植物根系吸收数据收集装置及方法与流程

本发明涉及农业机械的技术领域，尤其涉及植物根系吸收数据收集装置及方法。

背景技术：

施肥，是指将肥料施于土壤中或喷洒在植物上，提供植物所需养分，并保持和提高土壤肥力的农业技术措施。施肥的主要目的是增加作物产量，改善作物品质，培肥地力以及提高经济效益，因此合理和科学施肥是保障粮食安全和维护农业可持续性发展的主要手段之一。

施肥的主要依据是土壤肥力水平、作物类型、目标产量、气候环境以及肥料特点，从而选择合适的肥料，估算所需要肥料用量，并确定施肥时间和施肥模式。依据施肥时间的不同，可分为基肥和追肥，依据施肥模式的不同可分为撒施、冲施、穴施、条施等；撒施和冲施有利于养分的扩散，施用方便，但养分损失大，利用率较低；穴施和条施养分损失少，利用率高，但要消耗一定的机械能；随着现代精准农业的发展，精确施肥也得到了快速发展，并将成为一种重要的施肥模式。

目前，不管是粗放式施肥还是精确施肥，均无法做到高精确度地解植物根系吸收养分的组成以及具体效果。以施氮肥为例，即使是精确滴灌式施肥，也仅仅是将氮元素溶解在水中，以固定的速度向植物根部滴注，至于植物根系吸收了多少氮元素，则无从得知。

随着无土化栽培日益推广，详细了解不同植物在不同时期，具体需要多少氮、磷、钾元素的补充以及不同元素之间具体应该怎样搭配才是最佳选择是非常必要的。要获得以上信息，就必须要有相应的装置和方法，用于精确测量植物根系吸收数据。而此领域目前尚属空白。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种能原位精确测量植物根系在一定时间内吸收某种元素的量的植物根系吸收数据收集装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

植物根系吸收数据收集装置，其中：包括定位管、营养维持部、填充体以及拆卸式循环结构，其中，

定位管由左右对称的左半管和右半管合围组成，定位管中间形成有上下贯通的植物根系固定腔，定位管上端向外延伸形成有水平的上挡板，上挡板的下表面固定有磁铁，定位管下端向外延伸形成有水平的下挡板，下挡板上部设置有卡凸，植物根系能从植物根系固定腔上端开口插入植物根系固定腔中，植物根系固定腔上部开设有循环液进口,植物根系固定腔下部开设有循环液出口，植物根系固定腔的内腔体上开设有若干个横向固定槽,横向固定槽上下间隔设置，定位管上开设有若干个维持通孔，维持通孔横向贯通植物根系固定腔和定位管外表面，定位管的外表面设置有竖向滑槽；

营养维持部包括维持部壳体,维持部壳体内形成有维持腔，维持腔内注入供植物根系维持正常存活的水溶液，维持部壳体贴在定位管的外表面，并位于上挡板和下挡板之间，维持部壳体与定位管贴近的一面设置有滑凸，滑凸能卡入竖向滑槽中滑动，使维持部壳体能相对于定位管上下滑动，维持部壳体上端为铁磁性材料制作，维持部壳体滑动到其自身行程上端时，能与磁铁相互吸附，从而与上挡板固定，维持部壳体下端设置有与卡凸配合的卡槽，维持部壳体滑动到其自身行程下端时，卡槽能被卡凸卡住，使维持部壳体与下挡板固定，维持腔与定位管贴近的一面设置有与维持通孔一一对应的维持腔孔，维持腔内放置有一扩散海绵体，该扩散海绵体包括主体部、连接部和扩散头，主体部数量为一个，位于维持腔中，扩散头的数量和位置与维持通孔的数量和位置一一对应，扩散头位于植物根系固定腔中，扩散头通过连接部与主体部一体式连接，连接部同时穿过维持腔孔和维持通孔，连接部为柔性材料制作，主体部能吸收维持腔内的水溶液，维持部壳体滑动到其自身行程上端时，维持腔孔与维持通孔对齐，主体部通过扩散作用，将水溶液经连接部扩散至扩散头处，维持部壳体滑动到其自身行程下端时，维持腔孔与维持通孔错开，挤压连接部，使水溶液无法从主体部进入扩散头，维持腔上开设有注液口；

填充体为多孔海绵，填充体填充于植物根系固定腔中，填充体上设置有填充体卡块，该填充体卡块能卡在横向固定槽中，使填充体固定在植物根系固定腔中，植物根系的根须能伸入填充体的孔隙中，填充体与扩散头紧密接触，并从扩散头吸取水溶液，使填充体保持湿润；

拆卸式循环结构包括注液泵、定量溶液瓶、循环管以及气泵，循环管的两端能分别接在循环液进口和循环液出口上，注液泵和定量溶液瓶均接在循环管上，注液泵能将定量溶液瓶中的溶液经循环液进口泵入植物根系固定腔中，从循环液出口流出的溶液经循环管流回定量溶液瓶中，气泵接在靠近循环液进口的循环管上，用于向循环液进口注入空气，定量溶液瓶的上端开设有出气口，出气口上安装有单向阀，单向阀允许定量溶液瓶内的气体排出，不允许外界气体进入定量溶液瓶。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的左半管和右半管通过胶黏的形式固定在一起，共同合围出植物根系固定腔，植物根系固定腔的上端开口与植物根系之间通过胶黏的方式密封固定，植物根系固定腔的下端开口通过胶膜或塑料膜密封。

上述的维持腔下端设有抽液孔。

上述的注液口和抽液孔均为常闭口。

上述的左半管和右半管为透明塑料管。

上述的定量溶液瓶上设有刻度。

植物根系吸收数据收集方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、准备实验场地，将场地中的土壤更换为统一的培养土，在培养土上种植目标植物；

步骤二、待植物生长至一定阶段，选择长势相近的植物作为实验植物，去除其他植物，将实验植物根部土壤去除一部分，使实验植物部分根部暴露在外，选择合适大小的一个支系根作为实验根，清洗实验根，使其表面没有土壤附着，其余暴露根系重新埋入土中；

步骤三、将左半管和右半管合抱在实验根上，使实验根完全处于植物根系固定腔中，然后以胶水将左半管和右半管固定为一体，植物根系固定腔的上端开口与植物根系之间也以胶水封严，使土壤以及水份无法从循环液进口和循环液出口以外的位置进入定位管；

步骤四、将营养维持部滑动到其自身行程上端，与磁铁固定，在营养维持部的维持腔中首次注液的水溶液中掺混有生根水，水溶液通过扩散作用，经扩散海绵体进入填充体，实验根在生根水的作用下，生出须根，扎入扩散海绵体中，与扩散海绵体紧密固定；随着水溶液的消耗，后续注入维持腔中的水溶液中不再含有生根水成分；

步骤五、试验前，将营养维持部滑动到其自身行程下端，维持腔孔与维持通孔错开，挤压连接部，使水溶液无法进入定位管，从抽液孔抽出维持腔中的水溶液，经循环液进口持续向定位管内充入清水，水和空气经循环液出口流出，持续一定时间后，认为定位管中的液体完全为清水，调配含目标元素浓度已知的试验水溶液，注入定量溶液瓶中，将循环管两端接在循环液进口和循环液出口上，开启注液泵，短时间内使定量溶液瓶和定位管形成数次液体循环，从而使定量溶液瓶和定位管内的水溶液均匀混合；

步骤六、抽取少量定量溶液瓶内的液体，检测目标元素浓度，进而算出定位管容积；具体算法为:

即

式中，v注入为注入定量溶液瓶中的试验水溶液体积，v1为定量溶液瓶内溶液体积量，通过定量溶液瓶上刻度可知，v定位管为定位管容积，v循环管为循环管及注液泵中留存的水溶液含量，ρ1为注入定量溶液瓶中的试验水溶液目标元素浓度，ρ2为步骤六中抽取少量定量溶液瓶内的液体的目标元素浓度；

步骤七、开启气泵，降低注液泵功率，使空气混合试验水溶液持续在定量溶液瓶和定位管之间循环流动，保持到实验结束时；

步骤八、实验结束时，关闭气泵，提高注液泵功率，短时间内使定量溶液瓶和定位管形成数次液体循环，从而将定位管内空气冲净，使定位管内充满水溶液；

步骤九、抽取少量定量溶液瓶内的液体，检测目标元素浓度，进而算出植物根系吸收目标元素的含量；具体算法为：

m注入＝v注入ρ1

m吸收＝m注入-m剩余

式中，m注入为注入定量溶液瓶中的试验水目标元素的含量，m剩余为实验结束时定量溶液瓶、循环管、注液泵以及定位管中剩余的目标元素的含量，m吸收为实验期间实验根吸收的目标元素的含量，ρ3为步骤九中抽取少量定量溶液瓶内的液体的目标元素浓度。

上述的目标元素包括氮或磷或钾。

本发明具有以下优点：

1、通过将场地中的土壤更换为统一的培养土，在培养土上种植目标植物；然后选择长势相近的植物作为实验植物，并选择长势相近的根系作为实验根系，能获得生长情况相近的实验组和对照组，有利于后续观察植物根系在吸收目标元素后生长态势上的差别。

2、本发明原位采集植物根系的吸收数据，植物的大部分根部不受影响，保证植物的生长状态，从而使采集的植物根系吸收数据较为真实可靠。

3、本发明通过左右对称的左半管和右半管将实验根系合围，保证外部土壤不会对定位管中的植物根部产生影响，通过营养维持部保持定位管中的植物根部正常生存，从而使实验根可以长期使用，在某一实验做完之后，可以将本发明的装置一直留存在植物根系上，等待下一次实验继续使用，有效降低成本。

4、本发明在定位管中设置了填充体，该填充体为多孔海绵，具有双重作用：一是保持水份和空气，使植物根系始终处于有水有氧状态，从而使植物根系正常生存，二是提供固定基，使植物的须根能扎入多孔海绵中固定，使植物根系能抵抗实验中的水流冲击，保持正常的伸展状态；为了提高植物的须根扎根能力，在植物根部放入定位管中时，本发明还在营养维持部第一次注液的水溶液中掺混有生根水，促进植物扎根，在植物扎根情况达到预期后，后续的注液不再添加生根水。

5、本发明的植物根系吸收数据收集装置具有生存维持状态和实验状态两种状态，切换方便，生存维持状态下，营养维持部的水溶液透过扩散海绵体进入填充体，保证植物根系获得必要的水份，实验状态下，营养维持部的水溶液被切断，无法进入定位管，取而代之的是拆卸式循环结构为定位管中的植物根系提供掺入目标元素的水溶液以及空气，操作方便；本发明为植物提供水溶液的同时，还提供了新鲜空气，保证植物根系不会因缺氧坏死。

6、本发明在实验前对定位管进行冲洗，去除原本残留在定位管中的溶液，使实验开始时，定位管中填满清水，保证实验数据不受干扰，真实可靠。

7、本发明提供了一种检测植物根系预定时间内吸收目标元素量的测算方法，根据该方法，无需对定位管以及定位管中的植物根系进行操作，仅通过对定量溶液瓶内的溶液浓度进行检测，即可精确得知植物根系吸收目标元素量。

8、本发明的装置可以用于多种元素、化合物的植物吸收数据检测，泛用性广。

附图说明

图1是本发明定位管的结构示意图；

图2是左半管或右半管的内侧结构示意图；

图3是填充体安装在定位管中的示意图；

图4是营养维持部与定位管贴合一面的示意图；

图5是营养维持部背离定位管一面的示意图；

图6是营养维持部安装在定位管上的示意图；

图7是生存维持状态下，营养维持部和定位管配合的结构示意图；

图8是图7的a部结构放大图；

图9是图7的b部结构放大图；

图10是实验状态下，营养维持部和定位管配合的结构示意图；

图11是图10的c部结构放大图；

图12是图10的d部结构放大图；

图13是本发明的使用状态图。

图中标记名称：定位管1、左半管11、右半管12、植物根系固定腔1a、上挡板1b、磁铁1c、卡凸1d、循环液进口1e、循环液出口1f、横向固定槽1g、维持通孔1h、竖向滑槽1i、下挡板1j、营养维持部2、维持部壳体21、维持腔22、滑凸23、卡槽24、扩散海绵体25、主体部25a、连接部25b、扩散头25c、注液口26、抽液孔27、填充体3、拆卸式循环结构4、注液泵41、定量溶液瓶42、循环管43、气泵44。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的植物根系吸收数据收集装置，其中：包括定位管1、营养维持部2、填充体3以及拆卸式循环结构4，其中，

定位管1由左右对称的左半管11和右半管12合围组成，定位管1中间形成有上下贯通的植物根系固定腔1a，定位管1上端向外延伸形成有水平的上挡板1b，上挡板1b的下表面固定有磁铁1c，定位管1下端向外延伸形成有水平的下挡板1j，下挡板1j上部设置有卡凸1d，植物根系能从植物根系固定腔1a上端开口插入植物根系固定腔1a中，植物根系固定腔1a上部开设有循环液进口1e,植物根系固定腔1a下部开设有循环液出口1f，植物根系固定腔1a的内腔体上开设有若干个横向固定槽1g,横向固定槽1g上下间隔设置，定位管1上开设有若干个维持通孔1h，维持通孔1h横向贯通植物根系固定腔1a和定位管1外表面，定位管1的外表面设置有竖向滑槽1i；

营养维持部2包括维持部壳体21,维持部壳体21内形成有维持腔22，维持腔22内注入供植物根系维持正常存活的水溶液，维持部壳体21贴在定位管1的外表面，并位于上挡板1b和下挡板1j之间，维持部壳体21与定位管1贴近的一面设置有滑凸23，滑凸23能卡入竖向滑槽1i中滑动，使维持部壳体21能相对于定位管1上下滑动，维持部壳体21上端为铁磁性材料制作，维持部壳体21滑动到其自身行程上端时，能与磁铁1c相互吸附，从而与上挡板1b固定，维持部壳体21下端设置有与卡凸1d配合的卡槽24，维持部壳体21滑动到其自身行程下端时，卡槽24能被卡凸1d卡住，使维持部壳体21与下挡板1j固定，维持腔22与定位管1贴近的一面设置有与维持通孔1h一一对应的维持腔孔，维持腔22内放置有一扩散海绵体25，该扩散海绵体25包括主体部25a、连接部25b和扩散头25c，主体部25a数量为一个，位于维持腔22中，扩散头25c的数量和位置与维持通孔1h的数量和位置一一对应，扩散头25c位于植物根系固定腔1a中，扩散头25c通过连接部25b与主体部25a一体式连接，连接部25b同时穿过维持腔孔和维持通孔1h，连接部25b为柔性材料制作，主体部25a能吸收维持腔22内的水溶液，维持部壳体21滑动到其自身行程上端时，维持腔孔与维持通孔1h对齐，主体部25a通过扩散作用，将水溶液经连接部25b扩散至扩散头25c处，维持部壳体21滑动到其自身行程下端时，维持腔孔与维持通孔1h错开，挤压连接部25b，使水溶液无法从主体部25a进入扩散头25c，维持腔22上开设有注液口26；

填充体3为多孔海绵，填充体3填充于植物根系固定腔1a中，填充体3上设置有填充体卡块，该填充体卡块能卡在横向固定槽1g中，使填充体3固定在植物根系固定腔1a中，植物根系的根须能伸入填充体3的孔隙中，填充体3与扩散头25c紧密接触，并从扩散头25c吸取水溶液，使填充体3保持湿润；

拆卸式循环结构4包括注液泵41、定量溶液瓶42、循环管43以及气泵44，循环管43的两端能分别接在循环液进口1e和循环液出口1f上，注液泵41和定量溶液瓶42均接在循环管43上，注液泵41能将定量溶液瓶42中的溶液经循环液进口1e泵入植物根系固定腔1a中，从循环液出口1f流出的溶液经循环管43流回定量溶液瓶42中，气泵44接在靠近循环液进口1e的循环管43上，用于向循环液进口1e注入空气，定量溶液瓶42的上端开设有出气口42a，出气口42a上安装有单向阀，单向阀允许定量溶液瓶42内的气体排出，不允许外界气体进入定量溶液瓶42。

实施例中，左半管11和右半管12通过胶黏的形式固定在一起，共同合围出植物根系固定腔1a，植物根系固定腔1a的上端开口与植物根系之间通过胶黏的方式密封固定，植物根系固定腔1a的下端开口通过胶膜或塑料膜密封。

实施例中，维持腔22下端设有抽液孔27。

实施例中，注液口26和抽液孔27均为常闭口。

实施例中，左半管11和右半管12为透明塑料管。

实施例中，定量溶液瓶42上设有刻度。

植物根系吸收数据收集方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、准备实验场地，将场地中的土壤更换为统一的培养土，在培养土上种植目标植物；

步骤二、待植物生长至一定阶段，选择长势相近的植物作为实验植物，去除其他植物，将实验植物根部土壤去除一部分，使实验植物部分根部暴露在外，选择合适大小的一个支系根作为实验根，清洗实验根，使其表面没有土壤附着，其余暴露根系重新埋入土中；

步骤三、将左半管11和右半管12合抱在实验根上，使实验根完全处于植物根系固定腔1a中，然后以胶水将左半管11和右半管12固定为一体，植物根系固定腔1a的上端开口与植物根系之间也以胶水封严，使土壤以及水份无法从循环液进口1e和循环液出口1f以外的位置进入定位管1；

步骤四、将营养维持部2滑动到其自身行程上端，与磁铁1c固定，在营养维持部2的维持腔22中首次注液的水溶液中掺混有生根水，水溶液通过扩散作用，经扩散海绵体25进入填充体3，实验根在生根水的作用下，生出须根，扎入扩散海绵体25中，与扩散海绵体25紧密固定；随着水溶液的消耗，后续注入维持腔22中的水溶液中不再含有生根水成分；

步骤五、试验前，将营养维持部2滑动到其自身行程下端，维持腔孔与维持通孔1h错开，挤压连接部25b，使水溶液无法进入定位管1，从抽液孔27抽出维持腔22中的水溶液，经循环液进口1e持续向定位管1内充入清水，水和空气经循环液出口1f流出，持续一定时间后，认为定位管1中的液体完全为清水，调配含目标元素浓度已知的试验水溶液，注入定量溶液瓶42中，将循环管43两端接在循环液进口1e和循环液出口1f上，开启注液泵41，短时间内使定量溶液瓶42和定位管1形成数次液体循环，从而使定量溶液瓶42和定位管1内的水溶液均匀混合；

步骤六、抽取少量定量溶液瓶42内的液体，检测目标元素浓度，进而算出定位管1容积；具体算法为:

即

式中，v注入为注入定量溶液瓶42中的试验水溶液体积，v1为定量溶液瓶42内溶液体积量，通过定量溶液瓶42上刻度可知，v定位管为定位管1容积，v循环管为循环管及注液泵中留存的水溶液含量，ρ1为注入定量溶液瓶42中的试验水溶液目标元素浓度，ρ2为步骤六中抽取少量定量溶液瓶42内的液体的目标元素浓度；

步骤七、开启气泵44，降低注液泵41功率，使空气混合试验水溶液持续在定量溶液瓶42和定位管1之间循环流动，保持到实验结束时；

步骤八、实验结束时，关闭气泵44，提高注液泵41功率，短时间内使定量溶液瓶42和定位管1形成数次液体循环，从而将定位管1内空气冲净，使定位管1内充满水溶液；

步骤九、抽取少量定量溶液瓶42内的液体，检测目标元素浓度，进而算出植物根系吸收目标元素的含量；具体算法为：

m注入＝v注入ρ1

m吸收＝m注入-m剩余

式中，m注入为注入定量溶液瓶42中的试验水目标元素的含量，m剩余为实验结束时定量溶液瓶42、循环管、注液泵以及定位管1中剩余的目标元素的含量，m吸收为实验期间实验根吸收的目标元素的含量，ρ3为步骤九中抽取少量定量溶液瓶42内的液体的目标元素浓度。

实施例中，目标元素包括氮或磷或钾。

本发明的装置尤其适用于果树的根系吸收检测，值得一说的是，在实验中，使用含目标元素浓度已知的试验水溶液仅相当于对植物根系进行“施肥”，目标元素实际上在土壤中也是存在的，只是含量低于试验水溶液。本发明的装置目的在于为了解植物在预定时间内，施肥种类及多少对植物生长的影响，在后续的实验中，需要对施加不同元素或化合物试验水溶液的植物的生长态势进行比较，以及施加不同浓度试验水溶液的植物的生长态势进行比较，最终获得某个时间段内，施加何种浓度的元素或化合物对植物的生长最为有利。该实验结果会对植物无土化栽培提供重要的科学支撑。而本发明的装置和方法，则使该实验本身成为可能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。