專利名稱：用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種土壤溶液原位采集裝置，該裝置適用于土壤科學、植物營養 科學和環境科學中對植物根際化學和土壤溶液化學的研究，特別適用于水田種植
系統根際的土壤溶液原位釆集。
二背景技術：
現有技術中對于土壤溶液原位采樣裝置，已經有很多，但由于個體大、對土 體及根際擾動大等原因，很多不適合于水田根際原位溶液的采集。自從微根際土 壤溶液釆樣器誕生以來，根際原位溶液的研究已經有很多，但這些研究至今為止 僅限于旱地，對于水田種植系統來說，存在很大的問題，導致無法開展具體的研 究。
相比旱地，水田種植體系中，土壤在絕大多數時間處于淹水飽和狀態，將前 人運用于旱地研究的裝置應用于水田系統后，裝置四周均出現漏水情況，這會影
響到淹水土體及根際養分遷移、氧化還原等原位狀況；另外，適用于旱地的裝置 系統箱體窄，對于水田作物如水稻這樣的須根植物而言，尤其在飽和情況下，過 窄的箱體不利于根際和土體間的區分，這些問題均是水田根際原位溶液相研究的 重要制約因素。
三、 發明內容
技術問題本發明針對上述技術空白，提供一種特別適用于水田種植系統根 際的土壤溶液原位采集裝置，該采集裝置采集準確迅速，對水飽和土壤擾動小。
技術方案 一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置，包括真 空泵、真空控制器、壓力感應器、緩沖瓶、微樣品收集器和植物生長箱，所述植 物生長箱上設有土壤微溶液采集器，土壤微溶液采集器通過導液管與微樣品收集 器的接液管相連，微樣品收集器通過真空管與緩沖瓶連接，連接微樣品收集器和 緩沖瓶的真空管上設有真空三通開關，壓力感應器設于緩沖瓶上，緩沖瓶通過真 空管與真空泵連接，真空控制器分別與真空泵和壓力感應器電源連接。上述的一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置，包括土壤微 溶液采集器，所述植物生長箱為上端開口的單匣箱體，箱體相對的前面板和后面 板上設有一一對應的孔陣列，前面板的內側設有密封膜，土壤微溶液采集器穿過 前面板上的陣列孔和密封膜，伸入箱體內。
上述的一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置，所述前面板 和后面板上設有與孔陣列——對應的座標代碼。
有益效果本發明裝置部分組裝與拆卸均操作簡便、快捷；采樣方法中采用 經綿法定位準確，適用性廣，可以實現水田種植體系內各種植物(如水稻)土壤 原位微溶液的迅速、準確地采集；采樣器體積小(直徑僅有lmm)、采樣點小， 采樣過程中獲取采樣點周圍溶液體積極小，對水飽和土壤擾動小；不僅適用于群 根根際溶液采集，更適用于單根根際土壤溶液采集，研究更貼近于大田植物生長 的實際情況。樣品采集到所需各種養分數據的檢出的時間短可以在數分鐘內完 成。
四
圖1:本發明整體結構示意圖。其中，1,真空控制器；2,電源線；3,真空 連接管；4,玻璃導氣管；5,緩沖瓶；6，真空泵；7,壓力感應器；8,接 液管；9,彈性橡膠封套；10，導液管；11,真空收集箱；12,微樣品收集 器；13,真空三通開關；14，微土壤溶液采樣器；15,植物生長箱
圖2:植物生長箱前面箱體組合元件。其中，16,前面箱體上小孔的列代碼； 17,前面箱體上的小孔；18，前面箱體上小孔的行代碼；
圖3:植物生長箱后面箱體組合元件。其中，19,后面箱體上小孔的列代 碼；20,后面箱體上的小孔；21,后面箱體上小孔的行代碼；
圖4:植物生長箱內部結構示意圖。其中，22，植物的根；23，后面箱體； 24,前面箱體；25,前面箱體內側上的貼膜；
圖5:采樣過程示意圖；26， 土體入滲流；27,根際區橫截面28，根際外滲 流；29,非根際區橫截面
圖6:根際土壤原位溶液NH/虧缺以及Ca^富集指數示意圖。
圖7:獲取不同體積根際土壤原位溶液中NH/濃度示意圖。
五具體實施方式
實施例1:如圖1所示，兩個串聯起來的緩沖瓶、真空泵、壓力感應器、收集器在使用 真空連接管3、玻璃導氣管4連接時，連接部位的接縫處，均用真空油脂反復均 勻涂抹。真空三通開關13與真空連接管3的連接處均有生膠帶包裹后再進行連 接。真空泵電源和壓力感應器7的信號端分別連接在真空控制器的特定部位，通 過真空控制器設定所需負壓，當布置在串聯緩沖瓶5上的壓力感應器7感應到緩 沖瓶內負壓不足或超過時，真空控制器自動開啟或關閉真空泵電源。在采樣過程 時，打開真空控制器開關并設定好負壓數值，待緩沖瓶內負壓穩定后，打開真空 三通開關13，進行采樣。
如圖1所示，真空收集箱11內放置有微樣品收集器12,它由連蓋200ulPCR 管替代， 一次性使用，收集樣品。真空收集箱11上表面固定有接液管8，它與導 液管10和微土壤溶液采樣器14連接成土壤微溶液傳導通路，接縫處有彈性橡膠 封套9固定并密封。
如圖1所示，植物生長箱是釆樣兩種PVC材料組合而成的單匣上端開口的 箱體，內部厚度為14mm (如圖4所示)，其前面箱體(如圖2所示)是由布滿 圓孔18的不透明PVC板組成，此圓孔可以布置微土壤溶液采樣器，在采樣時， 前面箱體的內側要用特種密封膜25密封，防止箱體內的土壤水溶液由圓孔透 出；后面箱體(如圖3所示)是由透明的PVC板構成，前后兩面PVC板之間有 彈性密封墊連接，螺絲加固。前面箱體的每個小孑L根據所在的行、歹'j (如圖2的 16、 17所示)建立自己的坐標，并且每個小孔在后面箱體的透明PVC板上的投 影位置均有描點(如圖3的21所示)與之——對應，并有相同的坐標。有植物 種植時，種植部位靠近植物生長箱15的一側，植物根系則向著植物生長箱另外 一側和向下延伸，需要采集樣品時，從植物生長箱后面箱體(如圖3或23所 示)觀察所要采集的某個點位的行列坐標，然后將微土壤溶液原位采樣器14從 前面箱體(如圖2或24所示)相應坐標的孔內植入植物生長箱的后面箱體23內 側(如圖4所示)。微土壤溶液采樣器的內部結構如圖4所示，它分前后兩部 分，前部分由長為4mm的多孔材料組成，后部分由不透水材料組成用來傳輸由 前部采來的樣品。
實施例2
采用本發明人自有根際土壤溶液原位采集裝置進行該方法。首先用水校驗植 物生長箱箱內各處是否漏水，不漏水的箱體方可應用。為了減少土壤團粒的帶來 的土體水分和養分的不均一性，本發明采用100目土壤作為土壤材料。土壤材料 在充分拌勻肥料的情況下，緩慢注入蒸餾水，靜置12小時后墩實，以保證土體均勻，方可栽種植物。選用剛剛萌發的種子進行播種，播種部位靠近植物生長箱 的一側，植物根系則向著植物生長箱另外一側和向下延伸。采樣過程詳細結構如 圖5所示，在植物生長的某個時期，需要采集樣品時，從植物生長箱后面箱體觀 察所要采集的根際或土體某點位的行列坐標，然后將土壤微溶原位采樣器從前面 箱體相應坐標的孔內植入，植入深度直至植物生長箱的后面箱體內側表面，然后 將微土壤溶液釆樣器的另外一端用PEEK管連接到樣品收集器中。
打開真空控制器待壓力控制系統穩定后，打開真空三通開關，微土壤溶液采 樣器周圍溶液就可以通過微土壤溶液采樣器和真空管路系統進入樣品收集器，從 而實現根際土壤溶液的原位采集。本發明使用的條件是采用相對較高負壓條件(-
500hPa)在短時間內(5分鐘)采樣，以獲取50ul以內(視觀測根的直徑)體積 的溶液樣品。樣品采集完成后，迅速打開樣品收集器取出樣品，然后分別采用微 pH電極和毛細管電泳儀進行pH值和相關養分的毛細管電泳分析。
采用本發明應用于苗齡為30天的水稻根際土壤溶液原位研究。施入肥料以 N (NH4+) 、 P、 K+計，用量各為150mg/Kg干土，釆樣點位于水稻根系具有根毛 的伸長區，距根尖為5cm，設重復4次。
各樣品濃度分析顯示，群根根表NH4+濃度為1.84ppm,虧缺指數(即某點位 NH4+濃JL/距單根根表2cm點位NH4+濃度x100。/。)為指數為11%; Ca^群根根表 濃度為229.97ppm，富集指數(某點位0&2+濃度/群根根表Ca2+濃度x100。/。)為指 數為100%。距單根根表不同距離的NH/虧缺指數以及Ca"富集指數如圖6所 示，單根根表土壤溶液中NH4+虧缺指數與群根根表類似，亦呈大量耗竭趨勢， Ca^則呈累積趨勢。另外，群根根表NH4+耗竭高于單才^艮表，Ca^富集也高于單 根根表，可見根系聚集增加了表面NH4+虧缺趨勢和Ca^的累積趨勢。以往的研 究都是以在群根體系下取得的結果來指示單根根際養分狀況，我們的結果表明這 與實際情況相比有所偏高。
應用實例證明，本發明所述根際土壤溶液原位釆集方法適用于水田種植系統 根際土壤溶液相的原位研究，采樣點間相互干擾小，采樣精確，不僅適合群根根 際研究，更適合單根根際研究。
實施例3
圖5所示說明了采樣過程中采樣點的具體情況，微土壤溶液采樣器緊貼根表 布置，采集單根或群根根表土壤溶液原位樣品。以單根(直徑l-2mm)根際(距 根表2mm以內)狀況為例，如圖5所示，根表周圍采樣點為半圓柱體形狀，半圓柱體積計算公式為根表截面積x根表范圍；根表溶液體積計算公式為根表 體積x 土壤容重x 土壤含水量。
以單根l-2mm，根際范圍2mm半徑計，則此根表采樣區域的體積為最 小，3.14 x (5/2)2 x 5/2=49.0625mm3。最大為3.14 x (6/2)2 x 6/2=84.78腿3。 土壤 灌水后容重L18g/cm3。所以才艮際溶液樣品重范圍最小49.0625 x 1.18 x 47%=27.2M,最大84.78 x 1.18 x 47%=47.02ul。
根據此理論推算值，安排了獲取不同體積(50ul、 lOOul、 200ul)的單根根際 土壤原位溶液樣品的實驗，將各體積處理的樣品NH4+濃度進行比較，實驗結果如 圖7所示，結果顯示獲取體積為50ul的樣品最能體現根際土壤養分的梯度變化。
權利要求1.一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置，其特征在于包括真空泵(6)、真空控制器(1)、壓力感應器(7)、緩沖瓶(5)、微樣品收集器(12)和植物生長箱(15)，所述植物生長箱上設有土壤微溶液采集器(14)，土壤微溶液采集器(14)通過導液管(10)與微樣品收集器(12)的接液管(8)相連，微樣品收集器(12)通過真空管(3)與緩沖瓶(5)連接，連接微樣品收集器(12)和緩沖瓶(5)的真空管上設有真空三通開關(13)，壓力感應器(7)設于緩沖瓶(5)上，緩沖瓶(5)通過真空管(3)與真空泵(6)連接，真空控制器(1)分別與真空泵(6)和壓力感應器(7)電連接。
2. 根據權利要求1所述的一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采 集裝置，其特征在于包括土壤微溶液采集器，所述植物生長箱為上端開 口的單匣箱體，箱體相對的前面板和后面板上設有——對應的孔陣列， 前面板的內側設有密封膜，土壤微溶液釆集器穿過前面板上的陣列孔和 密封膜，伸入箱體內。
3. 根據根據權利要求2所述的一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原 位采集裝置，其特征在于所述前面板和后面板上設有與孔陣列——對應 的座標代碼。
專利摘要本實用新型提供一種特別適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置，該采集器采集準確迅速，對水飽和土壤擾動小。一種適用于水田種植系統根際的土壤溶液原位采集裝置，包括真空泵、真空控制器、壓力感應器、緩沖瓶、微樣品收集器和植物生長箱，所述植物生長箱上設有土壤微溶液采集器，土壤微溶液采集器通過導液管與微樣品收集器的接液管相連，微樣品收集器通過真空管與緩沖瓶連接，連接微樣品收集器和緩沖瓶的真空管上設有真空三通開關，壓力感應器設于緩沖瓶上，緩沖瓶通過真空管與真空泵連接，真空控制器分別與真空泵和壓力感應器電源連接。
文檔編號G01N33/24GK201425556SQ20092004066
公開日2010年3月17日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者劉新紅, 施衛明 申請人:中國科學院南京土壤研究所