[发明专利]一种木本植物水力结构的自动化测定装置及其使用方法

说明书

本发明涉及一种木本植物水力结构的自动化测定装置及其使用方法，其包括多通道测定装置、泵阀执行机构、数据采集系统、称重机构、水力导度测定系统以及计算机控制系统；多通道测定装置包括公共输水管道，公共输水管道一端通过进水管与水槽连接，公共输水管道另一端并排设置多个待测通道，各待测通道下端分别设置一称重机构；泵阀执行机构用于对进入公共输水管道的液体压力进行调节，同时控制各待测通道的启闭；数据采集系统设置在公共输水管道的入口，用于对进入公共输水管道的液体压力进行检测；称重机构和数据采集系统所采集的数据均通过水力导度测定系统发送到计算机控制系统。本发明可以广泛应用于木本植物的水力结构测定领域。

技术领域

本发明涉及植物水力结构研究领域，特别是涉及一种适用于生态学研究的多通道木本植物水力结构的自动化测定装置及其使用方法，该装置能够测定木本植物的最大水力导度、最长导管长度以及自然状态下空穴化比例。

背景技术

森林木本植物木质部运输水分能力和抵抗气穴化形成的能力可能极大地影响植物的地理分布及其对环境胁迫的适应能力，是近年来极端干旱事件导致全球森林大面积死亡的主要生理生态原因之一。植物水力导度是植物水力结构的重要组成部分，是指植物输水管道运输水分的能力，其中，植物输水管道主要是被子植物的导管系统和裸子植物的筛管系统，导管长度作为导管解剖特征之一，长期进化过程中以特有的极端几何形态(极大的长度/内径比)满足植物水分运输需求。导管长度增加有利于提高水分运输效率，但更容易受空穴化的威胁，因此导管长度是植物水分运输的高效性和安全性的中和效果。植物的最大水力导度反映了无栓塞化的管道系统的最大水分运输能力，是水力结构研究的核心指标，它与植物的其他功能性状形成一个多节点的调控网络，共同决定了物种的水分适应策略。对水力导度和安全性进行调节，是木本植物维持其体内水分关系的重要功能性状之一。在环境胁迫下，植物输水过程中木质部水分处于负压之下发生导管或管胞中水柱断裂而产生空穴化，导致栓塞，使导水率降低。不同植物抵抗空穴化的能力不同，研究表明自然状态下木质部空穴化比例是植物抗旱性的重要指标之一。因此，变化环境下，植物水力结构与物种适应策略密切相关，精确测定植物最长导管长度、自然状态下空穴化比例、最大水力导度是研究植物水分关系的前提。

低压液流技术是目前最常用的、可定量化测定木质部水力结构的方法。其原理主要是利用一个密闭的套子将待测植物茎秆或根样品套住，样品的上端接有一定高度的冲洗溶液，下端接天平来测定并计算冲洗溶液通过样品后的流速(水力导度)。其具体过程为：首先，用6kPa～10kPa冲洗溶液测定单位时间内流经输水管道系统的冲洗液质量，得到木质部初始导水率Kx；再用高气压直接压迫冲洗溶液提高其压强至110kPa～175kPa，以驱除已栓塞化导管内的气穴；然后再用6kPa～10kPa冲洗溶液测定单位时间内流经输水管道系统的冲洗液质量，计算最大水力导度；初始导水率除以最大水力导度得到自然状态下空穴化比例。

如图1所示，为现有技术中运用该方法测定初始导水率和最大水力导度的装置，该装置包括高压气瓶1′、调压阀2′、压力罐3′、水压计4′、冲洗液容器5′、三通阀6′、待测植物样品7′、烧杯8′、电子天平9′和计算机10′。该种装置是植物水分关系研究实验室的标准设置，以植物压力室为核心，加装外部组件，用来测定植物最大水力导度，目前未见商品化仪器。但是，该装置存在以下不足：1)操作步骤多，需要在不同压力下对枝条多次冲洗，而不同树种枝条所需冲洗压力不同，因此操作过程过于复杂；2)自动化程度低，需要测试人员在不同步骤调整压力室和压力罐的压力、随时观察记录压力变化与天平读数，因此测定效率和精度依靠测试人员技术熟练程度；3)工作效率低，测定1根枝条约30分钟，而生态学大尺度研究常常采集的样品数量巨大，样品长时间保存会导致生理活性下降；因此，当利用该装置测定大批量样品，测定结果将随着待测样品生理活性降低而准确性下降；如图4和图5所示，通过对杨树和油松的枝条在采摘后不同时间导水率的测定表明，随着时间的延长，导水率数值逐渐下降；4)高压气瓶在野外携带和运输有诸多限制，即使能够使用，也会受到储气量大限制，不能大批量测定样品。

发明内容