专利名称：一种测定作物活体生物量变化的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测定作物活体生物量变化的方法。属于农业科学研究领域。
背景技术：
在农业科学研究中，经常需要对作物进行某种处理，把生物量的变化作为一种指标， 来分析研究该处理对作物生长的影响，这时就需要测定作物的生物量。按照常规的方法， 在实验室条件下，为了研究某种处理对作物生物量变化的影响，需要进行大量的盆栽试验， 在试验过程中，作物的生物量包括两个部分， 一部分是地上部分的茎叶花果实种子，另一 部分是地下部分的根(或地下根或茎)。需要在作物的不同的生育阶段将作物苗挖出，去 除土后进行称重(干重或鲜重)来研究该处理对作物生物量的影响。不难看出，这种试验 方法存在一定的问题，①试验规模较大，为了研究某种处理在不同生育阶段对作物生物量 的影响，需要在不同的生育阶段挖出作物苗称重研究，因此需要种植较大群体的作物苗来 满足试验要求；②工作量较大，为了研究某种处理对作物活体生物量在全生育期的变化规 律，需要在不同生育时期进行取样称量，加之试验规模较大，工作量随之就很大；③通过 这种方法来研究作物生物量的变化规律，其结果是用统计方法得到的，不能够得到单株作 物的连续生长曲线，为了使结果更具有代表性，试验种植规模和工作量就越大； 这种试 验方法不能将作物的所有生物量测定出来，其中地下部分的根就很难完全取出称量；⑤这 种研究方法不能自动、连续、简单地实现作物活体生物量变化的测量。
在对作物活体生物量变化的研究中，目前尚没有能够自动、连续、简单地研究作物活 体生物量变化的方法。
发明内容
本发明旨在提供一种能精确测定作物活体生物量变化的方法。主要利用半透性材料和 具有恒定水势的溶液来控制土壤水势恒定，进而保证土壤含水量稳定，在此条件下栽盆重 量的变化就是作物活体生物量的变化。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案 一种测定作物活体生物量变化的方法，其特征在于，包括如下步骤
a) 提供一水溶液，并保持其水势恒定；
b) 将所述恒定水势溶液依次通过选择性透过介质一、封闭水体、选择性透过介质二与土 壤连接，建立一个水动态平衡体系，其中-
所述恒定水势溶液通过选择性透过介质一与所述封闭水体进行水交换，该选择性透过 介质一能让水自由透过，但不能透过所述恒定水势溶液中的溶质；
所述封闭水体通过选择性透过介质二与土壤进行水交换，该选择性透过介质二能让水 自由通过，但不能通过土壤颗粒和空气。
C)将作物栽培于土壤中，等土壤的水势恒定后，使用称量设备称量栽盆重量变化。 进一步，上述步骤a)中保持水溶液水势恒定的方法是
在水溶液的上部设置一封闭空气，该封闭空气上部设置一恒定水压的水源，该恒压水 源不直接向水溶液供水，仅当封闭气体压强小于恒压水源加在封闭气体上的气压时，恒压 水源的水才穿过封闭气体滴入水溶液中，直至封闭气体压强等于恒压水源加在封闭气体上 的气压时为止。
上述步骤b)所述的选择性透过介质一为反渗透膜或半透膜。上述选择性透过介质二为 孔径微小的多孔性装置，优选为微孔陶瓷容器。
与现有的研究作物活体生物量变化的方法相比，本发明的优势在于
1. 本发明方法能够将作物地下部分重量变化准确地称量出来，传统的方法就有难度；
2. 本发明方法能够连续跟踪研究作物生物量动态变化；
3. 本发明方法能使试验规模得到有效的控制，比起传统方法来说小多了；
4. 本发明方法能使试验工作量大大减少，与传统的方法比较，减少了浇水挖取地下部分等 的工作量；
5. 本发明方法节省了财力物力人力，提高了工作效率。
图1是本发明实施例各功能部件连接示意图 图2是本发明实施例恒定水压供水装置示意图 图3是本发明实施例自动控制进水装置示意图 图4(a)是本发明实施例半透性材料控水装置立体结构图 (b)是本发明实施例半透性材料控水装置侧视结构图 其中-
1- 恒定水压供水装置
2- 自动控制进水装置
3- 半透性材料控水装置
4- 微孔陶瓷容器
6- 作物植株
7- 称量设备 11-进水口 14-出水口 23-液面 32-螺钉孔 35-进水口
12-水面 21-进水口 24-出水口 33-螺钉 36-出水口
13-进气口
22-滴水管 31-夹板 34-反渗透膜
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
本实施例通过恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2获得恒定水势溶液，其中恒
定水压供水装置1提供恒压水源，自动控制进水装置2实现盛装于其中的水溶液的水势恒定。
如附图2所示，恒定水压供水装置1是一个圆柱形的装水容器，上端设有进水口ll， 进水口ll连接水源，水面12大约位于容器中部，下端设有出水口 14，出水口14通过橡 皮管连接自动控制进水装置2的进水口 21，靠近出水口 14设有进气口 13，进气口 13位
于水面12以下，在正常使用过程中进水口 11处于关闭状态，进气口 13处于开启状态。 该装置能以恒定的水压向外供水。注水时，先封闭下端的出水口 14和进气口 13，然后打 开上端的进水口ll注水；至所需的量后，先关闭上端的进水口ll,然后打开出水口14， 最后打开进气口 13，即可实现恒定水压供水。在工作期间需要注水时，先将出水口 14和 进气口13封闭，接着打开进水口ll注水，注水结束后，先关闭进水口ll，再打开出水口
14，最后打开进气口 13。该装置的工作原理简述如下水压的计算公式i^pxgW中，/9为
水的密度1000kg/m3， g为重力加速度约9.8m/s2， 为该装置进气口到自动控制进水装置的 滴水管出口间的竖直高度(m)。因此在该装置使用过程中，只要保持/z的大小不变，即保 持该装置和自动控制进水装置2间的相对位置固定，该装置就能以恒定的水压向自动控制 进水装置2供水。
如附图3所示，自动控制进水装置2是一个圆柱状的盛装恒定水势溶液的容器，上端 设有进水口 21，进水口 21通过橡皮管连接恒定水压供水装置的出水口 14，进水口 21向 装置内腔延伸进去一段，形成滴水管22，用来形成水滴，液面23位于容器中部上下；其 上方区域A装有封闭空气，气压恒定，下端设有出水口24，出水口24通过橡皮管和半透 性材料控水装置3的进水口 35相连。该装置能够自动控制向恒定水势溶液的进水量，保 证其体积和浓度恒定，进而保证恒定水势溶液的水势恒定。该装置的工作原理简述如下 当该装置供水时，该装置中的水量减少，液面下降，使得液面上部的封闭空气体积增大， 气压减小，于是滴水管开始滴水，液面逐渐升高，直至空气压强恢复到初始水平为止，此 时液面上升到初始高度，空气体积恢复到初始体积，恒定水势溶液的体积，浓度，水势等 数值均保持不变。
上述恒定水势溶液由化学性质稳定的物质配制，如氯化钠之类的强电解质或聚乙二醇 之类的高分子物质均可。该溶液的水势和溶液的浓度一一对应，可以通过计算或者测量得 到。以聚乙二醇(PEG )为例，水势可通过下述公式进行计算， pPEG=1.29x[CPEG]2xr-140x[CPEG]2-4x[CPEG]， 9>PEG:水势(bar), r:温度(°C)， CPEG:聚 乙二醇浓度(g/g)，水势误差在5%以内。根据上述公式可以设计欲控制土壤水势的水平， 上述公式适宜的PEG浓度范围为0-0.8g/g，适宜作物生长的PEG浓度范围为0-0.3g/g。
上述恒定水势溶液依次通过反渗透膜34 (充当选择性透过介质一)，封闭水体和微孔 陶瓷容器4 (充当选择性透过介质二)与土壤连接，建立一个动态水平衡体系。恒定水势 溶液通过反渗透膜34与封闭水体进行水交换，封闭水体通过微孔陶瓷容器4与土壤进行
水交换。
如附图4所示，半透性材料控水装置3是一个近似于球形的盛装液体的容器，容器中 部设有反渗透膜34，反渗透膜34通过支撑板31夹持固定并和整个容器密封，支撑板31 的中间被挖掉形成一个空洞以便溶液通过，支撑板31之间通过螺钉33固定。反渗透膜34 将整个装置分成C和D两个独立腔体。C腔体设有进水口 35,和自动控制进水装置2的 出水口24连接，该腔体内装有恒定水势溶液，D腔体设有出水口36，和微孔陶瓷容器4 的进水口连接，该腔体内装有水，从反渗透膜34到微孔陶瓷容器4之间的这一部分水体 处于封闭状态。反渗透膜34把封闭水体和恒定水势溶液分隔开，成为两者之间水交换的 介质，水分子可以自由透过，恒定水势溶液中的溶质分子则不能透过。本实施例使用的反 渗透膜的型号为PAl-4040，在大约1Pa的压力条件下，反渗透膜34的透水能力是 1.2255m3/m2/h。
微孔陶瓷容器4是一个圆柱形的装水容器，其容器壁被水饱和，容器壁上有许多孔径 在250-800微米范围的微孔，进气值较低，在0.3-0.6MPa范围内，在压力差很小的情况下 就可以排出微孔陶瓷容器壁的水。该装置和土壤直接接触，土壤散失的水分都是通过该装 置补给的。
将作物6栽培或播种于土壤中，等土壤的水势恒定后，使用称量设备7称量栽盆5的 重量变化。
栽盆5是一个侧面和底部密封良好，不漏水的柱状容器，上端开口，能盛装土壤和栽 培作物6;
称量设备7用来监测作物活体重量的变化过程，整个栽盆、栽盆内的土壤、微孔陶瓷 容器4及微孔陶瓷容器内的水、植株的重量都加在称量设备上，发生变化的只有作物活体 重量。
使用上述装置时，首先将微孔陶瓷容器4和半透性材料控水装置3连接，并在微孔陶 瓷容器4和半透性材料控水装置3的装水腔体中装水。为了能使装置更好地工作，装水时 应尽可能地排出封闭水体中的空气，最好在水下完成安装。这一段封闭水体需要承受一定 的负压，所以应做好密封工作。在装水结束后，用橡皮管连接自动控制进水装置2的出水 口 24和半透性材料控水装置3的进水口 35。从自动控制进水装置2的进水口 21处加注恒 定水势溶液，直到液面23上升至自动控制进水装置2的中部左右。然后在恒定水压供水
装置1中装水，完成后封闭进水口 11和进气口 13，用橡皮管把出水口 14和自动控制进水 装置2的进水口21连接，之后打开进气口 13,这样就完成了主要功能部件的连接。最好 标明液面23的位置，作为该液面的初始高度记录。此时将微孔容器4安装在栽盆5中， 按一定的容重装填土壤，过一段时间就可以在栽盆5里移栽作物植株6，由于移栽的作物 苗根部带土，因此宜静候一段时间使这一部分土壤也参与水势平衡之后再开始使用称量设 备7称量栽盆5的重量，以后栽盆的重量变化就是作物活体生物量的变化量。
值得说明的是，尽管加在称量设备上的微孔容器上面连接了橡皮管，橡皮管同时连接 半透性材料供水装置，但橡皮管和半透性材料供水装置并不加在称量设备上，因此有可能 产生这部分装置会引起称量结果不够准确的顾虑。实验发现，这一顾虑是没有必要的，因 为在称量过程中，整个装置处于静止状态，这部分装置在两次称量间并没有发生重量变化， 因此这部分装置的重量作为系统误差存在，不影响两次称量的差值。
本发明方法的核心在于恒定控制土壤的水势，而恒定土壤水势的驱动力来自土壤水势 的变化。在使用过程中，由于作物吸收和表面蒸发，土壤的水势有所下降，这时土壤水势 和恒定水势溶液的水势之间产生一个水势差，使得微孔陶瓷容器4中的水趋向于经过微孔 流向土壤，因此封闭水体中的水量减少，由此产生的负压使得位于反渗透膜34另一边的 恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入装水腔体，也即封闭水体，补充封闭水体散失 的水分，直到土壤水势和溶液水势相等，水的移动才暂时停止。封闭水体在整个过程中起 到了在恒定水势溶液和土壤之间传递水分的作用，同时也起到了将土壤水势变化向恒定水 势溶液传递的作用。
当恒定水势溶液中的水透过反渗透膜34进入封闭水体时，恒定水势溶液的体积减小， 浓度升高，这个微小的体积变化在自动控制进水装置2中体现出来，该装置中的液面23 下降，使得液面23上端空气体积增大，空气压强减小，于是自动控制进水装置2上端的 滴水管22开始滴水，液面23升高，空气体积减小，压强增大，直至恢复到初始水平。此 时恒定水势溶液的浓度和体积均保持不变，溶液的水势也因此保持不变。
正常情况下，土壤的水势等于或小于恒定水势溶液的水势，保证了上述装置能够正常 工作，即水从恒定水势溶液通过反渗透膜34流向封闭水体进而通过微孔陶瓷容器4流向 土壤。当土壤水势因为某些原因，如土壤所在区域降雨或者过多灌溉等，突然升高而高于 恒定水势溶液时，就会发生逆流现象，即土壤中的水分进入微孔陶瓷容器4,封闭水体中 的水分进入自动控制进水装置2。若发生逆流现象，应断开连接恒定水压供水装置1和自 动控制进水装置2的橡皮管，等恒定水势溶液液面23恢复到初始高度记录时，再连接该 橡皮管，值得注意的是整个过程必须保证恒定水压供水装置1和自动控制进水装置2之间 的相对位置不变，并保证恒定水势溶液溶质的量不变。
权利要求
1.一种测定作物活体生物量变化的方法，其特征在于，包括如下步骤a)提供一水溶液，并保持其水势恒定；b)将所述恒定水势溶液依次通过选择性透过介质一、封闭水体、选择性透过介质二与土壤连接，建立一个水动态平衡体系，其中所述恒定水势溶液通过选择性透过介质一与所述封闭水体进行水交换，该选择性透过介质一能让水自由透过，但不能透过所述恒定水势溶液中的溶质；所述封闭水体通过选择性透过介质二与土壤进行水交换，该选择性透过介质二能让水自由通过，但不能通过土壤颗粒和空气。c)将作物栽培于土壤中，等土壤的水势恒定后，使用称量设备称量栽盆重量变化。
2. 如权利要求l所述的一种测定作物活体生物量变化的方法，其特征在于，所述步骤a)中保持水溶液水势恒定的方法是-在水溶液的上部设置一封闭空气，该封闭空气上部设置一恒定水压的水源，该恒压水 源不直接向水溶液供水，仅当封闭气体压强小于恒压水源加在封闭气体上的压强时，恒压 水源的水才穿过封闭气体滴入水溶液中，直至封闭气体压强等于恒压水源加在封闭气体上 的压强时为止。
3. 如权利要求1所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述选择性透过介质一为反渗透膜或半透膜。
4. 如权利要求1所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述选择性透过介质二为孔径微小的多孔性装置。
5. 如权利要求4所述的一种自动控制土壤水势恒定的方法，其特征在于，所述孔径微小 的多孔性装置为微孔陶瓷容器。
全文摘要
本发明公开了一种测定作物活体生物量变化的方法。本方法包括如下步骤提供一水溶液，并保持其水势恒定；将该恒定水势溶液依次通过选择性透过介质一、封闭水体、选择性透过介质二与土壤连接，建立一个水动态平衡体系。恒定水势溶液通过选择性透过介质一与封闭水体进行水交换，该选择性透过介质一能让水自由通过，但不能通过溶液中的溶质，如反渗透膜；封闭水体通过选择性透过介质二与土壤进行水交换，该选择性透过介质二能让水自由通过，但不能通过土壤和空气，如微孔陶瓷容器；等上述土壤的水势恒定后，将作物栽培于土壤中，并使用称量设备称量作物的重量变化。本方法能够精确测定作物活体生物量的变化，广泛适用于农业以及科研领域。
文档编号G01N33/00GK101187657SQ20071017852
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者巩永凯, 张认连, 龙怀玉 申请人:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所