一种测定木本植物最大水力导度的装置及其使用方法

摘要

本发明涉及一种测定木本植物最大水力导度的装置及其使用方法，它包括一冲洗液容器、一离心增压泵、一三通阀、一水压计、一烧瓶、一电子天平和一计算机；冲洗液容器底部设置两个出口，冲洗液容器的第一出口通过管路连接离心增压泵的进口，离心增压泵的出口通过管路连接三通阀的第一进口，离心增压泵的出口和三通阀的第一进口之间的管路上还设置水压计，冲洗液容器的第二出口通过管路连接三通阀的第二进口；三通阀的出口连接一用于与待测植物样品连接的连接管，且连接管底部与冲洗液容器的第二出口的垂直距离为60cm～100cm，连接管正下方设置烧瓶，烧瓶放置在电子天平上，电子天平连接计算机。本发明不但能够有效提高测定结果的准确性，而且适合在野外测定木本植物最大水力导度。

说明书

技术领域

本发明涉及植物水力结构研究领域，特别是涉及一种测定木本植物最大水力导度 的装置及其使用方法。

背景技术

近年来越来越频繁发生的极端干旱事件直接导致了北美和欧洲森林的大面积死亡。 事实上，进入21世纪以来，中国的多个森林生态系统也明显受到了全球气候变暖的负 面影响，例如贵州近年来频繁遭受的极端干旱事件，其中，2009年～2010年夏秋连旱 叠加冬春干旱、2011年夏秋连旱和2013年夏旱均在不同程度上导致了贵州喀斯特森 林的大面积死亡；我国华北、华东和华中地区夏季持续遭受40℃的高温天气，森林大 面积死亡的同时伴随着大量干枯枝叶飘落呈现出只有秋日才发生的落叶缤纷景象。显 然，极端干旱事件不但严重影响了森林生态系统的生物多样性和生产力水平，而且严 重影响了森林生态系统健康稳定和全球水生态平衡。

有科学假说认为极端干旱事件会导致森林木本植物体内水分平衡关系丧失，进而 会导致森林木本植物个体死亡，这尤其凸显了植物水分关系研究的重要性，而植物水 分关系研究领域尤其具有重要意义的就是水力结构的研究。水力结构是指植物在特定 的自然环境条件下，为适应生存竞争的需要所形成的不同形态结构和水分运输供给策 略。极端干旱事件既会导致水力结构的去功能化(Dysfunction)，又会导致输水管道 发生大面积的气穴化(Cavitation)，从而会使得水力结构失去水分运输功能，进而对 森林木本植物个体生长发育有重要贡献的叶、根和分生组织等重要器官以及组织会因 为缺水而死亡，进而导致森林木本植物个体死亡。因此，森林木本植物木质部运输水 分的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。

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。植物水 力导度包括导水率、比导率和叶比导度，其中，导水率(Kh)是指植物输水管道单位 长度的水分运输能力，其中，这里的植物输水管道主要是植物的茎干、枝条和根，导 水率的单位是KgmMPa^-1s^-1；比导率(Ks)是指单位茎干、枝条和根横截面积的导水率， 将导水率除以茎干、枝条和根的横截面积即得出比导率Ks，其单位是Kgm^-1MPa^-1s^-1，其 中，比导率Ks值反映管道系统的水分运输效率，其值越大则说明该管道系统输水效率 越高；叶比导率(Kl)是植物茎干和枝条末端对叶片供水能力的重要指标，将导水率除 以茎干和枝条末端生长的所有叶片的总叶面积即得到Kl，其单位为Kgm^-1MPa^-1s^-1，叶比 导率的值越大则说明植物茎干和枝条末端对叶的供水能力越强。植物的最大水力导度 反映了无栓塞化的管道系统最大的水分运输能力，是水力结构研究的核心指标。变化 环境下植物的最大水力导度与物种适应策略密切相关。比如，对于被子植物而言森林 木本植物存在两种生活型，即常绿植物与落叶植物。常绿植物由于其导管直径小，木 材密度高，因此其最大水力导度小，水分运输能力弱，从而使得水分供给不足，进而 使得常绿植物的光合碳同化能力要低，生长速率慢。但是常绿植物抵抗机械压力，例 如风折、雪压、虫食胁迫的能力强；相对而言，落叶植物导管大，木材密度低，因此 其最大水力导度大，水分运输能力强从而使得水分供给能力强，进而使得落叶植物的 光合能力高，生长速率快。但是落叶植物抵抗机械损伤的能力弱。显然，植物的最大 水力导度与植物其它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，因此，精确测定植物的最大水力导度是研究植物水分关系的前提。

由于蒸腾拉力的存在，通常情况下植物的部分输水管道会出现气穴化现象，这会 导致整条输水管道的栓塞化(Embolism)，进而使得管道系统失去输水功能。此情况下 的水力导度低于无栓塞下的最大水力导度。蒸腾拉力越大会使得管道系统的张力越大， 管道系统的张力越大会使得栓塞化导管数量越多，栓塞化导管数量越多会使得实际水 力导度逐步下降，实际水力导度与最大水力导度之比被称为水力导度丧失率(PLC， Percentageoflossofconductance)，该指标与被测样品水势之间存在一个反曲函 数关系(Sigmoidalfunction)。当实际水力导度降低到最大水力导度的一半，即PLC＝50 时的水势值(Ψ₅₀)是反映植物水分运输安全性的指标，其中，Ψ₅₀越低，植物水分运 输的安全性越高。显然，精确测定植物的最大水力导度是可靠获得Ψ₅₀的基础。

目前，国际通常采用高压冲洗法测定最大水力导度，其具体过程为：首先，用高 气压直接压迫冲洗液提高其压强至110kPa～175kPa，以驱除已栓塞化导管内的气穴； 然后，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； 最后，计算获得最大水力导度。运用该方法的现有技术中测定最大水力导度的装置， 如图1所示，它包括高压气瓶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′、烧瓶8′、电子天平9′和计算机10′；该 种装置是植物水分关系研究的实验室标准设置，但是，在森林木本植物的水力结构研 究中，经常需要对野外采集的样品进行水力结构的测定。通常情况下，野外采集地点 往往离实验室较远，因此，野外采集的待测样样品均需要进行一些保存措施后带回实 验室进行测定，其中，常见的保存措施有保湿和低浓度草酸防真菌感染等，但是，这 些保存措施只能在短时间内有效，一旦时间过长则会失效，样品仍会出现真菌感染、 干枯和虫害等现象，而且这些保存措施无法阻止待测样品生理活性的逐渐降低。显然， 将野外采集的待测样品带回实验室进行测定不但操作麻烦，效果不佳，而且还会造成 最大水力导度测定结果的准确性降低，因此，最好在野外就近对待测样品进行水力结 构的测定。但是，现有技术中测定最大水力导度的装置在野外应用时，存在诸多不方 便，具体为：一、由于交通管理相关的法律法规对于高压气瓶的运输有严格规定，使 得生态学家很难在进行野外科考活动中随身携带高压气瓶，即使相关法律没有对高压 气瓶运输进行严格规定，由于高压气瓶的特殊结构，其在运输、使用和保存过程中对 生态学家的人身安全也存在风险；二、在野外科学考察中高压气瓶的充气问题，一般 来说在野外，一个4L的气瓶充满气，只能进行30个～40个植物样品的水势测定，显 然，这于需要进行大量植物样品水势测定的野外科学考察，这些气量根本无法满足需 求，而且这4L气一旦用完，还很难找到地方充气；三、在用调压阀2′进行调压时， 由于压力罐3′气压的变化可能会导致微小气泡进入冲洗液中，这些微小气泡会栓塞 输水管道并导致最大水力导度的过低估计，进而导致测定结果的准确性降低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测定木本植物最大水力导度的装置及其 使用方法，不但能够有效提高测定结果的准确性，而且适合在野外测定木本植物最大 水力导度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种测定木本植物最大水力导度的 装置，它包括一冲洗液容器、一离心增压泵、一三通阀、一水压计、一烧瓶、一电子 天平和一计算机；所述冲洗液容器底部设置两个出口，所述冲洗液容器的第一出口通 过管路连接所述离心增压泵的进口，所述离心增压泵的出口通过管路连接所述三通阀 的第一进口，所述离心增压泵的出口和所述三通阀的第一进口之间的管路上还设置所 述水压计，所述冲洗液容器的第二出口通过管路连接所述三通阀的第二进口；所述三 通阀的出口连接一用于与待测植物样品连接的连接管，且所述连接管底部与所述冲洗 液容器的第二出口的垂直距离为60cm～100cm，所述连接管正下方设置所述烧瓶，所 述烧瓶放置在所述电子天平上，所述电子天平连接所述计算机。

所述离心增压泵的功率为150W～165W，扬程为12m～15m，内径为15mm。

所述待测植物样品为木本植物的茎干、枝条或根。

所述连接管采用透明光滑的硅胶软水管。

一种所述测定木本植物最大水力导度的装置的使用方法，其包括以下步骤：

(1)用蒸馏水配置草酸冲洗液，并过滤掉所配置草酸冲洗液中的微小气泡和杂质； (2)将步骤(1)得到的草酸冲洗液倒入冲洗液容器中，并关闭三通阀的第二进口， 打开三通阀的第一进口；当草酸冲洗液充满离心增压泵时，启动离心增压泵，并通过 水压计判断离心增压泵是否正常工作，数秒后关闭离心增压泵，并开启得三通阀的第 二进口，关闭三通阀的第一进口；(3)将待测植物样品一端与连接管连接，另一端与 烧瓶的瓶口对齐；(4)首先，分别打开电子天平和计算机，关闭三通阀的第二进口， 开启三通阀的第一进口，开启离心增压泵，使得草酸冲洗液的压强恒定，一段时间后 关闭离心增压泵；然后，开启三通阀的第二进口，关闭三通阀的第一进口；记录单位 时间内草酸冲洗液滴落入烧瓶的重量，并根据压强、待测植物样品的长度、边材面积 和叶面面积分别计算出导水率、比导率和叶比导率；至此完成一个待测植物样品的最 大水力导度测定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置离心增压泵 直接对冲洗液容器中的冲洗液增压，使得本发明不但能够有效提高测定结果的准确性， 而且适合在野外进行测定。2、本发明由于采用功率为150W～165W，扬程为12m～15m， 内径为15mm的离心增压泵，使得既适应了水力导度测定的具体要求和野外工作的具体 条件，又有效降低了成本。3、本发明由于采用硅胶软水管制作连接管以及各个部件之 间的连接管路，既能够满足实验的具体要求，又便于安装。4、本发明在使用时操作简 便，可靠性高，非常适合水力导度的野外快速测定，具有显著的社会效益、经济效益 和生态效益，因此可以广泛应用于植物水力结构的研究中。

附图说明

图1是现有技术中测定最大水力导度的装置结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3采用传统方法测定Kh和采用本发明测定Kh之间关系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明提供的测定木本植物最大水力导度的装置包括一冲洗液容器 1、一离心增压泵2、一三通阀3、一水压计4、一烧瓶5、一电子天平6和一计算机7； 冲洗液容器1底部设置两个出口(为了方便描述将两个出口分别定义为第一出口11 和第二出口12，)第一出口11通过管路连接离心增压泵2的进口，离心增压泵2的出 口通过管路连接三通阀3的第一进口，离心增压泵2的出口和三通阀3的第一进口之 间的管路上还设置水压计4；冲洗液容器1的第二出口12通过管路连接三通阀3的第 二进口；三通阀3的出口连接一用于与待测植物样品8连接的连接管9，且连接管9 底部与第二出口12的垂直距离为60cm～100cm，连接管9正下方设置烧瓶5，烧瓶5 放置在电子天平6上，电子天平6连接计算机7。

在一个优选的实施例中，为了便于操作，冲洗液容器1可以采用25L蒸馏水桶。

在一个优选的实施例中，为了适应水力导度测定的具体要求和野外工作的具体条 件，离心增压泵2的功率为150W～165W，扬程为12m～15m，内径为15mm。

在一个优选的实施例中，为了提高水力导度测定的准确性，电子天平6的精度为 万分之一精度。

在一个优选的实施例中，待测植物样品8可以为木本植物的茎干、枝条或根。

在一个优选的实施例中，连接管9可以采用透明光滑的硅胶软水管。

在一个优选的实施例中，管路均可以采用透明光滑的硅胶软水管。

下面通过具体实施例详细说明本发明的测定木本植物最大水力导度的装置的使用 方法，其包括以下步骤：

1、用蒸馏水配置pH＝2的0.01M的草酸冲洗液，并用0.25μm分子筛过滤掉所配 置草酸冲洗液中的微小气泡和杂质；

2、将步骤1得到的草酸冲洗液倒入冲洗液容器1中，并关闭三通阀3的第二进口， 打开三通阀3的第一进口；当草酸冲洗液充满离心增压泵2时，启动离心增压泵2， 以驱赶整个测定系统中附着在管路内壁上的微小气泡和杂质，并通过水压计4判断离 心增压泵2是否正常工作，数秒后关闭离心增压泵2，并开启得三通阀3的第二进口， 关闭三通阀3的第一进口；

3、首先，选取直径在1.5cm以下的待测植物样品8；然后，将待测植物样品8放 置在一盛满蒸馏水的容器中进行剪切，剪切得到两端平整，长度为15cm～20cm的待测 植物样品8，其中，环孔材可短些，散孔材可长些；最后，先将连接管9的底部管口 置于蒸馏水下并与待测植物样品8的一端进行紧固连接后在从蒸馏水中拿出来，且使 得待测植物样品8的另一端与烧瓶5的瓶口对齐；

4、首先，分别打开电子天平6和计算机7，关闭三通阀3的第二进口，开启三通 阀3的第一进口，开启离心增压泵2，并使得离心增压泵2的开关位于自动档位，以 保持草酸冲洗液的压强恒定，60s后关闭离心增压泵2，本步骤的目的是驱除已栓塞化 导管内的气穴；然后，开启三通阀3的第二进口，关闭三通阀3的第一进口；在数分 钟内记录单位时间内草酸冲洗液滴落入烧瓶5的重量，并根据压强、待测植物样品8 的长度、边材面积和叶面面积分别计算出Kh、Ks和Kl，其中，边材面积可用根据髓 心直径和待测植物样品8直径之差得出，叶面积可以用扫描仪结合现有技术当中的相 关分析软件获得；至此完成一个待测植物样品8的最大水力导度测定，由于每一个待 测样品8的最大水力导度的测定过程均相同，故不再赘述。

为了检验本发明进行木本植物最大水力导度测定的可靠性，将本发明进行木本植 物最大水力导度测定的结果和传统方法测定的结果进行对比，具体过程如下：

首先，采集10根14cm～16cm长的毛白杨枝条，并依次标号后均分成两组，第一 组为1号～5号的毛白杨枝条，第二组为6号～10号的毛白杨枝条；

然后，为了避免实验过程中在先实验对毛白杨枝条产生损坏而影响在后实验的测 定结果，而分别设计方案一和方案二，对第一组毛白杨枝条按照方案一进行测定，方 案一的具体过程为：(1)在水压为105kpa的情况下，对1号毛白杨枝条按照传统方法 测定最大水力导度，并记录测定结果，其单位为：×10^－5KgmMPa^-1s^-1；(2)将1号 毛白杨枝条晾干一会，从而使其产生气穴，进而使其恢复到实验之前的状态，以保证 在后测定的准确性；(3)在水压为105kpa的情况下，对1号毛白杨枝条采用本发明测 定最大水力导度，并记录测定结果，其单位为：×10^－5KgmMPa^-1s^-1；(4)将2号、3 号、4号和5号毛白杨枝条分别重复上述的(1)(2)和(3)步骤；

对第二组毛白杨枝条按照方案二进行测定，方案二的具体过程为：(1)在水压为 105kpa的情况下，对6号毛白杨枝条采用本发明测定最大水力导度，并记录测定结果， 其单位为：×10^－5KgmMPa^-1s^-1；(2)将6号毛白杨枝条晾干一会，从而使其产生气 穴，进而使其恢复到实验之前的状态，以保证在后测定的准确性；(3)在水压为105kpa 的情况下，对6号毛白杨枝条采用传统方法测定最大水力导度，并记录测定结果，其 单位为：×10^－5KgmMPa^-1s^-1；(4)将7号、8号、9号和10号毛白杨枝条分别重复 上述的(1)(2)和(3)步骤；

最后，将方案一所记录的测定的结果和方案二所记录的测定结果分别进行整理， 得到本发明测定结果和传统方法测定结果对比表1

表1本发明测定结果和传统方法测定结果对比表

根据表1可以看出：p值为0.428，说明本发明测定结果和传统方法测定结果之间 无显著差异，具有可靠性；根据表1得到传统方法测定结果和本发明测定结果的Kh 之间的关系，如图3所示，传统方法测定结果和本发明测定结果得到的Kh之间的相关 性为0.998，斜率为0.992。另外，无论采用方案一还是采用方案二对导水率结果无明 显影响,且由于Ks和Kl均是Kh除以一个常数，因此本发明测定的Ks和Kl也具有可 靠性。综上所述，采用本发明进行木本植物最大水力导度测定具有可靠性。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是 可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排 除在本发明的保护范围之外。