CN103936169A

CN103936169A - 一种沉水植物种植装置

Info

Publication number: CN103936169A
Application number: CN201410202302.7A
Authority: CN
Inventors: 李今; 华江环; 吕田; 吉芬芬; 李青原
Original assignee: Hubei Normal University
Current assignee: Hubei Normal University
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: CN103936169B

Abstract

本发明公开了一种沉水植物种植装置，包括浮力层、连接绳、沉水植物种植层、固定绳及锚。浮力层由外围边框与12～20个固定在其上的浮筒组成，沉水植物种植层由10～30块种植砖通过连接钉连接而成，每块种植砖由镂空框架及内部填充的种植基质组成，可适配种苗、石芽、种子等多种沉水植物繁殖体；浮力层与沉水植物种植层通过四根连接绳相连，沉水植物种植层中心部位有连接钉连接有固定绳，固定绳的另一端连接锚并置于水底。沉水植物种植层随着水位波动而上下浮动，但始终保持其距水面的距离恒定。种植砖结构与沉水植物根系契合良好，装置形态长期稳定，可有效避免水位剧变和风浪对沉水植物的影响。整个装置组装简单，实际运作过程中无需人工管理。

Description

一种沉水植物种植装置

技术领域

本发明涉及水域生态修复领域，尤其涉及一种沉水植物种植装置，适用于透明度较低、水位较深、水位变化大、硬质型底质等不利于沉水植物生长的水体环境，尤其适用于因强降雨等因素造成的短时间内水位大幅度变化的水体。

背景技术

沉水植物为水体生态系统的生产者，为其他营养级生物提供物质和能量，通过光合作用增加水中的溶氧。沉水植物吸收水中氮、磷等富营养化成份并能促进悬浮物的沉降，从而实现富营养化水体有效修复，改善水生生态系统结构，维持生态系统功能稳定。

沉水植物的生长和分布受水中光照、矿物质元素和底质等环境因子的影响。目前中国湖泊普遍缺乏沉水植物，由于底质（厌氧型或者硬质底质）、水体透明度以及水位大幅度波动等因素，大多数湖泊恢复沉水植物都有困难，其中水位大幅度波动是目前自然水体沉水植物恢复的重大难题。

沉水植物的生长特点为：其根或根状茎生于水底泥中，茎、叶全部沉没于水中，开花时花露出水面，其生长和分布受水中光强、水温和矿物质元素等环境因子的影响。目前中国湖泊沉水植物缺乏，导致水生态系统结构脆弱。大多数湖泊恢复沉水植物都有困难，原因主要有底质（泥沙型或者硬质底质）、水体透明度以及水位大幅度波动、风浪等因素，其中水位大幅度波动是目前自然水体沉水植物修复过程中的一大难题。

目前已有的沉水植物种植装置及技术主要包括以下两种：（1）种植杯。种植杯或种植筒是将沉水植物种子或休眠芽种植在自行设计适应于某些沉水植物的基质中，抛洒到水底，使沉水植物在水底生长，而实现沉水植被修复。如公开号为（CN 102070249A）的发明名称为“一种利用包埋杯种植沉水植物的方法”介绍了一种以包埋方式种植沉水植物的方法，主要解决基质对沉水植物生长的限制作用，但尚无考虑水体透明度、水位剧变等外界冲击作用，不适合自然水体复杂多变的环境。（2）种植床（或种植网床）。现有的种植床（或种植网床）技术是在水中放置种植床，在种植床上种植沉水植物，通过沉水植物的根、茎、叶吸收水体中污染物，这种技术对富营养化水质的净化效果比较明显。虽然目前已有的种植床（或种植网床）技术考虑了水体透明度、泥沙型或者硬质底质等，并且部分技术可以根据需要调节种植床（种植网床）在水体下的位置，但这些技术存在一个共同的缺点，即不能适应短时间内水位剧变的水体，即使理论上能够调节种植床（或种植网床）在水下的位置，但由于需要人工手动调节和人为地监控水位等外界条件的变化，使得这些装置在实际工程应用中并不理想。有研究者提出渐沉式沉床技术的概念，如公开号为(CN 201999795U) 的实用新型发明名称为“一种连续沉降式沉水植物生态网床”，介绍了一种可调节渐沉式沉床种植网床，并对不同悬挂深度做了移栽实验，但该方法的缺点是要想根据随着水位的升高和降低来人为调节沉水植物生态网床的升降，则对生态网床和水位变化情况进行不定期的人工管理和监控，实际工程应用中操作困难且繁琐，费时费力，一旦碰到水位短时间内剧变，短时间内的人为调节挽救也基本不太现实。无独有偶，也有研究者提出了可调式沉水植物种植床，如公开号为（CN 201369957）的实用新型发明名称为“沉水植物种植床”中，通过滑轮来调节沉水植物种植床在水下的位置，从而避免水体透明度对沉水植物的影响，但该装置不但没有解决上述沉水植物生态网床的缺点，而且装置结构复杂，种植床的成本较高，尤其是在某些水深超过6 m的水体，对支持桩的要求太高，从而导致整个种植床造价高昂。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种新型沉水植物种植装置，可有效解决透明度低、水位较深、水位变化大、厌氧型或硬质底质等不利于沉水植物生长的水体环境中进行沉水植物的种植和生态修复的难题。整个装置组装简单，实际运作过程中无需人工管理，具有很好的经济性、实用性和广泛的适用性。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种沉水植物种植装置，包括浮力层、连接绳、沉水植物种植层、固定绳及锚，浮力层为可拆卸的组合式框架结构，包括外围边框和浮筒，其中外围边框由四根框条首尾通过榫头两两相接而成，外围边框上固定有若干个（12～20个）浮筒；沉水植物种植层由若干块（10～30块）种植砖通过连接钉相互连接而成，每块种植砖包括镂空框架和种植基质，其中镂空框架为无上表面、侧壁及底面均设有镂空网格的空心长方体，其四角处呈三菱柱状加厚并打有连接孔，镂空框架内填充种植基质，种植基质由黏土、陶粒及中空多孔植物纤维（丝瓜瓤）混合而成；浮力层与沉水植物种植层通过四根连接绳相连：连接绳上端固定在浮力层外围边框的四个角上，下端穿过沉水植物种植层四个顶角处种植砖的连接孔并系紧固定；为防止沉水植物种植层在水平方向上随意漂浮移动，通过一定长度的固定绳和锚将其移动范围限定在一定的水域范围内，固定绳的一端系在沉水植物种植层中心位置的连接钉上（该处连接钉与其他地方不同，连接钉两脚下端向上弯曲以便将固定绳固定在该弯曲部位），另一端固定在锚（石头等重物）上，锚置于水底。

所述的外围边框长度为2～3 m，宽度为1～2 m，外围边框的框条横截面规格为6～8 cm×8～10 cm。

所述的外围边框的框条为木条（方木）、竹条（毛竹）、塑料等材质，只要便于拆卸组装，并为整个装置提供必要的浮力支撑即可。

所述的外围边框上每间隔20～30 cm固定一个可拆卸浮筒，浮筒通过铁丝或扎带固定在外围边框上。

所述的浮筒为塑料材质，空心圆柱体状，高不小于30 cm，底面直径不小于10 cm，壁厚不小于0.2 cm，尺寸可根据浮力需求来制定，优选地，高30～40 cm，底面直径10～20 cm，壁厚0.2～0.3 cm。

所述的连接绳为直径1～2 cm的尼龙绳，长度根据沉水植物所需光照强度以及实际水体透明度来确定，等于沉水植物在目标水体中的最佳种植水深。

所述的种植砖的镂空框架规格为50 cm×40 cm×15 cm，镂空框架侧壁和底面网格的网孔规格为2 cm×2 cm，四角三棱柱状加厚，三棱柱底面为边长为5.7 cm的等腰直角三角形。镂空框架四角加厚处均打有孔径为2 cm、深度为15 cm的连接孔，用连接钉穿过连接孔将对角上的两块种植砖连接起来，形成每4块紧挨着的种植砖即通过两个连接钉形成＋状连接起来，其他种植砖的连接方式与此相同，最终形成由10～30块种植砖组合而成的沉水植物种植层。

所述的连接钉呈U型，两个脚长均为16～20 cm、直径1.5 cm。其中沉水植物种植层中心位置上的两个连接钉两脚下端向上弯曲，连接固定绳。

所述的中空多孔植物纤维为丝瓜瓤（也可以选用其他合适的多孔植物纤维代替），圆柱体状，高7～12 cm，底面直径5～10 cm。每个中空多孔植物纤维中可种植3～5棵/株沉水植物幼苗，还可适配石芽或种子等多种类型的沉水植物繁殖体。

所述的固定绳为直径2～3 cm的尼龙绳，长度等于所修复水体丰水期的水深，这样可以一方面可以将沉水植物种植层限定在一定的水域范围内，避免了其水平方向的随意漂浮移动，可以防止风浪对装置的影响；另一方面，由于预留了一定的长度，可以使得沉水植物种植层随着水位波动而上下浮动但始终保持其在水下距离水面的距离恒定。

所述的锚为较重的石头或者其它重物，与固定绳连接并置于水底，起到固定的作用。

优选地，所述的种植基质由黏土、陶粒及中空多孔植物纤维（丝瓜瓤）按1:2:5（体积比）的比例混合而成。

浮力层漂浮在水面上，作用是为整个装置提供浮力。连接绳起到连接浮力层和沉水植物种植层的作用。

沉水植物种植层是沉水植物的载体和种植基质。在种植砖中添加中空多孔植物纤维（丝瓜瓤），可以与沉水植物的根系形态很好的契合，使得根系在中空多孔植物纤维中稳定迅速的生长；另一方面多孔植物纤维为生物膜的着生提供了有利条件，扩大了生物膜的着生面积，而生物膜不仅具有水体修复功能，还可以起到黏着固定的作用，与沉水植物根系、陶粒和黏土一起，维系了种植砖形态稳定。种植基质由黏土、陶粒及中空多孔植物纤维（丝瓜瓤）组成，黏土在沉水植物根系发育初期可提供充足营养，并粘合基质中的陶粒和中空多孔植物纤维。陶粒可以起到稳定种植砖形态和提供生物膜生长的表面积的作用。基质中黏土、陶粒及中空多孔植物纤维按比例复合配比，解决了常规方法中单独使用黏土基质会发生水下结构分解，而不能在沉水植物根系发育稳定之前起到有效固定和支撑作用的问题。

所述的种植基质是指代替土壤提供沉水植物机械支持和营养物质供应的混合固体介质，由黏土、陶粒及中空多孔植物纤维（丝瓜瓤）按1:2:5（体积比）的比例混合而成，用以固定沉水植物根系或沉水植物石芽、种子等繁殖体，并为其提供必要的营养物质和氧气等。

本发明的创新点和优点：

与现有技术相比，本发明具有以下创新点：

1、沉水植物种植层采用了以镂空框架中填充以中空多孔植物纤维（丝瓜瓤）为主体、混合陶粒及黏土的复合种植基质，形成种植砖的样式。该种植砖可以有效适配种苗、种子、繁殖芽等多种沉水植物繁殖体。由于中空多孔植物纤维具有孔隙疏松、不易腐烂等特点，沉水植物根系在其中生长良好，实现了种植基质形态与沉水植物根系良好契合并长期稳定的效果；中空多孔植物纤维的多孔隙特点还扩大了生物膜的着生表面积。种植砖外围框架采用镂空的形式，不会阻碍沉水植物根系伸展，扩大了沉水植物根系、茎叶系统与水体的接触面积，提高了整个装置的水体修复效能。 2、通过浮筒、连接绳和固定绳及锚的巧妙结合，实现了沉水植物种植层可以随着水位的变化而自动上下浮动但始终保持与水面的距离恒定的理想效果。解决了目前已有的沉水植物种植装置中需要人工调节水下位置的难题（在实际工程中，当水位在较短时间内剧变时，往往无法及时实现人工的调整，从而导致沉水植物大面积死亡），也极大节省了人力和物力。连接绳长度设计为沉水植物在目标水体中的最佳种植水深，加之浮筒的作用，使得沉水植物种植层可以稳定在距离水面适宜的水下位置。固定绳长度等于目标水体丰水期的水深，这样一方面可以将沉水植物种植层限定在一定的水域范围内，避免其在水平方向的随意漂浮移动，也避免了风浪对装置的影响；另一方面，由于预留了一定的长度，可以使得沉水植物种植层随着水位自动上下浮动但始终保持其水下深度的恒定，避免了湖泊水位较大变化时对沉水植物毁灭性的影响。除了以上创新点外，该装置还具有一些优点： 1、整个装置的材料为市场或者天然已有的材料，环保卫生。

2、种植砖形态长期稳定，利于沉水植物根系发育。 3、整个装置易于安装拆卸，工人不需要经过专门的训练就可以完成组装。 4、装置实际运作过程中无需人工管理，具有很好的经济性、实用性和广泛的适用性。 5、特别适用于水位变化剧烈的水体，整个装置对水质净化的综合效果非常好。

附图说明

图1 为一种沉水植物种植装置的整体结构图。

图2 为一种沉水植物种植装置的浮筒、连接绳与外围边框之间的连接图。

图3 为一种沉水植物种植装置的种植砖具体构造图。

图4 为一种沉水植物种植装置的种植砖三视图。

图5 为一种沉水植物种植装置的种植砖之间的连接方式图。

图6为一种沉水植物种植装置的固定绳与沉水植物种植层连接部位细节图。

其中：1-浮力层；1.1-外围边框；1.2-浮筒；2-连接绳；3-种植层；3.1-种植砖；3.2-连接钉；3.1.1-镂空框架；3.1.2-黏土；3.1.3-中空多孔植物纤维；3.1.4-连接孔；3.1.5-网格；3.1.6-陶粒；4-固定绳；5-锚；6-沉水植物。

图7为实施例1中苦草生长状况曲线图。

图8为实施例1中苦草根长及根数增长曲线图。

图9为实施例1中苦草对水体营养物质去除率图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，来具体说明本发明。

实施例1：

如图1所示，一种沉水植物种植装置，包括浮力层1、连接绳2、沉水植物种植层3、固定绳4及锚5。

浮力层1为可拆卸的组合式框架结构，包括外围边框1.1和浮筒1.2，其中外围边框1.1由四根框条首尾通过榫头两两相接而成，外围边框1.1上固定有12或15或20个浮筒1.2；沉水植物种植层3由10或20或30块种植砖3.1通过连接钉3.2相互连接而成，每块种植砖3.1包括镂空框架3.1.1和种植基质，其中镂空框架3.1.1为无上表面、侧壁及底面均设有镂空网格3.1.5的空心长方体，其四角处呈三棱柱状加厚并打有连接孔3.1.4，镂空框架3.1.1内填充种植基质，种植基质由黏土3.1.2、陶粒3.1.6及中空多孔植物纤维3.1.3按1:2:5（体积比）的比例混合而成；浮力层1与沉水植物种植层3通过四根连接绳2相连，连接绳2上端固定在浮力层1外围边框1.1的四个角上，下端穿过沉水植物种植层3四个角处的种植砖3.1的连接孔3.1.4并系紧固定；沉水植物种植层3中心位置有连接钉3.2，其两脚下端向上弯曲，连接固定绳4，固定绳4另一端连接锚5，锚5置于水底。

所述的外围边框1.1长度为2 m或3 m，宽度为1 m或2 m，外围边框1.1的框条横截面规格为6 m或7 m或8 cm×8 m或9 m或10 cm。

所述的外围边框1.1的框条为木条、竹条、塑料等材质，只要便于拆卸组装，并为整个装置提供必要的浮力支撑即可。

所述的外围边框1.1上每间隔20 cm或25 cm或30 cm固定一个可拆卸浮筒1.2，浮筒1.2通过铁丝或扎带固定在外围边框1.1上。

如图2所示，所述的浮筒1.2为塑料材质，空心圆柱体状，高为30或35或40 cm，底面直径为10或15或20 cm，壁厚0.2或0.25或0.3 cm。

如图3、图4所示，所述的种植砖镂空框架3.1.1规格为50 cm×40 cm×15 cm，侧壁和底面网格的网孔规格为2 cm×2 cm，四角为三棱柱状加厚，三棱柱底面为边长为5.7 cm的等腰直角三角形。镂空框架3.1.1的四角加厚处均打有孔径为2 cm、深度为15 cm的连接孔3.1.4，用连接钉3.2穿过连接孔3.1.4将对角上的两块种植砖3.1连接起来，形成每4块紧挨着的种植砖3.1即通过两个连接钉3.2形成＋状连接起来，其他种植砖3.1的连接方式与此相同，最终形成由10或20或30块种植砖3.1组合而成的沉水植物种植层3。

如图5、图6所示，所述的连接钉3.2呈U型，每个脚长18 cm、直径1.5 cm。其中沉水植物种植层3中心位置上的两个连接钉3.2两脚的下端向上弯曲，连接固定绳4。

所述的连接绳2为直径1 cm或1.5 cm或2 cm的尼龙绳，长度根据沉水植物所需光照强度以及实际水体透明度来确定，等于沉水植物目标水体中的最佳种植水深。

所述的中空多孔植物纤维3.1.3为丝瓜瓤（也可以选用其他合适的多孔植物纤维代替），丝瓜瓤为圆柱体状，高7或10或12 cm，底面直径5或8或10 cm。每个中空多孔植物纤维3.1.3中可种植3～5棵/株沉水植物6幼苗，也可以适配石芽、种子等多种类型的沉水植物繁殖体。

所述的固定绳4为直径2 cm 或3 cm的尼龙绳，长度等于所修复水体丰水期的水深。

所述的锚5为较重的石头或者其它重物，与固定绳4相连，置于水底。

在具体的生态修复现场施工时，可事先将沉水植物6幼苗种植在种植砖3.1内，将浮力层1、连接绳2、沉水植物种植层3、固定绳4和配重物5组装完成后运至工程现场再放入水体中，将锚5抛至水底，并固定。至此，整个沉水植物种植装置制作和施工过程结束。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

种植装置效果评估

本试验在水池中放置5块种植砖（20 cm×15 cm×8 cm）并种上苦草，每块种植砖10株苦草，时间36天。监测装置中苦草的生长状况、苦草对水池内水质营养盐、透明度变化的贡献率、苦草对水池内浮游藻类生物多样性作用和抑制水华藻类效果等，评估本装置的效果。

经36天的培养，结果苦草长势良好，不但叶片数量、生物量等稳定增长（图7），根长也由刚开始的2.4 cm增长至5.6 cm，根数由3.4个增加至5.5个（图8），且根系充满整个种植砖中的中空多孔植物纤维（丝瓜瓤）。

在培养周期（36 d）内，水池内水质各种指标发生了较大的变化（表1），苦草对水体中氮磷有明显的去除效果中，对COD去除效果最高为80.8%（图9），水池内水质由劣Ⅴ类变为Ⅳ类水。根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）以及苦草对各营养盐的净化量可推算出经该装置种植面积为1 m²的苦草将Ⅴ类水净化为Ⅲ类水的体积（表2）。

表1 水池内水质变化

表2 单位种植面积苦草将Ⅴ类水净化为Ⅲ类水可净化的体积

另外，该装置中苦草对水池内优势藻类具显著性抑制效果（P＜0.05），对水华藻类湖北小环藻、边缘微囊藻、四尾栅藻的抑制率分别达到96.8%、85.7%、91.7%（表3）。浮游藻类多样性指数Simpson指数由处理前的0.870增加至处理后的0.962。说明经该浮床培养的苦草，改变了水体藻类群落结构，增加浮游藻类的多样性，抑制了水华藻类的生长。

表3 苦草对优势浮游藻类抑制率 (单位：个/L)

藻类名称	1d	36d	抑制率
				湖北小环藻	6.2×10⁴	2.0×10³	96.8%
库津小环藻	5.8×10⁴	9.0×10³	69.0%
				马氏平裂藻	3.6×10⁴	4.0×10³	44.4%
细小隐球藻	2.4×10⁴	2.0×10³	91.7%
				狭形纤维藻	2.4×10⁴	6.0×10³	75.0%
顶锥十字藻	1.8×10⁴	7.0×10³	61.1%
				衣藻属	1.8×10⁴	3.0×10³	83.3%
拟气球藻	1.6×10⁴	7.0×10³	12.5%
				边缘微囊藻	1.4×10⁴	2.0×10³	85.7%
四尾栅藻	1.2×10⁴	1.0×10³	91.7%
				肾形藻	4.0×10³	3.0×10³	25.0%
鱼腥藻	4.0×10³	2.0×10³	50.0%

Claims

1.一种沉水植物种植装置，包括浮力层（1）、连接绳（2）、沉水植物种植层（3）、固定绳（4）及锚（5），其特征在于：浮力层（1）为组合式框架结构，包括外围边框（1.1）和浮筒（1.2），外围边框（1.1）由四根框条首尾通过榫头两两相接，外围边框（1.1）上固定12～20个浮筒（1.2）；沉水植物种植层（3）由种植砖（3.1）通过连接钉（3.2）相互连接，每块种植砖（3.1）包括镂空框架（3.1.1）和种植基质，镂空框架（3.1.1）为无上表面、侧壁及底面均设有镂空网格的空心长方体框架，其四角处设有连接孔（3.1.4），镂空框架（3.1.1）内填充种植基质，种植基质由黏土（3.1.2）、陶粒（3.1.6）及中空多孔植物纤维（3.1.3）按体积比1:2:5的比例混合；连接绳（2）上端固定在浮力层（1）外围边框（1.1）的四个角上，下端穿过沉水植物种植层（3）四个顶角处种植砖（3.1）的连接孔（3.1.4）并系紧固定；沉水植物种植层（3）中心部位设有连接钉（3.2），连接钉（3.2）连接固定绳（4）的一端，固定绳（4）的另一端连接锚（5）置于水底。

2.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的外围边框（1.1）长度为2～3 m，宽度为1～2 m，外围边框（1.1）的框条横截面规格为6～8 cm×8～10 cm；所述的外围边框（1.1）的材质为木条或竹条或塑料。

3.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的外围边框（1.1）上每间隔20～30 cm固定一个浮筒（1.2）。

4.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的浮筒（1.2）为塑料材质，空心圆柱体状，高不小于30 cm，底面直径不小于10 cm，壁厚不小于0.2 cm。

5.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的连接绳（2）为直径1～2 cm的尼龙绳，长度等于沉水植物（6）在目标水体中的种植水深。

6.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的种植砖（3.1）的四个角处均呈三棱柱状加厚并打有孔径为2 cm、深15 cm的连接孔（3.1.4），对角上的两块种植砖（3.1）通过连接钉（3.2）连接起来，形成每4块紧挨着的种植砖（3.1）通过两个连接钉（3.2）呈+状连接。

7.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的连接钉（3.2）呈U型，两个脚长均为16～20 cm、直径1.5 cm。

8.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的镂空框架（3.1.1）规格为50 cm×40 cm×15 cm，侧壁和底面的网格（3.1.5）的网孔为2 cm×2 cm。

9.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的中空多孔植物纤维（3.1.3）为丝瓜瓤，圆柱体状，高7～12 cm，底面直径5～10 cm。

10.根据权利要求1 所述的一种沉水植物种植装置，其特征在于：所述的固定绳（4）为直径2～3 cm的尼龙绳。