CN105929134B

CN105929134B - 一种实验用土壤-水-植物小型生态系统

Info

Publication number: CN105929134B
Application number: CN201610280259.5A
Authority: CN
Inventors: 黄诗迪; 盛光遥
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2018-07-03
Anticipated expiration: 2036-04-29
Also published as: CN105929134A

Abstract

本发明涉及一种实验用土壤‑水‑植物小型生态系统，该系统由土壤‑水‑植物装置、地下径流模拟装置、环境模拟装置、地表径流/壤中流回收装置与液流循环装置组成，其中土壤‑水‑植物装置包括土壤层，地下径流模拟装置设有进水口和出水口，环境模拟装置设有湿度调节和模拟降雨设备与光照设备。该系统从自然生态圈的土壤、水、植物多态环境出发，经济合理地模拟自然界水循环和自然生态过程，并能随时多点取样监测污染物的归趋，系统完整且结构简单，易于运行、维护和管理，为污染物生态环境风险的评估、植物修复方法的应用及其效果提供技术支持和数据参考。

Description

一种实验用土壤-水-植物小型生态系统

技术领域

本发明涉及环境生态领域，尤其是涉及一种实验用土壤-水-植物小型生态系统。

背景技术

土壤-水-植物系统是地球生态系统中与人类生存与健康关系最为密切的亚系统。近年来，随着化学污染物多途径进入土壤系统，如工业生产中排放的废物、农业生产中施用的化肥和农药以及化学品在运输和储藏过程中的泄漏等，造成了严重的土壤污染；污染物淋溶到含水层进而对地下水造成次生污染；最终导致土壤环境、水环境质量下降，植物品质与农作物安全性降低，人类通过直接接触或食物链传递的途径对污染物的暴露风险增加，从而产生极大的潜在生态环境及人类健康隐患。因此，土壤污染问题愈发受到世界范围的广泛关注。

土壤在生态系统中的地位不言而喻，同时植物也是系统中不可或缺的组成部分，植物吸收是环境污染物从环境介质进入生物圈的主要途径，是污染物通过食物链在生态系统中转运的关键环节。再者，植物修复方法作为一种现如今最具前景的绿色修复技术，由于具有修复潜能大、适用范围广、运行维护简单的优势，正被越来越多地应用于污染土壤的修复治理。因而，明确环境污染物在土壤-水-植物系统中的归趋成为了近几年研究者亟待解决的问题，这对污染物生态环境风险的评估、植物修复方法的应用具有指导意义。

为了研究污染物在土壤-水-植物系统中的环境归趋，即迁移、转化、循环过程，一般或采用通过高度简化的方式进行宏观模拟；或模拟局部独立体系进行实验探索微观机制；或通过对户外实地片区进行定点采样分析，以此研究区域土壤、所生植物及周边水体中污染物的分布，这种方法不仅需耗费极其大量的人力、物力和时间，而且也不能得到完整系统的数据资料。因此，设计开展小型多态模拟系统试验以满足对数据完整性、系统性、准确性、指导性的需求成为了必然的研究趋势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种实用、经济、成本低的实验用土壤-水-植物小型生态系统。该系统从自然生态圈的土壤、水、植物多态环境出发，经济合理地模拟自然界水循环和自然生态过程，并能随时多点取样监测污染物的归趋，系统完整且结构简单，易于运行、维护和管理，为污染物生态环境风险的评估、植物修复方法的应用及其效果提供技术支持和数据参考。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，该系统由土壤-水-植物装置、地下径流模拟装置、环境模拟装置、地表径流/壤中流回收装置与液流循环装置组成；

所述的土壤-水-植物装置包括土壤层，所述的地下径流模拟装置设有与所述土壤层底部相通的进水口和出水口，所述的环境模拟装置设有湿度调节和模拟降雨设备与光照设备，用以模拟自然界中水循环、降雨、昼夜变化等自然生态过程，满足植物生长的必需条件。

所述的土壤-水-植物装置设在地下径流模拟装置的上部，环境模拟装置设在土壤-水-植物装置的顶部；地表径流/壤中流回收装置设在土壤-水-植物装置主体的外环壁面上；液流循环装置通过连接管连通地表径流/壤中流回收装置、环境模拟装置与地下径流模拟装置，液流循环装置一是将回收的径流/壤中流泵送至环境模拟装置中的湿度调节和模拟降雨设备中循环使用；二是由液泵控制将地下径流模拟装置主体中的水流自主循环，模拟实际地下水径流，为控制地下水水位，通过开启闸阀将多余水输送至环境模拟装置中的湿度调节和模拟降雨设备中。

所述的土壤-水-植物装置还包括具有良好透水性的土壤支撑底座，土壤支撑底座位于所述土壤层的底部。

所述的土壤-水-植物装置采用敞口容器制备，敞口容器形状优选为圆柱或长方体柱，内部装填土壤层，土壤层上种植植物。

所述的土壤-水-植物装置外壁采用水流能自由通过而土壤颗粒不能穿过的透水透气材料或具有强度的筛网。

所述的地下径流模拟装置采用敞口容器制备，底边面积大于地表径流/壤中流回收装置和土壤-水-植物装置的水平投影面积。

所述的地下径流模拟装置的出水口下方连接贮液池，贮液池与液流循环装置连通。

所述的地表径流/壤中流回收装置为沿土壤-水-植物装置外侧壁上下活动并可拆卸的环状结构。

所述的环状结构包括带有坡度的径流引导层和回收池，所述的回收池与液流循环装置连通，所述的径流引导层呈向下倾斜设置，内侧端与土壤-水-植物装置连接，外侧端与回收池的内沿接触。

所述的地表径流/壤中流回收装置还包括向下倾斜设置在回收池的上方的活动导水板，内侧端与土壤-水-植物装置连接，外侧端伸出回收池的外沿，用于截取获得不同位置深度的土壤中流体，利用活动导水板将目标深度位置以上部分的径流/壤中流直接排入地下径流模拟装置主体中。

所述的液流循环装置包括连接管、液泵与闸阀，所述的液泵和闸阀安装在连接管上，连接管连通地表径流/壤中流回收装置、环境模拟装置与地下径流模拟装置，将水流进行循环使用。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1.本发明从自然生态圈的土壤、水、植物多态环境出发，以遵循水循环等自然生态过程为宗旨，建立了一个相对完整的自然环境模拟系统，满足对研究数据完整性、系统性、准确性、指导性的需求，可用于小试实验。

2.本发明中，可通过湿度调节、光照强度和时间的变化、模拟降雨等方式对系统地上部分的环境条件进行模拟；另外，系统里的水分由上至下从降水、植物截流、地表径流、入渗地表并下渗至壤中流、汇入地下径流、地下水的横向流动等过程以及植物对土壤内水分的向上牵引、将地表、地下汇流水向上循环利用均模拟了大气-植物-地表-非饱和性土壤-地下水的水文循环，贴近实际自然生态系统。

3.本发明系统采样方便，可随时多点采集地表、地下不同位置深度的水样，地上、地下部分的植物样，以及表层土样。以此监测污染物在环境中分布，了解土壤污染物的环境归趋，为研究及阐明污染物在环境中的分布、迁移、转化过程提供了技术支持；研究结果为污染物生态环境风险的评估、植物修复方法的应用及其效果提供参考和指导。

4.本发明系统独立完整且结构简单，易于运行、维护和管理，适用范围广，在实现土壤-水-植物小型生态系统的同时兼顾了经济性与环境友好性，循环利用水资源且不产生二次污染。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图中：1-土壤-水-植物装置，2-地下径流模拟装置，3-贮液池，4-地表径流/壤中流回收装置，5-液泵，6-湿度调节和模拟降雨设备，7-光照设备，8-连接管，9-闸阀，10-活动导水板，11-地上层，12-土壤层，13-土壤支撑底座，21-出水口，22-进水口，41-回收池。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明范围不局限于所述内容。

实施例1

图1为本实施例的结构示意图，该系统由土壤-水-植物装置1、地下径流模拟装置2、环境模拟装置、地表径流/壤中流回收装置4与液流循环装置组成；

土壤-水-植物装置1设在地下径流模拟装置2的上部，环境模拟装置设在土壤-水-植物装置1的顶部；地表径流/壤中流回收装置4设在土壤-水-植物装置1主体的外环壁面上；液流循环装置通过连接管8连通地表径流/壤中流回收装置4、环境模拟装置与地下径流模拟装置2；

土壤-水-植物装置1主体置于地下径流模拟装置2主体的内部，土壤-水-植物装置1内部填充污染土壤后在空间结构上分为地上层11、土壤层12及土壤支撑底座13，在地上层11种植植物，土体下层与地下径流模拟装置2相通；地下径流模拟装置2两侧壁分别开有进水口22和出水口21，出水口21下方连接贮液池3，贮液池3内部液体通过液流循环系统经由液泵5向上输送至地下径流模拟装置2中循环使用，用于模拟实际地下水径流，通过闸阀9的开关来调节水位，将多余水输送至环境模拟装置中的湿度调节和模拟降雨设备6中再利用；环境模拟装置包括模拟降雨和湿度调节设备6和光照设备7，用于模拟自然环境中的降雨及环境湿度、昼夜变化，同时满足植物生长的必需条件；地表径流回收装置4设置于土壤-水-植物装置1的外环壁面，位置固定于地上层11与土壤层12分界处，坡度引导地表径流流入回收池41中，回收池41连接液泵5，通过液流循环系统将水流输送至环境模拟装置中的湿度调节和模拟降雨设备6中循环使用。

本实施例中，通过定时定期采集植物样、表层土样、地下径流模拟装置2中地下水水样、回收池41中地表径流水样，并测定目标污染物及其代谢物的含量，可周期性地追踪污染物的环境归趋，为评估污染物的潜在生态风险提供依据。

实施例2

图2为本实施例的结构示意图，采用与实施例1类似的实验用土壤-水-植物小型生态系统，不同之处在于：壤中流回收装置4通过上下活动，用于截取获得不同位置深度的壤中流，利用活动导水板10将目标深度位置以上部分溢出的径流/壤中流直接排入地下径流模拟装置2中。

本实施例旨在考察污染土壤的植物修复效果，按土壤主要污染物选取对应的高富集植物，通过定期检测不同深度壤中流、地下径流中污染物的浓度，以判定植物修复的成效高低，为植物修复方法的实际应用提供数据参考和实践指导。

上述各实施例仅用于说明本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，依然可以做出若干改进或者对其中部分技术特征进行等同替换，这些修改、等同替换、改进也应视为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，该系统由土壤-水-植物装置、地下径流模拟装置、环境模拟装置、地表径流/壤中流回收装置与液流循环装置组成；

所述的土壤-水-植物装置设在地下径流模拟装置的上部，外壁采用水流能自由通过而土壤颗粒不能穿过的透水透气材料或具有强度的筛网制作得到；环境模拟装置设在土壤-水-植物装置的顶部；地表径流/壤中流回收装置设在土壤-水-植物装置的外侧壁上，呈可上下活动并可拆卸的环状结构；液流循环装置连通地表径流/壤中流回收装置、环境模拟装置与地下径流模拟装置，将水流进行循环使用。

2.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的土壤-水-植物装置为敞口式结构，内置土壤层，该土壤层底部设有具有良好透水性的土壤支撑底座。

3.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的地下径流模拟装置为敞口式结构，底边面积大于地表径流/壤中流回收装置和土壤-水-植物装置的水平投影面积。

4.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的地下径流模拟装置的侧壁上开设的进水口与出水口，出水口下方连接贮液池，该贮液池与液流循环装置连通。

5.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的环状结构包括带有坡度的径流引导层和回收池，所述的回收池与液流循环装置连通，所述的径流引导层呈向下倾斜设置，内侧端与土壤-水-植物装置连接，外侧端与回收池的内沿接触。

6.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的地表径流/壤中流回收装置还包括向下倾斜设置在回收池的上方的活动导水板，内侧端与土壤-水-植物装置连接，外侧端伸出回收池的外沿。

7.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的液流循环装置包括连接管、液泵与闸阀，所述的液泵和闸阀安装在连接管上。

8.根据权利要求1所述的一种实验用土壤-水-植物小型生态系统，其特征在于，所述的环境模拟装置由湿度调节和模拟降雨设备与光照设备组成。