专利名称：一种用于大田中后期玉米单株根系的取样系统及其专用根框的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于大田中后期玉米单株根系的取样系统及其专用根框，涉及土壤学、植物学、环境科学等生态学领域。
背景技术：
根系结构包括根系的拓扑结构和几何形态，对植物养分和水分吸收有着极其重要的作用。第一次绿色革命主要是针对作物地上部形态进行筛选，而第二次绿色革命则同时关注植株地上部和根系结构特性的筛选。由于土壤的不透明性以及大田根系测定的困难性，导致科学家对于地下部的研究要远远落后于地上部，从而大多数对根系结构的研究都是基于室内实验。但是室内实验的根系难以反映田间根系的真实生长情况，因为室内实验的培养皿都较小，一般都是对苗期根系的研究，培养介质比较均一，室内的相对稳定的气候环境，土壤条件和水汽环境与具有高度异质性的自然环境有着很大的差异，因此无法将室内研究的结论直接应用于大田研究和育种。即使在室内环境，不同的培养介质(琼脂、水和土壤)所得出的根系结构特征也是不一样，有的甚至是相反。因此，很多国内外学者强调，要完全理解根系结构变异的遗传因素，需要考虑其在自然环境条件下的生长情况。目前主流的田间根系取样工具包括普通根钻、汽油动力根钻和液压动力根钻，但是这些根钻的直径最大不超过15cm，无法一次性获取完整的单株玉米根系，因为中后期玉米单株根系的水平分布要远远大于15cm。而多次取样则无法获取根系的完整拓扑结构。此夕卜，汽油和液压动力根钻成本也较高。整株玉米根系的挖掘往往需要大型的机械设备和工具，例如铲车进行挖土和吊车吊起根框。大型机械设备操作复杂，体积大、成本高，并且在田间运行和操作会对田间土壤造成严重的压实，影响作物生长。另外，在吊起根框时，还需要特定设备用平板横切土柱的底部，并固定在取样框的底部，以防止在吊起根框时，土柱脱离根框而掉落。当获取带土柱的根框后，如何将土柱与根框分离也一直困扰着科研工作者。同时，在挖掘目标根系的土柱时，往往破坏大量的周边土壤，其破坏体积远远超过目标土柱的体积，也意味着实验土地成本的增加，影响今后在该田地的持续实验工作。因此，目前急需一种取样直径大(50cm)，低成本、省时、易操作、设备体积小，确保取样过程保持土壤的原有结构和根系的拓扑结构，同时对目标土柱周围的土壤破坏小的方法和设备来解决上述困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于大田中后期玉米单株根系的取样系统及其专用根框，所述取样系统能够挖取50cm直径，50cm深的以植株基部为中心的土柱，进而获取完整的单株玉米根系。本发明所提提供的一种用于大田中后期玉米单株根系的取样的根框，所述取框包括一圆柱筒体，所述圆柱筒体由2个半圆柱筒体对接而成，且所述2个半圆柱筒体之间为可拆卸配合；所述圆柱筒体的一个端面上设有若干个锯齿状凸起。上述的根框中，所述半圆柱筒体之间通过插销孔与插销片形成可拆卸配合；所述半圆柱筒体之间的2个对接面均通过3个所述插销片与3个所述插销孔进行配合，位于所述半圆柱筒体端部的所述插销片还通过插销螺丝与所述半圆柱筒体配合。上述的根框中，与设置所述锯齿状凸起相对的所述圆柱筒体的端部上设有挂孔。本发明进一步提供了一种用于大田玉米单株根系的取样系统，所述取样系统包括所述根框、十字承击板和取根车；所述十字承击板可设于所述根框中所述圆柱筒体的端部上；所述取根车包括行走机构、夯击根框机构和吊起根框机构；所述夯击根框机构包括设于所述取根车的车架上的支撑杆、2个转轴、电机传动链条、夯锤和夯锤传动链条；所述转轴分别设于所述支撑杆的两端；所述电机传动链条和所述夯锤传动链条均设于2个所述转轴上，所述电机传动链条与电机相连接；所述夯锤传动链条上设有2个夯锤吊棒，所述2个夯锤吊棒之间设有间距；所述夯锤包括夯锤本体，所述夯锤本体的侧壁上靠近其顶部处设有夯锤挂杆，所述夯锤挂杆可吊挂在所述夯锤吊棒上；所述吊起根框机构包括设于所述取根车的车架上的龙门架、手拉葫芦和方形框体；所述手拉葫芦设于所述龙门架上，所述手拉葫芦通过绳索与所述方形框架的4个棱角相连接，所述绳索还可与所述圆柱筒体相连接；方形框架的对角线长度大于所述圆柱筒体的直径；所述夯击根框机构与所述吊起根框机构沿所述取根车的纵向方向排布。上述的取样系统中，所述取样系统还包括洗根机构，所述洗根机构包括一悬挂三角架、若干个调压喷头、喷头支撑三角架和圆柱体形护底框；所述调压喷头设于所述喷头支撑三角架上；所述圆柱体形护底框由2个半圆柱形护底框组成喷头支撑三角架，所述圆柱体形护底框可用于保护土柱不因洗根过程水对土柱底部的冲刷而造成土柱的崩塌。上述的取样系统中，所述夯锤本体的远离所述夯锤挂杆的端面上设有夯击杆。上述的取样系统中，组成所述十字承击板的十字臂上设有加固条；所述十字承击板的十字交叉处设有击打木块；所述十字臂的端部的表面上设有缓冲木块，所述击打木块与所述缓冲木块设于所述十字臂的两侧，所述击打木块与所述缓冲木块的设置可减少所述夯锤击打所述根框时产生的噪音；所示十字臂的端部的侧面设有位置固定杆。上述的取样系统中，沿所述取根车的横向方向，所述夯锤的相对的两个侧面上各设有2个左右控制滑轮和2个前后控制滑轮，所述夯锤可通过所述左右控制滑轮和所述前后控制滑轮沿导轨进行垂直上下运动。上述的取样系统中，所述2个夯锤吊棒设于所述夯锤传动链条的对角线上。上述的取样系统中，所述绳索为钢丝绳，所述钢丝绳通过U形卸扣与所述挂孔相连接；所述取样车上还设有行走控制器和与之相连接的进倒把手，所述进退手把通过所述行走控制器操控所述取样车的行走。本发明采用上述技术方案，具有以下优点:1、取样直径大；2、取样过程可保持土壤的原有结构和根系的拓扑结构，对目标土柱周围的土壤无破坏；3、设备体积小，成本低，易操作，省时，省力；4、可根据科学研究的需要，适当改变取样框的大小，也适用于同一作物的不同生育期和其他作物的不同生育期。
图1为本发明取样系统中根框的结构示意图。图2为本发明取样系统中十字承击板的结构示意图。图3为本发明取样系统中取根车的主视图(未示吊起根框机构)。图4为本发明取样系统中取根车的后视图(未示吊起根框机构)。图5为本发明取样系统中夯锤的主视图。图6为本发明取样系统中夯锤与夯锤传动链条的连接示意图。图7为本发明取样系统中吊起根框机构的结构示意图。图8为本发明取样系统中洗根结构的结构示意图。图中各标记如下:1根框、101半圆铁框、102挂孔、103插销螺丝、104插销孔、105插销片、106锯齿状凸起、2十字承击板、201击打木块、202位置固定杆、203十字臂、204加固条、205缓冲木块、3取根车、301转轴、302夯锤、302-1左右控制滑轮、302-2前后控制滑轮、302-3夯击杆、302-4夯锤挂杆、303电机传动链条、304夯锤传动链条、305电机、306减速机、307控制器、308进倒手把、309电瓶、310导轨、311支撑杆、312拆卸装置、313夯锤吊棒、314后桥、315后桥电机、316龙门架、317挂杆、318手拉葫芦、319钢丝绳、320方形铁框、321U型卸扣、322 土坑、4洗根机构、401悬挂三脚架、402挂钩、403玉米茎杆、404调压喷头、405喷头支撑三脚架、406 土柱、407半圆护底框、408绳索。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。如图1-图8所示，本发明提供的取样系统包括根框1、十字承击板2和取根车3 ；如图1所示，取框I包括一圆柱筒体，该圆柱筒体由2个半圆铁框101对接而成，其内径为50cm,高为50cm,厚度为4mm ;两个半圆铁框101通过其两侧的插销孔104和插销片105形成可拆卸配合，且设于两端部位的插销片105还通过插销螺丝103进行固定。在圆柱筒体的端面上设有若干个锯齿状凸起106，以减少阻力；与设置锯齿状凸起106相对的圆柱筒体的端部上设有4个挂孔102，以便于吊起根框I时使用。如图2所示，该十字承击板2的4个十字臂203上设有加固条204，其长度为60cm ；在十字承击板2的十字交叉处设有击打木块201，十字臂203的端部的表面上设有缓冲木块205，该击打木块201与缓冲木块205设于十字臂203的两侧。在十字臂203的端部的侧面设有位置固定杆202。该十字承击板2可设于根框I中的圆柱筒体上。
该取根车3包括行走机构、夯击根框机构和吊起根框机构,且夯击根框机构与吊起根框机构沿取根车3的纵向方向排布。如图3和图4所示，该夯击根框机构包括设于取根车3的车架上的支撑杆311、2个转轴301、电机传动链条303、夯锤302和夯锤传动链条304 ；其中转轴301分别设于支撑杆311的两端；电机传动链条303和夯锤传动链条304均设于2个转轴301上，电机传动链条303与减速机306相连接，减速机306与电机305相连接；该夯锤传动链条304的对角线处设有2个夯锤吊棒313，如图6所示；如图5所示，该夯锤302包括夯锤本体(图中未标)，在夯锤本体的侧壁上靠近其顶部处设有夯锤挂杆302-4，该夯锤挂杆302-4可吊挂在夯锤吊棒313上；夯锤本体的远离夯锤挂杆302-4的端面上设有夯击杆302-3。沿取根车3的横向方向，该夯锤302的相对的两个侧面上各设有2个左右控制滑轮302-1和2个前后控制滑轮302-2，该夯锤302可通过左右控制滑轮302-1和前后控制滑轮302-2沿导轨310进行垂直上下运动，如图3所示。如图7所示，吊起根框机构包括设于取根车3的车架上的龙门架316、手拉葫芦318和方形铁框320 ;其中龙门架316通过挂杆317与手拉葫芦318相连接，该手拉葫芦318通过钢丝绳319与方形铁框320的4个棱角相连接，然后通过U形卸扣321与挂孔102相连接。该吊起根框机构中，方形铁框320的对角线长度大于圆柱筒体的直径。如图3所示，本发明中的行走机构由电瓶309作为电力来源，配有800w的后桥电机315驱动后桥314，进退手把308通过控制器307操控行走方向。如图8所示，本发明的取样系统还包括洗根机构4，该洗根机构4包括一悬挂三角架401、4个调压喷头404、喷头支撑三角架405和圆柱体形护底框；其中悬挂三角架401通过挂钩402悬挂玉米茎杆403，圆柱体形护底框由两个半圆护底铁框组成407 (50cm直径，15cm高)组成；调压喷头404设于喷头支撑三角架405上。使用本发明提供的取样系统进行取根时，可按照下述步骤进行:(I)、切下玉米莖杆，以植株基部为中心放置50cm直径,高50cm,厚4mm的根框I。(2)、将十字承击板2放置在根框I顶部，位置固定杆202控制十字承击板2在根框I顶部的位置。设置的击打木块201和缓冲木块205可减少夯锤302击打根框I时产生的噪音。(3)、将取根车3的夯锤302的夯击杆302_3的中心对准十字承重板2的顶部击打木块201。当取根车3工作时，由1.5kw的220v电机305驱动1.5kw的减速机306，通过电机传动链条303转动支撑杆311顶部的转轴301，进而驱动夯锤传动链条304。夯锤传动链条304的两端设置的夯锤吊棒313可用于吊起夯锤挂杆302-4。当夯锤302被吊起到支撑杆311顶部时，夯锤挂杆302-4与夯锤吊棒313脱离，夯锤302沿导轨310做自由落体运动，击打根框I顶部的十字承重板2的击打木块201。此时夯锤传动链条304上的另一个夯锤吊棒313将夯锤302吊起，重复上述运动。夯锤302的每次击打能将根框I夯入土壤I 3 cm 深。(4)、当根框I被锤入土壤50cm深后，将取根车往前开动，让龙门架316的中心对准根框的中心，龙门架的挂杆317上挂有手拉葫芦318，手拉葫芦318挂住钢丝绳319顶部，方形铁框320边长55cm，用于撑起钢丝绳319，钢丝绳319底部挂有四个U型卸扣321，四个U型卸扣321与根框I的四个挂孔102相连。由于方形铁框320的对角线长度大于根框I的直径，当用手拉葫芦318吊起根框I时，钢丝绳319不仅对根框I有向上拉的力，还有对根框I顶部有向外拉的力，从而使根框I底部夹紧土柱406，避免土柱406在吊起的过程中因为土柱406本身的重量大于根框I框壁的对土柱406周围的摩擦而脱落。(5)、当根框I吊离土面IOcm后，将取根车3往后开动lm，用手拉葫芦318将根框I放置在土面上，卸下卸扣321，将根框I放倒在土面上，将根框运出田间。(6)、将根框I上下四个插销螺丝103卸下，露出土柱406，用洗根机构4洗根。挂钩402勾住玉米茎杆403，避免洗根过程中，玉米根系因为失去土壤的支撑而倒伏。洗完根系后，将根系放置于装满水的桶中，在3摄氏度下保存。
权利要求
1.一种用于大田中后期玉米单株根系的取样的根框，其特征在于: 所述取框包括一圆柱筒体，所述圆柱筒体由2个半圆柱筒体对接而成，且所述2个半圆柱筒体之间为可拆卸配合； 所述圆柱筒体的一个端面上设有若干个锯齿状凸起。
2.根据权利要求1所述的根框，其特征在于:所述半圆柱筒体之间通过插销孔与插销片形成可拆卸配合； 所述半圆柱筒体之间的2个对接面均通过3个所述插销片与3个所述插销孔进行配合，位于所述半圆柱筒体端部的所述插销片还通过插销螺丝与所述半圆柱筒体配合。
3.根据权利要求1或2所述的根框，其特征在于:与设置所述锯齿状凸起相对的所述圆柱筒体的端部上设有挂孔。
4.一种用于大田中后期玉米单株根系的取样系统，其特征在于:所述取样系统包括权利要求1-3中任一项所述根框、十字承击板和取根车； 所述十字承击板可设于所述根框中所述圆柱筒体的端部上； 所述取根车包括行走机构、夯击根框机构和吊起根框机构； 所述夯击根框机构包括设于所述取根车的车架上的支撑杆、2个转轴、电机传动链条、夯锤和夯锤传动链条；所述转轴分别设于所述支撑杆的两端；所述电机传动链条和所述夯锤传动链条均设于2个所述转轴上，所述电机传动链条与电机相连接；所述夯锤传动链条上设有2个夯锤吊棒,所述2个夯锤吊棒之间设有间距；所述夯锤包括夯锤本体,所述夯锤本体的侧壁上靠近其顶部处设有夯锤挂杆，所述夯锤挂杆可吊挂在所述夯锤吊棒上； 所述吊起根框机构包括设于所述取根样车的车架上的龙门架、手拉葫芦和方形框体；所述手拉葫芦设于所述龙门架上，所述手拉葫芦通过绳索与所述方形框架的4个棱角相连接，所述绳索还可与所述圆柱筒体相连接；方形框架的对角线长度大于所述圆柱筒体的直径; 所述夯击根框机构与所述吊起根框机构沿所述取根车的纵向方向排布。
5.根据权利要求4所述的取样系统，其特征在于:所述取样系统还包括洗根机构，所述洗根机构包括一悬挂三角架、若干个调压喷头、喷头支撑三角架和圆柱体形护底框；所述调压喷头设于所述喷头支撑三角架上； 所述圆柱体形护底框由2个半圆柱形护底框组成。
6.根据权利要求4或5所述的取样系统，其特征在于:所述夯锤本体的远离所述夯锤挂杆的端面上设有夯击杆。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的取样系统，其特征在于:组成所述十字承击板的十字臂上设有加固条； 所述十字承击板的十字交叉处设有击打木块； 所述十字臂的端部的表面上设有缓冲木块，所述击打木块与所述缓冲木块设于所述十字臂的两侧； 所示十字臂的端部的侧面设有位置固定杆。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的取样系统，其特征在于:沿所述取根车的横向方向，所述夯锤的相对的两个侧面上各设有2个左右控制滑轮和2个前后控制滑轮，所述夯锤可通过所述左右控制滑轮和所述前后控制滑轮沿导轨进行垂直上下运动。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的取样系统，其特征在于:所述2个夯锤吊棒设于所述夯锤传动链条的对角线上。
10.根据权利要求4-9中任一项所述的取样系统，其特征在于:所述绳索为钢丝绳，所述钢丝绳通过U形卸扣与所述挂孔相连接； 所述取样车上还设有行走控制器和与之相连接的进倒把手。
全文摘要
本发明公开一种用于大田中后期玉米单株根系的取样系统及其专用根框。该取样系统包括权根框、十字承击板和取根车；所述十字承击板可设于所述根框中所述圆柱筒体的端部上；所述取根车包括行走机构、夯击根框机构和吊起根框机构；所述夯击根框机构包括设于所述取根车的车架上的支撑杆、2个转轴、电机传动链条、夯锤和夯锤传动链条；所述夯锤包括夯锤本体，所述夯锤本体的侧壁上靠近其顶部处设有夯锤挂杆，所述夯锤挂杆可吊挂在所述夯锤吊棒上；所述吊起根框机构包括设于所述取根样车的车架上的龙门架、手拉葫芦和方形框体；所述夯击根框机构与所述吊起根框机构沿所述取根车的纵向方向排布。可根据科学研究的需要，适当改变取样框的大小，本发明也适用于同一作物的不同生育期和其他作物的不同生育期。
文档编号G01N1/08GK103196701SQ20131014044
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者吴劼, 郭焱 申请人:中国农业大学