一種植物葉片尺度蒸騰量測定裝置及其測定方法與流程
2023-12-01 08:53:01
本發明涉及農業水土工程研究領域，特別涉及一種植物葉片尺度蒸騰量測定裝置及其測定方法。
背景技術：
作物或植被蒸發蒸騰量包括作物或植被蒸騰量和土壤蒸發量兩部分，蒸發蒸騰量測定對於農林地灌溉、水資源管理、土壤水分動態預測預報等具有重要參考價值。土壤蒸發量測定方法較多，也較為簡便易行。而作物或植被蒸騰量測定一直都較為困難。作物或植被蒸騰是指根系從土壤中吸收水分，通過莖稈到葉片，並主要通過葉片散失到大氣中的動力學過程。對農田系統而言，作物蒸騰量佔蒸散量的66％以上，其準確測定對於農田水分管理具有重要意義。
蒸騰量測定方法較多，但直接測定方法相對較少。目前科研與實際生產中，多採用先測定植物蒸發蒸騰量，然後減去土壤蒸發量得到植物蒸騰量。這種方法適宜於尺度相對較大的區域，一般有空氣動力學方法、水量平衡方法、渦度相關方法等。但針對葉片或個體尺度植被難以通過上述方法獲得精度結果。
目前植物個體尺度蒸騰量測定主要採用針式或包裹式莖流計，以用來準確測定植物個體不同時間尺度。植物葉片尺度蒸騰量測定目前主要使用各種光合儀，但上述兩種方法所需設備價格昂貴，不易維護操作，給科研生產中使用帶來諸多不便。基於此，造價低廉、操作簡便、能直接測定植物蒸騰量實驗裝置的研發就顯得十分必要。
技術實現要素：
本發明的一個目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種植物葉片尺度蒸騰量測定裝置，該裝置可廣泛應用於農田灌溉、林地土壤水分管理等領域，具有造價低廉、操作簡便、容易維護的優點。
本發明的一個目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於上述植物葉片尺度蒸騰量測定裝置的測定方法，該方法計算簡便、結果準確，精度較高。
本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種植物葉片尺度蒸騰量測定裝置，包括箱體、導管、反濾透水模塊、導管帽、連接管、軟管和刻度尺，所述箱體內填裝有含水材料，表面保持平整；所述導管垂直插入在箱體上，導管和箱體內含水材料接觸處的外沿密封；反濾透水模塊包括上中下三層，下層為第一多孔有機玻璃圓板，中間層為厚型定性濾紙，上層為第二多孔有機玻璃圓板，其中第一多孔有機玻璃圓板與導管內壁固定連接，裝置使用時第一多孔有機玻璃圓板下表面與箱體中含水材料表面緊密貼合，厚型定性濾紙和第二多孔有機玻璃圓板外徑均略小於導管內徑；導管帽設置在導管的頂端，導管帽、連接管、軟管依次密封連接；所述軟管的一端與採摘的植物分枝密封連接；所述刻度尺設置在導管外側，刻度尺與導管的軸線平行，刻度尺上零刻度線位置與厚型定性濾紙平行。本發明通過上述裝置可以直接目測得到導管內液面上升高度，實現植物葉片尺度蒸騰量的直接測定，結構簡單，安裝方便。
優選的，所述厚型定性濾紙為快速定性濾紙，其中密度為70─80g/m2，厚度為0.4─0.5mm。
優選的，所述導管的內徑為15─25mm，長度一般為20─50cm。
優選的，所述第一多孔有機玻璃圓板、第二多孔有機玻璃圓板上的開孔面積佔其整個圓板面積的25─50％。
優選的，所述導管、導管帽和連接管均採用透明有機玻璃材料。便於對植物蒸騰過程中導管液面上升進行觀察。
優選的，所述導管帽內腔設有階梯孔，內腔下部和上部分別設有螺紋孔，導管通過內腔下部螺紋進行連接，連接管通過內腔上部螺紋進行連接，上述連接處均進行密封處理。
優選的，所述測定裝置中均通過塗抹凡士林或石蠟等密封性材料實現密封連接。
優選的，所述箱體內填裝的含水材料為土壤、花泥(酚醛塑料)或其他替代性材料。
一種基於上述植物葉片尺度蒸騰量測定裝置的測定方法，包括步驟：
將第一多孔有機玻璃圓板下表面與箱體中含水材料表面緊密貼合，葉片蒸騰產生拉力使得導管中產生一定真空度，箱體中的水分在負壓作用下沿導管上升；
開啟秒表，在導管中液面上升且刻度尺可以讀數後連續讀數，記錄秒表累積時間t和液面上升高度h，得到一系列試驗數據(t0，h0)、(t1，h1)、(t2，h2)、(t3，h3)、…、(tn，hn)；讀數至導管中液面基本不上升為止；
計算葉片面積s，設定導管內徑為r，則得到葉片蒸騰速率的系列值，即為：
根據(E0，t0)、(E1，t1)、(E2，t2)、(E3，t3)、…、(En，tn)散點計算得到平均蒸騰速率為：
優選的，計算葉片面積的方法是：取出待測植物葉片，在網格紙上描出葉片大小，然後計算葉片所佔網格數，最後計算出葉片面積大小s。
優選的，根據(E0，t0)、(E1，t1)、(E2，t2)、(E3，t3)、…、(En，tn)散點，進行多項式擬合，得到擬合曲線。從而可以得到任意時刻的葉片蒸騰速率。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
本發明植物葉片尺度蒸騰量測定裝置，可分解組裝便於攜帶，使用方便維護簡單，造價低廉，並具有可靠精度，可同時獲得葉片尺度蒸騰速率峰值和平均值。
附圖說明
圖1是本實施例裝置的結構示意圖。
圖2是本實施例反濾透水模塊結構示意圖。
圖3(a)-(c)分別是反濾透水模塊中第一多孔有機玻璃圓板9、厚型定性濾紙11、第二多孔有機玻璃圓板10的結構圖。
圖4是本實施例中水柱上升高度h和時間t的關係曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
參見圖1，本實施例一種植物葉片尺度蒸騰量測定裝置包括圓柱形(或其他形狀)土箱1、兩端開口的導管2、反濾透水模塊3、刻度尺4、導管帽5、連接管6、塑料軟管7。其中圓柱形土箱1可使用金屬、有機玻璃、玻璃等材料，內部填裝有土壤、花泥或其他替代性材料。為了便於觀察，導管、導管帽和連接管均採用透明有機玻璃材料。
參見圖2、圖3(a)-(c)本實施例反濾透水模塊3包括第一多孔有機玻璃圓板9、厚型定性濾紙11、第二多孔有機玻璃圓板10。其中第一多孔有機玻璃圓板9直徑與導管2相同，且固定於導管2下端開口裡側約4─7cm處，第二多孔有機玻璃圓板10外徑略小於導管2內徑，用於方便放入和取出。裁剪厚型快速定性濾紙，使其與第二多孔有機玻璃圓板10直徑大小完全一致，上下兩層多孔有機玻璃圓板起到固定中間層厚型定性濾紙的作用。設置厚型快速定性濾紙是為了防止土箱1中非水分材料進入導管中而影響刻度尺4的讀數精度。
本實施例中，測定方法，包括步驟：
(1)土箱1填裝土壤、花泥或其他替代性材料，表面保持平整。
(2)裁剪厚型快速定性濾紙，形成反濾透水模塊3的中間層，使其與第二多孔有機玻璃圓板10直徑相同，放置在第一多孔有機玻璃圓板9上表面，然後在厚型定性濾紙11上放置部件10；第一多孔有機玻璃圓板9、厚型定性濾紙11和第二多孔有機玻璃圓板10共同組成反濾模塊3。
(3)刻度尺4固定與導管外側。
(4)塑料軟管7與採摘的植物分枝8相連接，接口外沿塗抹凡士林或石蠟等密封性材料；塑料軟管7與套於連接管6一段，接口外沿塗抹凡士林或石蠟等密封性材料；連接管6與導管帽5採用螺旋口相連接，接口外沿塗抹凡士林或石蠟等密封性材料；導管帽5與導管2採用螺旋口相連接，接口外沿塗抹凡士林或石蠟等密封性材料；導管2插入部件1所裝填的材質中，使得第一多孔有機玻璃圓板9下表面與土箱1中所填裝材料上表面緊密貼合，並在導管2與土箱1中填裝材質接觸外沿塗抹凡士林或石蠟等密封性材料。至此，圖中部件2、5、6、7共同形成聯通的密閉氣室。
(5)當新採摘植物葉片(採摘的植物分枝8)進行蒸騰呼吸時，會在導管2中形成負壓，從而使得土箱1中土壤或其他替代性體填裝材料水分嚮導管2中流動，一段時間t後導管2中會形成一定液面高度，即為h。
(6)假設採摘的植物分枝8總葉面積為s，導管2內徑為r。
(7)裝置安裝完畢後，打開秒表，連續計時。
(8)當在導管2中可以觀測到上升液面時，開始連續讀數，記錄秒表累積時間t和液面上升高度h，讀數間隔時間視具體情況而定，若液面上升速度較快，讀數間隔就較短，反之亦然；這樣就可以得到一系列試驗數據(t0，h0)、(t1，h1)、(t2，h2)、(t3，h3)、…、(tn，hn)；讀數至導管2中液面基本不上升為止。
(9)取出待測植物葉片，在網格紙上描出葉片大小，然後計算頁面佔格網數，最後計算出葉片面積大小s。
(10)可以知道，某一時刻導管2中上升的液面的水量換算成單位時間單位面積水層厚度即為液面在某一時間段內的平均蒸騰速率。那麼基於上述一系列試驗數據，可以得到葉片蒸騰速率的系列值，即為：
(11)將(E0，t0)、(E1，t1)、(E2，t2)、(E3，t3)、…、(En，tn)散點繪製在excel表格中，進行多項式擬合，得到圖4所示曲線圖。
由上圖可以看出面積為待測葉片蒸騰速率峰值約為En，平均蒸騰速率約為：
本發明植物葉片尺度蒸騰量測定裝置，可分解組裝便於攜帶，使用方便維護簡單，造價低廉，並具有可靠精度。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。