空间植物栽培基质含水量控制装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种空间植物栽培基质含水量控制装置，包括栽培盘、多孔管、栽培基质、压力传感器、进水控制阀、蠕动泵、进水管、出水管以及水箱，所述栽培盘中充满栽培基质；所述多孔管埋于所述栽培基质中；所述多孔管的进水端与所述水箱之间通过所述进水管相连；所述压力传感器和所述进水控制阀安装在所述进水管上；所述多孔管的出水端与所述水箱之间通过所述出水管相连，所述蠕动泵安装在所述出水管上；所述多孔管、进水管、出水管以及水箱形成水循环回路。该装置通过控制栽培基质与多孔管间的水势梯度，在水箱-多孔管-栽培基质-植物之间建立了一套栽培基质含水量自动控制系统，使栽培基质一直保持在植物最适生长的水分状态。
【专利说明】空间植物栽培基质含水量控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及载人航天受控生态生保技术研究领域，特别涉及一种空间植物栽培基质含水量控制装置。
【背景技术】
[0002]空间环境下高等植物的长期栽培对于人类了解植物在空间的生长发育规律、利用空间特殊条件进行植物诱变育种、建立受控生态生保系统具有重要作用。微重力条件下，由于栽培基质毛细作用、颗粒重排、机械振动等因素，植物根部水分的分布和运移呈现出不同于地面环境的特征。因此，如何进行针对空间微重力条件下植物栽培模块中根系水分的控制，是空间植物正常生长的根本保障。 [0003]地面环境中，植物栽培的主要供水方式依赖于供水水头与多孔管间的正高程差，水分从多孔管流向栽培基质被植物吸收，该供水方式存在供水不及时、易造成水资源浪费等问题；近年来，一种更为节约的供水方式被提出，即在供水水头低于多孔管的负高程差的条件下，以栽培基质的基质势为驱动力，依靠基质吸力实现水分补给。具体工作方式为:正常情况下，当栽培盘中基质含水量一定时，基质的基质势相对恒定，基质吸力与多孔管内水压处于平衡；随着植物蒸腾和水分蒸发，栽培基质中基质吸力增大，水分会从多孔管流向基质供植物生长；反之，基质中含水量过多时，栽培基质吸力减小，水分会从基质流向多孔管排出。该方法的优势在于能根据基质缺水程度自动调节供水量，避免了栽培基质过干或过湿。然而，该供水方式在空间的应用仍存在一定局限，特别是空间微重力条件下，供水水头与多孔管零高程差时，多孔管内压力的控制以及栽培基质基质势的维持都是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种在空间微重力条件下的植物栽培基质含水量控制装置。
[0005]一种空间植物栽培基质含水量控制装置，包括栽培盘、多孔管、栽培基质、压力传感器、进水控制阀、蠕动泵、进水管、出水管以及水箱，其中，所述栽培盘中充满栽培基质；所述多孔管以蛇形埋于所述栽培基质中；所述多孔管的进水端与所述水箱之间通过所述进水管相连；所述压力传感器和所述进水控制阀安装在所述进水管上；所述多孔管的出水端与所述水箱之间通过所述出水管相连；所述蠕动泵安装在所述出水管上；所述多孔管、进水管、出水管以及水箱形成水循环回路。
[0006]所述栽培基质为多孔陶瓷栽培基质。
[0007]所述多孔栽培基质粒径约0.25~lmm ;内部空气孔隙度30-35% ;内部水分孔隙度30~40%。
[0008]所述多孔管为不锈钢多孔管。
[0009]所述多孔管表面布满微孔，微孔孔径5μπι;所述多孔管以蛇形管道排列，管道内径IOmm,蛇形弯管半径为30mm,纵向节距为60mm。
[0010]本发明还提供了在空间微重力条件下使用空间植物栽培基质含水量控制装置培养植物的方法，所述栽培基质含水量控制装置在植物生长的全过程必须处于工作状态，使用所述装置时多孔管的所述进、出水端与所述水箱中水位差为零。工作过程中，在栽培基质额定含水量条件下，调节所述进水控制阀的孔径或者所述蠕动泵的转速至额定水压时，该水压与栽培基质基质势平衡；随着植物蒸腾和水分蒸发，栽培基质中基质势降低，基质吸力增大，保持多孔管内水压恒定，水分会从多孔管内流向栽培基质；反之，当栽培基质中含水量增加时，基质吸力减小，水分会从栽培基质流入多孔管。因此，通过调节所述进水控制阀的孔径或者所述蠕动泵的转速至额定水压，以栽培基质基质势与多孔管内水压的水势梯度为驱动力，即可使基质一直保持在植物最适生长的水分状态。
[0011]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0012]1、本发明实现了零水头即多孔管与水箱水位相等条件下植物栽培基质中的水分补给和含水量控制，与常规方法相比，零水头符合空间微重力条件下水分的分布状况。
[0013]2、与常规供水方法相比，该系统能根据基质缺水程度自动调节供水量，使基质一直保持植物最适生长的水分状态，是一种自动调节的供水方式。
[0014]3、多孔管中水分以毛细流的形式进入基质，既保证了供水的均匀性，也达到了节约水分的目的。
[0015]本发明可应用于空间植物培养装置，也将对地面条件下植物根系供水方法的改进具有良好的借鉴作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1空间植物栽培基质含水量控制装置结构示意图；
[0017]图2多孔管在栽培盘中`的排布示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0019]如图1所示，空间植物栽培基质含水量控制装置包括栽培盘1、多孔管2、栽培基质
3、压力传感器4、进水控制阀5、蠕动泵6、进水管7、出水管8和水箱9。
[0020]栽培盘I中充满多孔栽培基质3 ;多孔管2埋于基质中；多孔管2的进水端10与水箱9之间通过进水管7相连；压力传感器4和进水控制阀5安装在进水管7上；多孔管2的出水端11与水箱9之间通过出水管8相连，蠕动泵6安装在出水管8上；且多孔管2、进水管7、出水管8与水箱9形成水循环回路。
[0021]空间植物栽培基质含水量控制装置在植物生长的全过程必须处于工作状态，并保持多孔管2的所述进、出水端10、11与所述水箱9中水位差为零，栽培开始时，通过多孔管2向多孔栽培基质3中慢慢加水至饱和，然后调整蠕动泵6的转速方向，利用多孔管2将多余水分排出至额定含水量。参考栽培基质水分特征曲线，可知额定含水量条件下栽培基质3的基质势，保持蠕动泵6转速不变，调节进水控制阀5的孔径至相应压力大小等于基质势，装置即可保持在额定含水量并稳定运行；同理，保持进水控制阀5的孔径不变，调节蠕动泵6转速至多孔管内水压与基质势平衡，该装置亦可稳定运行。[0022]实施例1
[0023]本实施例中选用拟南芥为目标植物，在70%基质含水量条件下进行3 30天培养实验。
[0024]本实施例中栽培盘I为320mmx220mmx60mm的不锈钢浅盘，其中排布有多孔管，并填充厚度为30mm的栽培基质3。
[0025]实施例中选用的多孔管为不锈钢多孔管，多孔管的微孔孔径为5 μ m，多孔管在栽培盘内以蛇形排列，管道内径为10mm，弯管半径为30mm，纵向节距为60mm，多孔管位于距离栽培盘底部15mm处，并且管的进水端10、出水端11与水箱9中水位差为零。
[0026]栽培基质3为多孔陶瓷基质(PPC)，孔径介于0.25~1mm，内部空气孔隙度35% ;内部水分孔隙度39%。
[0027]压力传感器量程为(TlkPa。
[0028]进水管7、出水管8为内径2mm的乳胶管。
[0029]实验开始时，通过多孔管2向多孔栽培基质3中慢慢加水至饱和，尽量减少自然状态下内部空气的滞留，然后调整蠕动泵6的转速方向，利用多孔管2将多余水分排出至70%基质相对含水量。参考多孔陶瓷PPC基质的水分特征曲线，在70%基质相对含水量条件下，PPC基质中相应基质吸力约为650Pa，调节蠕动泵转速至20rpm，此时，栽培盘内进、出水量基本相等，基质相对含水 量保持70%不变；播种拟南芥并连续在30天内对基质含水量进行记录，结果显示栽培盘中基质含水量变化介于70%±2%。
【权利要求】
1.一种空间植物栽培基质含水量控制装置，包括栽培盘(I)、多孔管(2)、栽培基质(3)、压力传感器(4)、进水控制阀(5)、蠕动泵(6)、进水管(7)、出水管(8)以及水箱(9)，其特征在于:所述栽培盘(I)中充满栽培基质(3);所述多孔管(2)埋于所述栽培基质(3)中；所述多孔管(2)的进水端(10)与所述水箱(9)之间通过所述进水管(7)相连；所述压力传感器(4)和所述进水控制阀(5)安装在所述进水管(7)上；所述多孔管(2)的出水端(11)与所述水箱(9)之间通过所述出水管(8)相连；所述蠕动泵(6)安装在所述出水管(8)上；所述多孔管(2)进水管(7)、出水管(8)以及水箱(9)形成水循环回路。
2.如权利要求1所述的空间植物栽培基质含水量控制装置，其特征在于所述栽培基质(3)为多孔陶瓷栽培基质。
3.如权利要求2所述的空间植物栽培基质含水量控制装置，其特征在于所述多孔陶瓷栽培基质粒径约0.25~Imm ;内部空气孔隙度30~35% ;内部水分孔隙度30~40%。
4.如权利要求1所述的空间植物栽培基质含水量控制装置，其特征在于所述多孔管(2)为不锈钢多孔管。
5.如权利要求1所述的空间植物栽培基质含水量控制装置，其特征在于所述多孔管(2)表面布满微孔，微孔孔径5μπι;所述多孔管以蛇形管道排列，管道内径10mm，蛇形弯管半径为30mm,纵向节距为60mm。
6.使用如权利要求1所述的空间植物栽培基质含水量控制装置在空间微重力条件下培养植物的方法，其特征在于使用所述装置时多孔管(2)的所述进、出水端(10、11)与所述水箱(9)中水位差为零；所述装置在植物生长的全过程处于工作状态，通过调节所述进水控制阀(5)的孔径或者所述蠕动泵(6)的转速，调节所述多孔管(2)内水压。
【文档编号】A01G9/02GK103704042SQ201210377526
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年10月8日 优先权日:2012年10月8日
【发明者】李飞, 赵仁滨, 张文德, 袁俊霞 申请人:北京天辰空间生物医药研发有限公司