CN106489463B - 一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法 - Google Patents

一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，涉及一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法。本发明是要解决现有的沉积物培养装置在模拟湖滨湿地时无法模拟湖滨湿地植物在其中所起的作用的技术问题。本发明：一、原位土柱的采集；二、植物的培养；三、移植幼苗到PVC管中。本发明的有益效果：1、本发明操作灵活、模拟精度高；2、本发明在PVC管内构建一个生长有植物的土柱/沉积的微宇宙，准确模拟湖滨湿地微生境的温度、水位、植物根系发育及微生物群落和数量状况，提高室内模拟实验的准确度。本发明也同样适用于沼泽湿地、河流湿地、滨海湿地和人工湿地等多种湿地类型。

Description

一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法
技术领域
本发明涉及一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法。
背景技术
现有的沉积物培养装置是由恒温水浴箱、磁力旋转木马和PVC管三部分组成。恒温水浴箱为透明控温平台，可以模拟湖滨湿地中的水温；磁力旋转木马安置在水浴箱内部，主要包括卡槽、电磁阀等，用于安放PVC管和调节转速。带有取样孔和曝气孔的PVC盖盖紧土柱，防止水分因蒸发而损耗，也可以人为调控曝气量和曝气时长进而控制土柱上覆水和土壤的氧化还原电位。
在高度厌氧底泥和富营养化水体构成的模拟生态系统中，通过沉积物培养装置研究覆盖技术对水-沉积物界面微环境的改善作用，隔绝污染底泥和延缓营养盐释放。但此装置仅仅考虑到湖滨湿地水要素和土壤要素，忽略植物要素。而且，PVC管空间有限，不适于植物生长。
湖滨湿地植物作为天然湖滨湿地或人工湖滨湿地的重要组成部分，对其功能有着十分重要的作用。湖滨湿地植物不仅可以吸附和富集重金属及一些有毒有害物质，吸收和利用污水中可利用态的营养元素(主要是磷)，还可以通过通气组织将氧气输送至根区，供微生物的好氧吸收。湖滨湿地植物通过固定土壤中的水分，圈定污染区，可以防止污染源进一步扩散。此外，湖滨湿地植物具有美化可赏性，可以改善景观生态环境，通过定期收割，可回收利用的植物资源。
因此，现有的沉积物培养装置模式只能用于土壤原位覆盖对底泥的修复，未能构建一个生长植物的土柱和上覆水的微宇宙，在模拟湖滨湿地微生境植物发育及微生物群落状况方面还存在一定差距。
发明内容
本发明是要解决现有的沉积物培养装置在模拟湖滨湿地时无法模拟湖滨湿地植物在其中所起的作用的技术问题，而提供一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法。
本发明的一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法是按以下步骤进行的：
所述的微宇宙系统是由模拟土壤植物系统、恒温水浴系统和磁力搅拌系统组成；
所述的模拟土壤植物系统是由PVC透明圆柱体a、PVC透明圆柱体b、根部固定器、盖子a和盖子b组成；
一、原位土柱的采集：随机在预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处将PVC透明圆柱体b竖直压入土壤中，在不破坏土壤团粒结构的条件下使得预模拟的湖滨湿地的土壤和水压入PVC透明圆柱体b中，压入PVC透明圆柱体b中的土壤的深度为5cm～20cm，在水下厌氧条件下在PVC透明圆柱体b的底端盖上盖子a，在水下厌氧条件下去除PVC透明圆柱体b中的土壤表层的枯落物，在水下的厌氧条件下将根部固定器从上向下压入PVC透明圆柱体b内的土壤中并卡在PVC透明圆柱体b上端的内壁上，将PVC透明圆柱体a的一端与PVC透明圆柱体b的上端竖直螺纹连接在一起，将PVC透明圆柱体a的上端盖上盖子b；在所述的预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处周围2m～3m的范围内生长有挺水植物；
所述的PVC透明圆柱体b的两端均无盖，所述的PVC透明圆柱体a的两端均无盖；
所述的根部固定器由滤网组成的圆柱体和空心圆盘组成；滤网组成的圆柱体一端敞口，另一端以及侧壁由滤网组成，滤网组成的圆柱体开口一端的外侧水平设置空心圆盘，且空心圆盘与滤网组成的圆柱体同轴；
所述空心圆盘的内径与PVC透明圆柱体b的外径相等，且在水下的厌氧条件下将根部固定器从上向下压入PVC透明圆柱体b内的土壤时，空心圆盘卡接在PVC透明圆柱体b上端的内壁上，保证空心圆盘与盖子a平行；
二、植物的培养：取步骤一中PVC透明圆柱体取土壤处周围2m～3m的范围内的挺水植物带到温室大棚，除去植株枯叶，放入装有水的容器内使得根茎浸泡在水里，在温度为30℃的条件下培养15天，每2天更换一次水；
三、移植幼苗到PVC管中：打开取样口，将步骤一中PVC透明圆柱体a内的水放掉，将PVC透明圆柱体a与PVC透明圆柱体b通过螺纹分解开，将步骤二中培养了15天的植物根节处的分蘖移植到PVC透明圆柱体b内的土壤中，再将PVC透明圆柱体a与PVC透明圆柱体b螺纹连接在一起，静置2天～3天，向PVC透明圆柱体a的上端注入步骤一中预模拟的湖滨湿地的水，在恒温水浴系统和磁力搅拌系统的作用下进行培养，即完成模拟湖滨湿地土壤植物的方法；所述的恒温水浴的温度和步骤一中预模拟的湖滨湿地的水温相同。
本发明的有益效果：
1、本发明操作灵活、模拟精度高；
2、本发明在PVC管内构建一个生长有植物的土柱/沉积的微宇宙，准确模拟湖滨湿地微生境的温度、水位、植物根系发育及微生物群落和数量状况，提高室内模拟实验的准确度。
本发明也同样适用于沼泽湿地、河流湿地、滨海湿地和人工湿地等多种湿地类型。
附图说明
图1为步骤三的PVC透明圆柱体的示意图，1为PVC透明圆柱体a，2为PVC透明圆柱体b，3为根部固定器，4为进水口、5为植物生长口，6为通气口，7为取样口，8为预模拟的湖滨湿地的水，9为植物，10为盖子a，11为盖子b；
图2为图1中根部固定器的示意图，3-1为空心圆盘，3-2为滤网组成的圆柱体；
图3是溶解氧的数据图，曲线1为试验二，曲线2为试验四，曲线3为试验三，曲线4为试验五；
图4为pH的数据图，曲线1为试验四，曲线2为试验二，曲线3为试验三，曲线4为试验五；
图5为TP去除率的数据图，曲线1为试验二，曲线2为试验三，曲线3为试验四，曲线4为试验五；
图6为试验进行到第25天时表层沉积物中TP含量的数据图，1为试验三，2为试验二，3为试验四，4为试验五。
具体实施方式
具体实施方式一：见图1和2，本实施方式为一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，具体是按以下步骤进行的：
所述的微宇宙系统是由模拟土壤植物系统、恒温水浴系统和磁力搅拌系统组成；
所述的模拟土壤植物系统是由PVC透明圆柱体a1、PVC透明圆柱体b2、根部固定器3、盖子a10和盖子b11组成；
一、原位土柱的采集：随机在预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处将PVC透明圆柱体b2竖直压入土壤中，在不破坏土壤团粒结构的条件下使得预模拟的湖滨湿地的土壤和水压入PVC透明圆柱体b2中，压入PVC透明圆柱体b2中的土壤的深度为5cm～20cm，在水下厌氧条件下在PVC透明圆柱体b2的底端盖上盖子a10，在水下厌氧条件下去除PVC透明圆柱体b2中的土壤表层的枯落物，在水下的厌氧条件下将根部固定器3从上向下压入PVC透明圆柱体b2内的土壤中并卡在PVC透明圆柱体b2上端的内壁上，将PVC透明圆柱体a1的一端与PVC透明圆柱体b2的上端竖直螺纹连接在一起，将PVC透明圆柱体a1的上端盖上盖子b11；在所述的预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处周围2m～3m的范围内生长有挺水植物；
所述的PVC透明圆柱体b2的两端均无盖，所述的PVC透明圆柱体a1的两端均无盖；
所述的根部固定器3由滤网组成的圆柱体3-2和空心圆盘3-1组成；滤网组成的圆柱体3-2一端敞口，另一端以及侧壁由滤网组成，滤网组成的圆柱体3-2开口一端的外侧水平设置空心圆盘3-1，且空心圆盘3-1与滤网组成的圆柱体3-2同轴；
所述空心圆盘3-1的内径与PVC透明圆柱体b2的外径相等，且在水下的厌氧条件下将根部固定器3从上向下压入PVC透明圆柱体b2内的土壤时，空心圆盘3-1卡接在PVC透明圆柱体b2上端的内壁上，保证空心圆盘3-1与盖子a10平行；
二、植物的培养：取步骤一中PVC透明圆柱体取土壤处周围2m～3m的范围内的挺水植物带到温室大棚，除去植株枯叶，放入装有水的容器内使得根茎浸泡在水里，在温度为30℃的条件下培养15天，每2天更换一次水；
三、移植幼苗到PVC管中：打开取样口7，将步骤一中PVC透明圆柱体a1内的水放掉，将PVC透明圆柱体a1与PVC透明圆柱体b2通过螺纹分解开，将步骤二中培养了15天的植物根节处的分蘖移植到PVC透明圆柱体b2内的土壤中，再将PVC透明圆柱体a1与PVC透明圆柱体b2螺纹连接在一起，静置2天～3天，向PVC透明圆柱体a1的上端注入步骤一中预模拟的湖滨湿地的水，在恒温水浴系统和磁力搅拌系统的作用下进行培养，即完成模拟湖滨湿地土壤植物的方法；所述的恒温水浴的温度和步骤一中预模拟的湖滨湿地的水温相同。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的盖子a10为橡皮塞。其他与具体实施方一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的挺水植物为狭叶甜茅、漂筏苔草和小叶樟中的一种或几种。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：如图1，本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的取样口7设置在PVC透明圆柱体a1的外壁底部。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的盖子b11为透明盖子，在透明盖子上设置有进水口4、植物生长口5和通气口6。其它与具体实施方式一相同。
通过以下试验验证本发明效果：
试验一：本试验为一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，见图1和2，具体是按以下步骤进行的：
所述的微宇宙系统是由模拟土壤植物系统、恒温水浴系统和磁力搅拌系统组成；
所述的模拟土壤植物系统是由PVC透明圆柱体a1、PVC透明圆柱体b2、根部固定器3、盖子a10和盖子b11组成；
一、原位土柱的采集：随机在预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处将PVC透明圆柱体b2竖直压入土壤中，在不破坏土壤团粒结构的条件下使得预模拟的湖滨湿地的土壤和水压入PVC透明圆柱体b2中，压入PVC透明圆柱体b2中的土壤的深度为5cm～20cm，在水下厌氧条件下在PVC透明圆柱体b2的底端盖上盖子a10，在水下厌氧条件下去除PVC透明圆柱体b2中的土壤表层的枯落物，在水下的厌氧条件下将根部固定器3从上向下压入PVC透明圆柱体b2内的土壤中并卡在PVC透明圆柱体b2上端的内壁上，将PVC透明圆柱体a1的一端与PVC透明圆柱体b2的上端竖直螺纹连接在一起，将PVC透明圆柱体a1的上端盖上盖子b11；在所述的预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处周围2m～3m的范围内生长有挺水植物；
所述的PVC透明圆柱体b2的两端均无盖，所述的PVC透明圆柱体a1的两端均无盖；
所述的根部固定器3由滤网组成的圆柱体3-2和空心圆盘3-1组成；滤网组成的圆柱体3-2一端敞口，另一端以及侧壁由滤网组成，滤网组成的圆柱体3-2开口一端的外侧水平设置空心圆盘3-1，且空心圆盘3-1与滤网组成的圆柱体3-2同轴；
所述空心圆盘3-1的内径与PVC透明圆柱体b2的外径相等，且在水下的厌氧条件下将根部固定器3从上向下压入PVC透明圆柱体b2内的土壤时，空心圆盘3-1卡接在PVC透明圆柱体b2上端的内壁上，保证空心圆盘3-1与盖子a10平行；
二、植物的培养：取步骤一中PVC透明圆柱体取土壤处周围2m～3m的范围内的挺水植物带到温室大棚，除去植株枯叶，放入装有水的容器内使得根茎浸泡在水里，在温度为30℃的条件下培养15天，每2天更换一次水；
三、移植幼苗到PVC管中：打开取样口7，将步骤一中PVC透明圆柱体a1内的水放掉，将PVC透明圆柱体a1与PVC透明圆柱体b2通过螺纹分解开，将步骤二中培养了15天的植物根节处的分蘖移植到PVC透明圆柱体b2内的土壤中，再将PVC透明圆柱体a1与PVC透明圆柱体b2螺纹连接在一起，静置2天～3天，向PVC透明圆柱体a1的上端注入步骤一中预模拟的湖滨湿地的水，在恒温水浴系统和磁力搅拌系统的作用下进行培养，即完成模拟湖滨湿地土壤植物的方法；所述的恒温水浴的温度和步骤一中预模拟的湖滨湿地的水温相同。
步骤一所述的盖子a10为橡皮塞；步骤一中所述的挺水植物为狭叶甜茅、漂筏苔草和小叶樟；
步骤一所述的取样口7设置在PVC透明圆柱体a1的外壁底部；所述的盖子b11为透明盖子，在透明盖子上设置有进水口4、植物生长口5和通气口6。
试验二：定期向试验一的PVC透明圆柱体a1的水中曝气，取水样测定，首次取水样前，曝气1小时，之后每次曝气30分钟。每次曝气结束，测定PVC透明圆柱体a1的水样的pH和DO，取水样量以PVC透明圆柱体a1的水体积的5％为宜，除首次取水样外，每次取水样前补充预模拟的湖滨湿地的水至原高度。
试验三：本试验与试验二不同之处在于没有曝气，其他与试验二相同。
试验四：本试验与试验二不同之处在于PVC透明圆柱体中没有放入植物，其他与试验二相同。
试验五：本试验与试验二不同之处在于没有曝气，PVC透明圆柱体中没有放入植物，其他与试验二相同。
试验二至五，每个试验重复3次，统计所有试验随培养时间延长TP(总磷)含量变化，监测时间为试验开始的第7、11、15、20、25天。
表1是各试验进行第25天时表层沉积物中不同形态磷含量变化；
图3是溶解氧的数据图，曲线1为试验二，曲线2为试验四，曲线3为试验三，曲线4为试验五；
图4为pH的数据图，曲线1为试验四，曲线2为试验二，曲线3为试验三，曲线4为试验五；
图5为TP去除率的数据图，曲线1为试验二，曲线2为试验三，曲线3为试验四，曲线4为试验五；
图6为试验进行到第25天时表层沉积物中TP含量的数据图，1为试验三，2为试验二，3为试验四，4为试验五。
表1各试验进行第25天时表层沉积物中不同形态磷含量变化
注：表中不同字母表示不同处理在p＝0.05水平下存在差异显著，相同字母表示在p＝0.05水平下无显著性差异。
经过25天的培养实验，共检验4种处理方式来研究湿地土壤植物对磷去除。由图3和4看出，曝气系统中水的TP去除率高于自然复氧系统，其中曝气+植物系统TP去除率最高，平均为98.15％，其次为曝气+无植物系统(97.15％)。自然复氧+植物系统和自然复氧+无植物系统中水的TP去除率呈相反的变化趋势：自然复氧+植物系统中水的TP去除率呈先上升后下降再上升趋势，其在第15天出达到最高值(98.75％)，第20天达到最低值(93.75％)；而自然复氧+无植物系统中水的TP去除率呈先下降后上升再下降趋势，其在第15天出达到最低值(93.00％)，在第20天达到最高值(99.00％)。在整个实验阶段水中TP去除率与时间存在显著地相关性(F＝3.126，p＝0.044)，而与不同处理间无显著性差异(F＝1.492，p＝0.224)。
由图5看出，表层沉积物TP含量变化在不同处理中没有显著差异(F＝1.108，p＝0.444)。由表1看出，表层沉积物中不同形态磷的平均含量依次为Ca-P(146.43mg/kg)、O-P(61.78mg/kg)、Al-P(16.89mg/kg)、Fe-P(11.11mg/kg)和Ex-P(3.05mg/kg)。自然复氧+植物系统和自然复氧+无植物系统中Exp-P存在显著性差异(p＝0.023)。相比自然复氧系统(9.98mg/kg)，曝气系统中Fe-P含量较高，为12.24mg/kg，说明Fe-P含量与水体中溶解氧浓度高低直接相关。
以上检测数据结果表明，试验二的方法是曝气+湿地植物更适合湿地富营养化治理，其他三种处理方法相比之下效果一般，植物选择可因地制宜。

Claims (5)

1.一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，利用微宇宙系统实现模拟湖滨湿地土壤植物，其特征在于是按以下步骤进行的：
所述的微宇宙系统是由模拟土壤植物系统、恒温水浴系统和磁力搅拌系统组成；
所述的模拟土壤植物系统是由PVC透明圆柱体a(1)、PVC透明圆柱体b(2)、根部固定器(3)、盖子a(10)和盖子b(11)组成；
一、原位土柱的采集：随机在预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处将PVC透明圆柱体b(2)竖直压入土壤中，在不破坏土壤团粒结构的条件下使得预模拟的湖滨湿地的土壤和水压入PVC透明圆柱体b(2)中，压入PVC透明圆柱体b(2)中的土壤的深度为5cm～20cm，在水下厌氧条件下在PVC透明圆柱体b(2)的底端盖上盖子a(10)，在水下厌氧条件下去除PVC透明圆柱体b(2)中的土壤表层的枯落物，在水下的厌氧条件下将根部固定器(3)从上向下压入PVC透明圆柱体b(2)内的土壤中并卡在PVC透明圆柱体b(2)上端的内壁上，将PVC透明圆柱体a(1)的一端与PVC透明圆柱体b(2)的上端竖直螺纹连接在一起，将PVC透明圆柱体a(1)的上端盖上盖子b(11)；在所述的预模拟的湖滨湿地的水下无植物生长的土壤处周围2m～3m的范围内生长有挺水植物；
所述的PVC透明圆柱体b(2)的两端均无盖，所述的PVC透明圆柱体a(1)的两端均无盖；
所述的根部固定器(3)由滤网组成的圆柱体(3-2)和空心圆盘(3-1)组成；滤网组成的圆柱体(3-2)一端敞口，另一端以及侧壁由滤网组成，滤网组成的圆柱体(3-2)开口一端的外侧水平设置空心圆盘(3-1)，且空心圆盘(3-1)与滤网组成的圆柱体(3-2)同轴；
所述空心圆盘(3-1)的内径与PVC透明圆柱体b(2)的外径相等，且在水下的厌氧条件下将根部固定器(3)从上向下压入PVC透明圆柱体b(2)内的土壤时，空心圆盘(3-1)卡接在PVC透明圆柱体b(2)上端的内壁上，保证空心圆盘(3-1)与盖子a(10)平行；
二、植物的培养：取步骤一中PVC透明圆柱体取土壤处周围2m～3m的范围内的挺水植物带到温室大棚，除去植株枯叶，放入装有水的容器内使得根茎浸泡在水里，在温度为30℃的条件下培养15天，每2天更换一次水；
三、移植幼苗到PVC管中：打开取样口(7)，将步骤一中PVC透明圆柱体a(1)内的水放掉，将PVC透明圆柱体a(1)与PVC透明圆柱体b(2)通过螺纹分解开，将步骤二中培养了15天的植物根节处的分蘖移植到PVC透明圆柱体b(2)内的土壤中，再将PVC透明圆柱体a(1)与PVC透明圆柱体b(2)螺纹连接在一起，静置2天～3天，向PVC透明圆柱体a(1)的上端注入步骤一中预模拟的湖滨湿地的水，在恒温水浴系统和磁力搅拌系统的作用下进行培养，即完成模拟湖滨湿地土壤植物的方法；所述的恒温水浴的温度和步骤一中预模拟的湖滨湿地的水温相同。
2.根据权利要求1所述的一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，其特征在于步骤一所述的盖子a(10)为橡皮塞。
3.根据权利要求1所述的一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，其特征在于步骤一中所述的挺水植物为狭叶甜茅、漂筏苔草和小叶樟中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，其特征在于步骤一所述的取样口(7)设置在PVC透明圆柱体a(1)的外壁底部。
5.根据权利要求1所述的一种模拟湖滨湿地土壤植物的方法，其特征在于所述的盖子b(11)为透明盖子，在透明盖子上设置有进水口(4)、植物生长口(5)和通气口(6)。
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