一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统的制作方法

1.属于植物光合检测技术领域，具体涉及一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统。


背景技术：

2.目前，市场上有licor-6800、lci-sd、ciras-3等便携式光合仪，为植物生态学研究提供了光合作用测定技术手段。此类光合仪比较适用于室内控制实验，但是，在野外实验时，由于所配进气管道与外界未隔绝，容易受到地面人类呼吸和地面活动的干扰造成进出气不均匀的问题，另外测定植物叶片的叶室过小和植物叶片的生长角度不同直接影响了植物光合作用的精确度。
3.中国专利申请201310682081.3，名称“整株组培苗光合速率快速测定装置”公开了一种整株组培苗光合速率快速测定装置及方法，包括植物光合测定仪的irga样品室，土壤叶室安装板，rga样品室与土壤叶室安装板组成复合体，另设有一个透明的自制叶室，在自制叶室上设有固定孔、气孔及回流管接口；自制叶室通过固定孔与土壤叶室安装板连接，自制叶室与复合体之间为刚性密封连接；rga样品室通过数据线与光合仪主机连接。该发明虽对现有的采用植物光合测定仪进行改进，采用自制叶室来替代了标准叶室，光合仪能直观地实时显示植株在不受任何机械压迫损伤情况下的光合速率，并可以任意测定单株或者整瓶(群体)组培苗的光合速率；还解决了标准叶室没法测定面积小于6cm2的单张叶片的难题，但还是无法对某植株单个叶片的光合作用进行测定。
4.中国专利申请201520814463.1，名称“一种植物光合速率测定装置”公开了一种植物合速率测定装置，包括led灯，提供植物光源，可以调节光强变化；气泵，输送co2气体；叶室，固定测量叶片；流量计，检测co2气体流量；co2分析器，检测co2浓度；温湿度传感器，检测co2气体温湿度变化；数据采集器，收集与记录采集到的数据；计算机，分析采集到的数据。但无法控制co2浓度和完成不同方向叶片的光合检测。
5.中国专利申请201610961666.2，名称“一种大田条件下基于生理模型的光合测定误差校正方法”公开了一种先测量记录光合值a、大气水蒸气压差值ds、温度值tk；然后分别将测量光合时环境条件值大气水蒸气压差值d
s标准
、温度值t
k标准
，与需要校准到的标准环境条件下的条件值大气水蒸气压差值d
s标准
、温度值t
k标准
，分别代入校正公式得到a
ds,t k
与得到a
ds标准,tk标准
，然后再进行校正得到a
校准
。本发明方法通过光合生理模型可以定量环境因子(如温度、湿度)对光合的影响，从而根据光合测定过程中温度、湿度的变化值做相应的校正。
6.中国专利申请201721770487.7，名称“一种测定作物群体不同高度处光合速率、呼吸速率和温室气体排放的装置”公开了一种包括测试箱、第一支杆、第二支杆、第三支杆、3n 个检测组件和信号采集器，测试箱包括顶盖、箱体和底座，箱体顶部上设有第一凹槽，箱体内壁上安装有风扇，箱体内壁上对称安装有一对支撑架，第一支杆、第二支杆、第三支杆的两端分别通过可拆卸地方式固定在两支撑架上，第一支杆、第二支杆、第三支杆在竖直方向上等间距分布，第一支杆、第二支杆和第三支杆上分别安装n个检测组件，底座顶部设有的
第二凹槽，各电元器件分别与信号采集器电连接。该方法依托于该装置，能测定作物群体不同高度处的光强、温湿度、光合速率、呼吸速率以及温室气体的排放，但植物不同方向的叶片无法进行测定。
7.中国专利申请201711446350.0，名称“一种通过循环酒精扩展光合作用测定系统控温范围的装置”公开了一种控温范围的装置，利用循环泵输送冷却或加热的液体酒精，并由pvc 管送至与li-6400xt光合作用测量室紧紧贴合的金属部件(内部含有多条可流通酒精的水道)，并改变该金属部件的温度；通过热交换过程逐渐调整光合作用测量室的温度，最终有效扩展便携式光合作用测定系统(li-6400xt)的控温范围。该装置虽使得li-6400xt便携式光合测定系统调控叶室温度的范围由原有的环境温度
±
7℃扩展为5℃～40℃，但所测定叶片受到了限制。
8.中国专利申请201720515458.x，名称“一种均匀降尘的光合测定进气辅助系统”公开了一种均匀降尘的光合测定进气辅助系统，其包括进气过滤均匀化装置和进气连接管，进气过滤均匀化装置包括挂绳、滤膜、滤膜固定盖、进气缓冲桶和进气管连接盖,进气缓冲桶的外侧壁的顶侧设有第一外螺纹，进气缓冲桶的外侧壁的底侧设有第二外螺纹，滤膜固定盖的内侧壁设有第一内螺纹，滤膜固定盖与进气缓冲桶的顶部相连，滤膜固定盖顶侧对称设有两个挂绳孔，滤膜固定盖与挂绳固接，滤膜通过滤膜固定盖与进气缓冲桶相互挤压固定，进管连接盖的中部设有进气管连接孔，进气管连接盖的内侧壁设有第二内螺纹，进气管连接盖与进气缓冲桶的底部固接，进气连接管的一端穿过进气管连接孔与橡胶圈卡接。该发明虽增大了叶室面积，但叶室空间大且空气不能循环，光合作用测定不准确；通过挂绳固定自制叶室，对不同角度的叶片无法进行测定，叶室大小不能随叶片大小调整，并不适合单一叶片的高精度测定。
9.中国专利申请201711446350.0，名称“一种通过循环酒精扩展光合作用测定系统控温范围的装置”公开了一种通过循环酒精扩展光合作用测定系统控温范围的装置，利用循环泵输送冷却或加热的液体酒精，并由pvc管送至与li-6400xt光合作用测量室紧紧贴合的金属部件(内部含有多条可流通酒精的水道)，并改变该金属部件的温度；通过热交换过程逐渐调整光合作用测量室的温度，最终有效扩展便携式光合作用测定系统(li-6400xt)的控温范围。该装置使得li-6400xt便携式光合测定系统调控叶室温度的范围由原有的环境温度
±
7℃扩展为5℃～40℃，从而使得野外测定植物/作物光合作用参数不再受外界环境温度的限制，为野外条件下深入探讨植物/作物生理生态过程对温度的响应和适应性机理提供了测量技术与方法。由于该发明存在和光合仪类似的缺点，因此该发明只能用于部分叶片的定量检测，并不适合整个叶片的高质量检测。
10.中国专利申请201920309027.7，名称“一种自动调整方向的光合作用测定仪”公开了一种测定仪，包括底座，底座上设置有光合作用测定仪，光合作用测定仪通过转盘设置在底座上，转盘下端设置有传动齿轮，底座旁设置有转动电机，转动电机的转轴上设置有变速齿轮，传动齿轮与变速齿轮啮合，光合作用测定仪四周设置有光敏传感器，通过光敏传感器对实时阳光的方向进行检测，并且控制转动电机带动转盘进行转动。通过光合作用测定仪进行光合作用检测，并且通过转动电机带动转盘水平转动，无法对不同角度的叶片进行测定。
11.中国专利申请201910195243.8，发明名称“棉花铃叶系统光合速率和蒸腾速率的
快速测定装置”公开了一种包括植物光合测定仪主机、irga分析器的irga样品室、簇状叶室安装板，所述irga分析器的irga样品室通过电缆线与植物光合测定仪主机相连接，其特征在于所述irga分析器的irga样品室去除盖板，与簇状叶室安装板连接，在所述簇状叶室安装板上安装有自制叶室，所述连接板上设有通气孔，通过该通气孔，使得所述自制叶室、簇状叶室安装板与irga样品室相连通。该发明虽通过风扇使自制叶室循环，但无法使叶室中空气均匀，对不同角度的叶片无法进行测定，叶室大小不能随叶片大小调整，并不适合单一叶片的高精度测定。
12.由此可见，无论是使用经典licor-6800合光测定仪或类似改进装置的测定方法，还是现有的实时在线大面积检测光合方法，都无法满足精确测定不同生长方向(角度)单一叶片所产生的光合作用强度的目的，并且在长时间测定过程中也无法保证二氧化碳浓度的稳定。


技术实现要素：

13.因此，本实用新型所要解决的问题在于：随时在野外，针对不同生长角度的植物叶片进行光合作用测定，在不影响自然光的照射的条件下能更好地实现与外界空气隔绝进行精确测定，维持二氧化碳浓度的稳定，实现整个检测过程中在不损伤叶片条件下长时间测定其光合作用强度，从而避免现有技术存在的缺陷。
14.因此，本实用新型的目的是要克服现有设备的不足之处，提供一种不同生长角度叶片、高准确性、不损伤叶片、便携式的野外实时测定植物光合作用的分析系统。
15.为了实现上述技术目的，本实用新型在传统叶室或外置叶室的基础上，通过循环泵使外置叶室内空气循环，采用密封圈与外界空气隔绝，使用有机玻璃等透光材料可直接利用自然光的照射解决光源问题，通过多角度固定架固定外置叶室用于不同生长角度的叶片。
16.因此，本实用新型原理之一在于，在传统叶室测定光合的基础上，将循环叶室内的空气流动，使得所测叶片各个部位的氧气和二氧化碳浓度一致，避免因二氧化碳浓度不同直接影响其光合作用速度而使测定数值普遍下降(造成系统误差)。
17.本实用新型原理之二在于，在传统外置循环叶室的技术上，使用全透光材料如有机玻璃等材料，可直接利用自然光的照射解决光合作用的光源问题，结合密封圈与外界空气隔绝，避免外界条件下干扰，实现了各个叶片在自然光照条件下的光合强度测定。
18.本实用新型原理之三在于，为了保证测定不同生长角度的叶片，使多角度固定装置实现多方向固定外置叶室，在测定光合强度时不改变叶片的生长状态，更有利于保持所测叶片与植株的良好生长状态，避免了叶片因测定光合强度造成叶脉堵塞、损伤或损坏掉。
19.因此，本实用新型的目的是提供一种可调节角度的野外实时测定植物光合作用的分析系统，该系统包括：有机玻璃1与密封圈2构成外置循环叶室3，外置循环叶室3经第一三通阀门15通过第三有机软管16与二氧化碳吸收池11连通，二氧化碳吸收池11经第二三通阀门17通过有机软管与循环泵4连通，外置循环叶室3通过第一有机软管5与循环泵4连通，外置循环叶室3通过金属支杆7固定在多角度固定架6上，二氧化碳浓度检测探头8置入在外置循环叶室3内，二氧化碳浓度检测探头8通过光纤9与二氧化碳检测仪10相连通，二氧化碳吸收池11通过第三有机软管16与循环泵4和外置循环叶室3相连通，二氧化碳供给管13与第一
有机软管5连通，中间有三通电子控制阀门14控制二氧化碳流速或关闭二氧化碳供给，通过三通电子控制阀门14控制第一有机软管5与循环泵4连通，第一有机软管5 经二氧化碳供给管13与二氧化碳储存罐18连通。
20.在野外实时短时间测定植物光合作用时，该系统可采用多个阀门将二氧化碳吸收池11 和二氧化碳储存罐18隔离，不对管道运行的气体进行额外处理，实时检测外置循环叶室3 中二氧化碳含量变化，由外置循环叶室3经第一三通阀门15和第二三通阀门17通过第二有机软管12、经三通电子控制阀门14通过第一有机软管5与循环泵4连通，外置循环叶室3 通过金属支杆7固定在多角度固定架6上，二氧化碳浓度检测探头8置入在外置循环叶室3 内，二氧化碳浓度检测探头8通过光纤9与二氧化碳检测仪10相连通，关闭三通电子控制阀门14。
21.在上述任一的实施方案中，所述有机玻璃1的材质为透光率达到80％以上，其厚度为1-10mm，其形状为圆柱形或长方形或球形等。
22.在上述任一的实施方案中，所述多角度固定架6为任意角度的固定。
23.在上述任一的实施方案中，所述二氧化碳浓度检测探头8放入外置循环叶室3的深度为5～50mm，其中优选是15mm。
24.在上述任一的实施方案中，所述二氧化碳吸收池11，由0.1～0.5mol/l氢氧化钠水溶液组成，通过测定溶液中ph的变化换算出二氧化碳吸收量或直接测定硫酸中和反应产二氧化碳的量，还可通过降温设备进行控制其溶液的温度，直接影响外置循环叶室3内的温度变化。
25.在上述任一的实施方案中，所述二氧化碳储存罐或产生罐18，由高于1个大气压的二氧化碳储存罐或由碳酸钠与稀硫酸反应生产二氧化碳，都是通过电子控制的阀门14决定二氧化碳的排放速度，与循环泵4使空气循环速度相关，保持有机软管5中二氧化碳浓度在 0.03％即可，再与二氧化碳检测仪10检测数据进行适当调整。
附图说明
26.图1是野外实时测定植物光合作用的分析系统的示意图；其中1：有机玻璃；2：密封圈；3：外置循环叶室；4：循环泵；5：第一有机软管；6：多角度固定架；7：金属支杆；8：二氧化碳浓度检测探头；9：光纤；10：二氧化碳检测仪；11：二氧化碳吸收池；12：第二有机软管；13：二氧化碳供给管；14：三通电子控制阀门；15：第一三通阀门；16：第三有机软管；17：第二三通阀门；18：二氧化碳储存罐或产生罐。
27.技术效果
28.1、通过外循环泵，能使叶室内的二氧化碳浓度完全相同，避免了在叶室中因光合作用造成二氧化碳浓度不均。
29.2、通过多角度固定架在测定光合时，不会影响测定植物不同生长角度叶片的光合强度，也更加方便实时比较不同生长角度叶片的光合强度，而且大大减轻了操作人员的工作强度，为植物光合基础研究和生物工程研究提供了一种非常高效的工具。
30.3、通过先吸收空气中二氧化碳、后期重新补充二氧化碳的方式，为长时间测定整个植物或单一叶片的光合强度实验提供可行性，同时还能有效地减缓了叶室封闭环境温度上升，有效地维持了环境湿度的稳定。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。但以下所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，故凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
32.如图1所示，野外实时测定植物光合作用的分析系统的示意图。其中，有机玻璃1与密封圈2构成外置循环叶室3，外置循环叶室3经第一三通阀门15通过第三有机软管16与二氧化碳吸收池11连通，二氧化碳吸收池11经第二三通阀门17通过有机软管与循环泵4连通，外置循环叶室3通过第一有机软管5与循环泵4连通，外置循环叶室3通过金属支杆7固定在多角度固定架6上，二氧化碳浓度检测探头8置入在外置循环叶室3内，二氧化碳浓度检测探头8通过光纤9与二氧化碳检测仪10相连通，二氧化碳吸收池11通过第三有机软管16与循环泵4和外置循环叶室3相连通，二氧化碳供给管13与第一有机软管5连通，中间有三通电子控制阀门14控制二氧化碳流速或关闭二氧化碳供给，通过三通电子控制阀门14控制第一有机软管5与循环泵4连通，第一有机软管5经二氧化碳供给管13与二氧化碳储存罐18连通。
33.实施例一：利用上述任一分析系统来进行水稻叶片实时检测光合作用的方法
34.首先将密封圈2打开，选择水稻叶片或整株水稻放入有机玻璃1中，有机玻璃1与密封圈2合并构成外置循环叶室3，外置循环叶室3经第一三通阀门15通过第三有机软管16与二氧化碳吸收池11连通，二氧化碳吸收池11经第二三通阀门17通过有机软管与循环泵4 连通，外置循环叶室3通过第一有机软管5与循环泵4连通，外置循环叶室3通过金属支杆 7固定在多角度固定架6上，二氧化碳浓度检测探头8置入在外置循环叶室3内，二氧化碳浓度检测探头8通过光纤9与二氧化碳检测仪10相连通，二氧化碳吸收池11通过第三有机软管16与循环泵4和外置循环叶室3相连通，二氧化碳供给管13与第一有机软管5连通，中间有三通电子控制阀门14控制二氧化碳流速或关闭二氧化碳供给，通过三通电子控制阀门14控制第一有机软管5与循环泵4连通，第一有机软管5经二氧化碳供给管13与二氧化碳储存罐18连通，借助二氧化碳检测仪10检测数据以控制叶室中二氧化碳浓度保持在 0.03％。通过测定二氧化碳吸收池11的ph值变化(吸收二氧化碳的量)与二氧化碳供给管 13(供给二氧化碳的量)的输入量，计算出整个光合过程中二氧化碳的消耗量。
35.实施例二：利用短时分析系统来进行水稻叶片实时检测光合作用的方法
36.首先将密封圈2打开，选择水稻叶片或整株水稻放入有机玻璃1中，有机玻璃1与密封圈2 合并构成外置循环叶室3，由外置循环叶室3经第一三通阀门15和第二三通阀门17通过第二有机软管12、经三通电子控制阀门14通过第一有机软管5与循环泵4连通，外置循环叶室3通过金属支杆7固定在多角度固定架6上，二氧化碳浓度检测探头8置入在外置循环叶室3内，二氧化碳浓度检测探头8通过光纤9与二氧化碳检测仪10相连通，关闭三通电子控制阀门14。1小时后直接通过二氧化碳检测仪10进行读取计算出整个光合过程中二氧化碳的消耗量。
37.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，故凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，其特征是该系统包括：有机玻璃(1)与密封圈(2)构成外置循环叶室(3)，外置循环叶室(3)经第一三通阀门(15)通过第三有机软管(16)与二氧化碳吸收池(11)连通，二氧化碳吸收池(11)经第二三通阀门(17)通过有机软管与循环泵(4)连通，外置循环叶室(3)通过第一有机软管(5)与循环泵(4)连通，外置循环叶室(3)通过金属支杆(7)固定在多角度固定架(6)上，二氧化碳浓度检测探头(8)置入在外置循环叶室(3)内，二氧化碳浓度检测探头(8)通过光纤(9)与二氧化碳检测仪(10)相连通，二氧化碳吸收池(11)通过第三有机软管(16)与循环泵(4)和外置循环叶室(3)相连通，二氧化碳供给管(13)与第一有机软管(5)连通，中间有三通电子控制阀门(14)控制二氧化碳流速或关闭二氧化碳供给，通过三通电子控制阀门(14)控制第一有机软管(5)与循环泵(4)连通，第一有机软管(5)经二氧化碳供给管(13)与二氧化碳储存罐(18)连通。2.根据权利要求1所述的一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，其特征是，在野外实时短时间测定时，由外置循环叶室(3)经第一三通阀门(15)和第二三通阀门(17)通过第二有机软管(12)、经三通电子控制阀门(14)通过第一有机软管(5)与循环泵(4)连通，外置循环叶室(3)通过金属支杆(7)固定在多角度固定架(6)上，二氧化碳浓度检测探头(8)置入在外置循环叶室(3)内，二氧化碳浓度检测探头(8)通过光纤(9)与二氧化碳检测仪(10)相连通，关闭三通电子控制阀门(14)。3.根据权利要求1或2所述的一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，其特征是，其中有机玻璃(1)的材质为透光率达到80％以上的有机玻璃，其厚度为1-10mm，其形状为圆柱形或长方形或球形。4.根据权利要求1或2所述的一种的便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，其特征是所述多角度固定架(6)为任意角度的固定。5.根据权利要求1或2所述的一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，其特征是，其中二氧化碳浓度检测探头(8)放入外置循环叶室(3)的深度为5～50mm。6.根据权利要求1或2所述的一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，其特征是，其中二氧化碳吸收池(11)，由0.1～0.5mol/l氢氧化钠水溶液组成，通过测定溶液中ph的变化换算出二氧化碳吸收量或直接测定硫酸中和反应产二氧化碳的量，还可通过降温设备进行控制其溶液的温度，直接影响外置循环叶室(3)内的温度变化。

技术总结
本实用新型涉及一种便携式用于野外实时测定植物光合作用的分析系统，由外置循环叶室、二氧化碳吸收池、循环泵、二氧化碳浓度检测器、二氧化碳储存罐和多角度固定架组成，外置循环叶室固定在多角度固定架上，二氧化碳储存罐、二氧化碳吸收池、循环泵通过有机软管和阀门与外置循环叶室连通，二氧化碳浓度检测器置入在外置循环叶室中。该系统能使叶室内的二氧化碳浓度完全相同，避免了在叶室中因光合作用造成二氧化碳浓度不均，为长时间测定整个植物或单一叶片的光合强度实验提供可行性，同时还能有效地减缓了叶室封闭环境温度上升，有效地维持了环境湿度的稳定。维持了环境湿度的稳定。维持了环境湿度的稳定。


技术研发人员：常硕其 朱新广 欧阳翔
受保护的技术使用者：湖南杂交水稻研究中心
技术研发日：2021.04.25
技术公布日：2022/5/25