一种多通道单株植物光合速率测定系统及方法

1.本发明涉及植物生理学研究设备技术领域，具体涉及一种多通道单株植物光合速率测定系统及方法。


背景技术：

2.光合作用是地球上最重要的化学反应，该过程转化的能量是地球生命赖以生存的基础。目前，光合作用速率主要基于光合放氧、基于co2气体和基于光学性质等三大途径来进行测定，其中基于co2气体进行测定的方法具有原位无损、精准度高等优势，是应用较为广泛的测定方式。
3.基于co2气体的测定途径还存在不同的测定原理，通过测定腔室红外气体的方法在叶片、整株和冠层等尺度上应用广泛。随着科技进步以及光合研究的深入，单叶及冠层水平上的光合速率测定技术已经商业化，但单株水平上的光合速率测定技术还不够成熟。单株水平上的光合作为沟通单叶和冠层光合之间的桥梁，该部分测定技术的缺乏导致单叶水平上的光合无法与冠层光合建立直接联系。因此，如何建立一套成熟的单株光合测定系统，解决单株光合测定装置不能实现多通道、自动化测定及运行成本高等问题，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的不足，本发明专利提供了一种多通道单株植物光合速率测定系统及方法，可以满足多通道、自动化测定单株植物光合速率的需求，并为降低光合测定成本提供了新思路。
5.为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种多通道单株植物光合速率测定系统，包括：气体通量测定装置和信号采集装置；所述气体通量测定装置包括非扩散红外气体检测仪、气路控制器、采样气路及至少两个同化箱；所述信号采集装置包括数据采集器。
6.进一步的，所述非扩散红外气体检测仪用于检测至少两个同化箱进入和离开采样气路的气体浓度信号；所述数据采集器用于以第一预定时间间隔输出控制信号至所述气路控制器，以使所述气路控制器控制所述至少两个同化箱与所述采样气路的连通状态；所述数据采集器还用于以第二预定时间间隔记录所述气体浓度信号，并利用所述气体浓度信号与气体流速的关系确定单株植物的气体通量。
7.进一步的，所述气体通量测定装置还包括空气泵和气体流量计。所述空气泵用于对所述至少两个同化箱供给空气；所述气体流量计用于检测所述至少两个同化箱内的气体流速信号。
8.进一步的，所述气路控制器包括继电控制器和至少两个电磁阀，所述继电控制器用于通过所述至少两个电磁阀的开合以控制所述至少两个同化箱与所述采样气路的连接状态。
9.进一步的，所述同化箱包括上部同化室及下部盆钵放置室；所述上部同化室包括
进气管道、出气管道及风扇；所述风扇用于搅拌同化箱内部的气体。
10.进一步的，所述进气管道通过气体流量计与所述空气泵连接，用于泵入空气至所述同化箱；所述出气管道与所述采样气路连接，用于输出气体至所述非扩散红外气体检测仪；
11.进一步的，所述同化箱还包括带孔的法兰垫圈和密封环；所述法兰垫圈数量为两个，分别于用于连接所述上部同化室与所述下部盆钵放置室；所述密封环包括两块中空的半圆形亚克力板，以使植物茎杆从中空位置穿过。
12.进一步的，所述系统还包括环境因子传感器，具体为温度传感器、压力传感器及光合有效辐射传感器；所述温度传感器与所述压力传感器安装在所述同化箱内部侧壁，所述光合有效辐射传感器安装在所述同化箱体外部顶端。
13.进一步的，所述信号采集装置还包括采集器扩展板，用于采集基于所述环境因子传感器检测的温度、压力及光合有效辐射数据。
14.进一步的，所述系统还包括终端设备，用于实时记录并显示所述气体浓度信号、所述气体流速信号及所述单株植物的气体通量。
15.第二方面，本发明还提供一种多通道单株植物光合速率测定方法，包括：
16.通过非扩散红外气体检测仪检测至少两个同化箱进入和离开采样气路的气体浓度信号；
17.通过数据采集器以第一预定时间间隔输出控制信号至气路控制器，以使所述气路控制器控制所述至少两个同化箱与所述采样气路的连通状态；
18.通过所述数据采集器以第二预定时间间隔记录所述气体浓度信号，并利用所述气体浓度信号与气体流速的关系确定单株植物的气体通量。
19.采用上述实施例的有益效果是：
20.本发明中，同化箱内充分混匀的一部分气体通过同化箱顶部出气孔和采样气路进入到非扩散红外气体检测仪，利用该仪器对同化箱内的co2浓度进行检测。该仪器测量co2浓度的范围大、分辨率和精度高，可实现对单株植物光合速率的精确测定。此外，通过数据采集器输出控制信号至气路控制器，使得气路控制器控制任一同化箱与采样气路的连通状态，与自制植物同化箱联用来形成一个开路式测定系统，通过特定程序可实现多通道、自动化的测定，避免了运行时的人工干预。本发明运行成本低、使用方便，大大提高了工作效率。
附图说明
21.图1为本发明提供的一种多通道单株植物光合速率测定系统的一实施例的结构示意图；
22.图2为本发明一实施例提供的一种气体通量测定装置的结构示意图；
23.图3为本发明一实施例提供的一种同化箱的结构示意图；
24.图4为本发明一实施例提供的一种同化箱上下部密封的结构示意图；
25.图5为本发明提供的一种多通道单株植物光合速率测定方法的一实施例的方法流程图。
具体实施方式
26.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
27.在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
28.本发明提供了一种多通道单株植物光合速率测定系统、方法及存储介质，以下分别进行说明。
29.本发明的一个具体实施例，公开了一种多通道单株植物光合速率测定系统，包括气体通量测定装置和信号采集装置。气体通量测定装置包括非扩散红外气体检测仪、气路控制器、采样气路及至少两个同化箱；信号采集装置包括数据采集器。
30.非扩散红外气体检测仪用于检测至少两个同化箱进入和离开采样气路的气体浓度信号。
31.需要说明的是，腔室的红外气体测定方式在叶片、整株和冠层水平上应用广泛，本发明实施例中的非扩散红外气体检测仪具备强大的检测功能，主要检测同化箱气流中co2的浓度，具体的，同化箱内的气体可通过采样气路到达气体检测仪，气体检测仪检测气流中的co2浓度，并进行保存。采样气路一端可与多个同化箱上部的出气孔连接，另一端则与气体检测仪连接。
32.其中，本发明中的同化箱至少为两个，可以通过检测不同同化箱内整株植物的co2浓度，为多通道测定单株植物光合速率提供条件。
33.数据采集器用于以第一预定时间间隔输出控制信号至气路控制器，以使气路控制器控制至少两个同化箱与采样气路的连通状态。
34.具体的，第一预定时间间隔可以是3min，数据采集器可以每隔3min向控制器发送控制信号，控制器在接收到控制信号后控制同化箱与采样气路的连通状态，即每个同化箱与的开放时间为3min。
35.可以理解的是，由于同化箱的个数为至少两个，通过控制同化箱与采样气路的连通状态，可以依次对多通道的气体循环测定。此外，基于程序的定时设计控制，为实现自动化测定提供了条件。
36.数据采集器还用于以第二预定时间间隔记录气体浓度信号，并利用气体浓度信号与气体流速的关系确定单株植物的气体通量。
37.在单株植物光合速率的测定过程中，气体检测仪在检测分析co2气体浓度后并输出co2气体浓度信号至信号采集装置，具体的，输出至数据采集器。数据采集器可以以第二预定时间间隔来记录co2的浓度，比如以0.1s至3s的时间间隔记录co2气体浓度信号的数据，从而根据样品室和参比室气体浓度和气体流速来计算单株植物的气体通量。
38.可以理解的是，单株光合速率指的是对于放置在同化箱内的单株植物而言，其光合速率可用co2的气体通量来表示，当确定了单株植物的co2气体通量时，也可以看作确定了单株植物的光合速率。
39.co2的气体通量fco2可以用进入和离开同化箱箱体的co2的差值表示，单位μmol
·
s-1
，计算公式如下：fco2＝c
in
*flow
in-c
chamber
*flow
chamber
；
40.其中，c
in
表示进入箱体的气体中co2摩尔分数，flow
in
表示进入箱体的气体摩尔流速，c
chamber
表示离开箱体的气体中co2摩尔浓度，flow
chamber
表示离开箱体的气体摩尔流速，以上公式内的参数均可由本测定系统测定。
41.本发明中，同化箱内充分混匀的一部分气体通过同化箱顶部出气孔和采样气路进入到非扩散红外气体检测仪，利用该仪器对同化箱内的co2浓度进行检测。该仪器测量co2浓度的范围大、分辨率和精度高，可实现对单株植物光合速率的精确测定。此外，通过数据采集器输出控制信号至气路控制器，使得气路控制器控制任一同化箱与采样气路的连通状态，与自制植物同化箱联用来形成一个开路式测定系统，通过特定程序可实现多通道、自动化的测定，避免了运行时的人工干预。本发明运行成本低、使用方便，大大提高了工作效率。
42.为了更清楚地理解本发明，请参阅图1，图1为本发明提供的一种多通道单株植物光合速率测定系统的一实施例的结构示意图。
43.其中，多通道单株植物光合速率测定系统包括气体通量测定装置、环境因子传感器、信号采集装置和终端(图中未示出)。气体通量测定装置包括非扩散红外气体检测仪3、气路控制器(包括继电控制器4和电磁阀5)、气体流量计(图中未示出)、采样气路以及至少两个同化箱；环境因子传感器包括温度传感器、压力传感器和光合有效辐射传感器；数据采集装置包括数据采集器1及采集器扩展板2；终端为可对数据记录并可视化的终端，终端上的软件可以实时显示并记录测定的数据。
44.空气泵6用于向至少两个同化箱泵入空气，如图1所示，空气泵6泵入的空气从同化箱下部的进气孔进入，从同化箱上部的出气孔输出至采样气路，气流通过采样气路进入气体检测仪，采样气路分别与各个同化箱上部的出气孔连通。
45.气路控制器包括继电控制器4与至少两个电磁阀5，继电控制器4用于通过至少两个电磁阀5的开合以控制至少两个同化箱与采样气路的连接状态，具体的，继电控制器4通过控制电磁阀5的开关依次实现采样气路的通断，从而实现多通道的持续测定。
46.在本发明的一个实施例中，在气流通过采样气路进入气体检测仪之前，还需要经过气体流量计进行流量的监测，具体的，气体流量计用于检测至少两个同化箱内的气体流速信号。
47.环境因子传感器包括温度传感器、压力传感器及光合有效辐射传感器，温度传感器与压力传感器安装在同化箱内部侧壁，光合有效辐射传感器安装在同化箱外部顶端；具体的，温度传感器用于实时监测同化箱内部的温度；压力传感器用于实时监测同化箱内部的压力；光合有效辐射传感器用于监测照射到同化箱表面的光合有效辐射。
48.信号采集部分的数据采集器1连接采集扩展板2、继电控制器4和气体检测仪，采集扩展板2采集每个同化箱内环境因子传感器检测的温度、压力及光合有效辐射数据，并传入数据采集器1；数据采集器1可以记录并实时存储数据，具体的，数据采集器可以1s的时间间隔记录气体浓度和其余传感器信号的数据；
49.数据采集器1还连接到终端，终端内保存对系统进行控制的代码，进而可以在终端的软件上实现对采样气路切换的自动控制和多通道测定，以完成自动地记录和存储数据。此外，终端还实时记录并显示气体浓度信号、气体流速信号、各同化箱内的传感信号及单株
植物的气体通量等数据。
50.请参阅图2，图2为本发明一实施例提供的一种气体通量测定装置的结构示意图。
51.气体通量测定装置包括空气泵6、同化箱18、采样气路19、电磁阀5、继电控制器4、气体流量计21及(非扩散红外)气体检测仪3。
52.空气泵6通过气体流量计21分别连接每一个同化箱18，用于泵入空气，其流量为每分钟7.2l；气体流量计21用于检测每一同化箱内的气体流速信号；其中，同化箱由透光率90％～95％的高硬度亚克力板制成，同化箱的规格为65cm*20cm*20cm，同化箱的数量优选为12至16个；继电控制器4分别连接每一个同化箱18的进气口以控制其关闭或打开，具体而言，数据采集器1定时输出控制信号给继电控制器4，继电控制器4通过电信号驱动电磁阀5的电位改变进而控制同化箱18采样进气的顺序；流经同化箱18出气孔的气体分为主路和支路，支路进入空气中，主路进入采样气路19；需要说明的是，进出同化箱18的气体由采样气路进行输送，采样气路19包括进气管道和出气管道，其中，进气管道安装在同化箱18的下部，出气管道安装在同化箱18的上部，管道为为1～3m长软管(pe材料)，软管的内径4mm、外径6mm；然后气流由流量计21检测后流速后进入(非扩散红外)气体检测仪3进行气体浓度的测定。
53.请参阅图3，图3为本发明一实施例提供的一种同化箱的结构示意图。
54.其中，同化箱包括上部同化室7及下部盆钵放置室8，上部同化室7包括进气管道11、出气管道10及(混气)风扇9；进气管道11通过空气流量计与空气泵连接，用于输入空气至同化箱；出气管道10与采样气路连接，用于输出气体至非扩散红外气体检测仪；(混气)风扇9位于上部同化室7底部，用于快速混匀同化箱内部的气体，具体的，上部同化室7底部装有相对垂直放置的2个风扇，风扇大小为8cm*8cm，转速为2500rpm，供电5v；光合有效辐射传感器12位于箱体的上部，用于测定照射到箱体表面的光合有效辐射；压力传感器13和温度传感器14位于箱体内部，可以实时监测箱体内部压力和温度的变化。
55.需要说明的是，本实施例中的同化箱为开路式同化箱，其内部环境变化较小，该技术结构简单，便于操作。
56.请参阅图4，图4为本发明一实施例提供的一种同化箱上下部密封的结构示意图。
57.其中，同化箱的上部同化室7与下部盆钵放置室8中间还有上部法兰垫圈15、下部法兰垫圈16和密封环17；法兰垫圈15、16用于连接上部同化室与下部盆钵放置室，其中，法兰孔使用蝶形手拧式螺丝螺母固定；密封环17用于密封同化箱，密封环17为中空密封环，具体为两块中空的半圆形亚克力板，以使植物茎杆从中空位置穿过。在测定时再辅以泡沫密封圈用于密封，以达到同化箱上下部的密封性。
58.本发明实施例还提供一种多通道单株植物光合速率测定方法，请参阅图5，图5为本发明提供的一种多通道单株植物光合速率测定方法的一实施例的方法流程图，包括：
59.步骤s501：通过非扩散红外气体检测仪检测至少两个同化箱进入和离开采样气路的气体浓度信号；
60.步骤s502：通过数据采集器以第一预定时间间隔输出控制信号至气路控制器，以使气路控制器控制至少两个同化箱与采样气路的连通状态；
61.步骤s503：通过数据采集器以第二预定时间间隔记录气体浓度信号，并利用气体浓度信号与气体流速的关系确定单株植物的气体通量。
62.这里需要说明的是：上述实施例提供的多通道单株植物光合速率测定方法可实现上述多通道单株植物光合速率测定系统实施例中描述的技术方案，此处不再赘述。
63.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
64.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。