[发明专利]一种低压植物气体交换测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在低大气压力(低压)条件下测量植物气体交换的装置，还涉及低压条件下植物气体 交换的测量方法，属于长期载人航天受控生态生保技术领域。

背景技术

受控生态生命保障系统(Controlledecologicallifesupportsystem，CELSS)是人类将来开展长期载人航 天所必需的生命保障系统(Wheeler等，2001)。它是一种生物再生式的生命保障系统，该系统通过植物的 光合作用、蒸腾作用以及微生物的分解作用，可为航天员提供食物、氧气和水，并通过植物吸收利用系统 产生的废物，从而形成闭环的生态平衡体系(Poughon等，2009)。与物理/化学的生命保障方式相比，该系 统可以显著降低供应生保物资的费用，延长深空探测的时间和距离，并能缓解航天员的心理压力(Hoehn 等，1998)。

植物是CELSS中的关键生物部件，在特定的人工生态环境(如低大气压、低光、低温和高二氧化碳 等)中培养植物并研究其生长特性，对于将来建立空间CELSS具有非常积极的意义(Rajapakse等，2009)。 月球为高真空环境，火星表面大气极为稀薄，气压不及地球大气的百分之一。因此，在月球/火星上建立低 大气压力(低压)CELSS来培养植物时，可以减少系统的质量(NangaliaandHabershon，2004)，降低系统 内外压差和结构难度(Chamberlain等，2004；He等，2007)，减少系统的气体泄漏和消耗(PaulandFerl， 2006)。在低压植物研究方面，植物气体交换特性研究(光合速率和蒸腾速率)是受控生态生保研究领域 的热点和难点(Rajapakse等，2009)。

目前，国外一些研究机构、大学和公司已经相继建立了多种不同形式和功能的低压植物试验装置并开 展了相关的试验研究(Schwartzkopf等，1995；Rygalov等，2002；Goto等，2002；Chamberlain等，2002)。 国外研制的这些低压植物培养装置主要是针对具体的植物培养试验研究，如植物生长发育、营养品质和基 因特性等等。系统整合程度较小，不适合进一步工程化应用。在国内，中国航天员科研训练中心研制了两 台低压植物培养装置，采用一体化设计，具有一定程度的系统整合，主要着眼于地面植物栽培试验研究和 空间工程应用(唐永康等，2008，2010)。

本发明设计并建立了一种测量低压植物气体交换的装置，并针对被测植物的生长需求特性，创造了适 合其生长的大气环境条件(总压、气体分压、温度和湿度)、光照条件和水分/养分条件，建立了测量低压 植物气体交换的方法。该装置为小型化设计，适合应用于地面开展低压植物实验研究中的气体交换测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对空间低压环境条件的特点，发明一种光源位置 可调、占用空间小和移动行强等特点的低压植物气体交换测量装置和方法。

本发明的技术解决方案是：一种低压植物气体交换测量装置及方法，包括基座、隔离罩、培养盒、LED 光源、营养液供应系统、大气环境控制系统和支撑架。基座和隔离罩共同构成封闭植物生长室，培养盒内 装填有培养基质，用于在低压下培养植物。LED光源为植物气体交换提供所需的光质、光强和光周期。营 养液供应系统提供植物生长需要的水分和养分。大气环境控制系统用于测量和控制植物生长的大气环境 (总压、氧分压、二氧化碳分压、温度和湿度)，同时适时在线测量低压植物的气体交换速率。支撑架主 要用于固定各个组件，组装整个装置。

所述的基座为圆柱形腔体结构，用于放置培养盒。基座上部与隔离罩通过密封硅胶圈、卡套相连。基 座底部向下延伸出一个小腔，用于盛装加湿水和植物冷凝水。基座侧壁和底部分别设置有传感器线路接口、 气体入口、真空抽气口、排气口、营养液入口、加湿水入口、冷凝水出口、排污口、制冷管路入口和出口。 所述的隔离罩为半球状，用于隔离植物培养室与外部大气，为植物生长提供密闭空间。该隔离罩为透明材 质，其上部的LED光源产生的光可以透过隔离罩进入植物培养室，为植物提供生长所需的光照。隔离罩 下底面与基座上部相连。

所述的培养盒用于培养植物，包括培养盖、培养箱、培养基质、营养液滴头和相应的营养液输送管路 组成。培养箱用于盛装植物培养基质，培养基质为多孔材料，不仅为植物生长提供支撑作用，还可以储存 水分和养分，营养液滴头为植物生长缓慢输送水分和养分。