhì)的量不變。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)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(shì)恒定；b)將所述恒定水勢(shì)溶液依次通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)一、封閉水體、選擇性透過(guò)介質(zhì)二與土壤連接，建立一個(gè)水動(dòng)態(tài)平衡體系，其中所述恒定水勢(shì)溶液通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)一與所述封閉水體進(jìn)行水交換，該選擇性透過(guò)介質(zhì)一能讓水自由透過(guò)，但不能透過(guò)所述恒定水勢(shì)溶液中的溶質(zhì)；所述封閉水體通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)二與土壤進(jìn)行水交換，該選擇性透過(guò)介質(zhì)二能讓水自由通過(guò)，但不能通過(guò)土壤顆粒和空氣。c)將作物栽培于土壤中，等土壤的水勢(shì)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(cè)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(shì)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(qiáng)小于恒壓水源加在封閉氣體上的壓強(qiáng)時(shí)，恒壓 水源的水才穿過(guò)封閉氣體滴入水溶液中，直至封閉氣體壓強(qiáng)等于恒壓水源加在封閉氣體上 的壓強(qiáng)時(shí)為止。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)控制土壤水勢(shì)恒定的方法，其特征在于，所述選擇性透過(guò)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(dòng)控制土壤水勢(shì)恒定的方法，其特征在于，所述選擇性透過(guò)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(dòng)控制土壤水勢(shì)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(kāi)了一種測(cè)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(shì)恒定；將該恒定水勢(shì)溶液依次通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)一、封閉水體、選擇性透過(guò)介質(zhì)二與土壤連接，建立一個(gè)水動(dòng)態(tài)平衡體系。恒定水勢(shì)溶液通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)一與封閉水體進(jìn)行水交換，該選擇性透過(guò)介質(zhì)一能讓水自由通過(guò)，但不能通過(guò)溶液中的溶質(zhì)，如反滲透膜；封閉水體通過(guò)選擇性透過(guò)介質(zhì)二與土壤進(jìn)行水交換，該選擇性透過(guò)介質(zhì)二能讓水自由通過(guò)，但不能通過(guò)土壤和空氣，如微孔陶瓷容器；等上述土壤的水勢(shì)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(cè)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(hào)G01N33/00GK101187657SQ20071017852
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)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