CN106688666A - 植物根际箱及其在湿地植物根际微域研究方面的应用 - Google Patents

植物根际箱及其在湿地植物根际微域研究方面的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种植物根际箱及其在湿地植物根际微域研究方面的应用。所述植物根际箱包括箱体，所述箱体内部空间由若干根际隔板插片间隔为根区、近根区、远根区和非根区等不同根际微域分区，所述箱体的上部设置有布水单元，所述箱体上还设有水位调控单元；箱体的底部设有排水装置。通过调整不同根际微域分区的间隔，实现精确观察和研究离根系不同距离和/或根区土壤和/或间隙水中养分、污染物和/或微生物的差异变化。基于本发明植物根际箱，能够真实地模拟湿地植物生长的水淹生境，保持基质中水的流动状态，并可根据需要设置不同的水力停留时间和水位，在对植物尤其是湿地植物根际微域的研究方面具有广泛地应用前景。

Description

植物根际箱及其在湿地植物根际微域研究方面的应用
技术领域
本发明涉及根际箱试验装置技术领域，更具体地，涉及一种植物根际箱及其在湿地植物根际微域研究方面的应用。
背景技术
人工湿地作为一种重要的污水生态处理技术，在其应用价值被人们关注的同时，湿地中植物和微生物在污染物消减过程中的作用也备受关注。植物根际是根-土界面微生态系统的核心内容与物质基础。一方面，湿地植物根对氧的分泌作用和呼吸作用使得根区有氧区域与缺氧区域同时存在，为根区的好氧、兼氧和厌氧微生物提供了各自的小环境，使不同微生物都能发挥各自的作用；另一方面，植物根系巨大的表面积为微生物提供了寄宿之处，使植物根际微生物数量明显多于周围土壤。如何还原湿地植物根际微环境以及精准的对其进行监测和采样成为焦点。
目前，对湿地微生物的研究，往往采用直接挖取湿地填料的采样方法。Fernandes等(2015)研究人工湿地对抗生素去除过程中湿地微生物的动态变化。结果显示，有无种植芦苇的湿地系统中微生物无显著性差异。但其采样时没有区分是否为根区土壤，是导致这一结果的可能性之一。Zhao等(2015)研究种植不同植物的湿地系统三氯生胁迫下的微生物群落变化，也未说明具体采集基质方法。这些传统的对人工湿地基质的研究无法区分根际土壤和非根际土壤，采样点更是难以精准定位到植物根际的微界面，导致无法辨别湿地植物对微生物的影响。
在植物根际研究领域，Reichel等(2015)研究了受不同浓度磺胺嘧啶污染的植物根际与非根际土壤微生物群落结构以及与相关酶的活性。其中根际土壤采用抖落植物根系附着土壤的方法，划分不够明确。近年来，根箱法成为一种广泛接受且比较有效的根际土收集方法。何艳等(2006)将根-土界面按不同毫米级微域范围划分，对五氯酚(PCP)的降解行为进行了细致研究。Yang等(2013)利用垂直型根际箱研究受Cd污染土壤的植物不同根区微生物差异变化。但传统的根箱大多为研究土壤根际效应的静态根际箱，不能真实模拟湿地的动态水流模式，从而无法还原湿地植物根际微域环境。
因此，开发可以原位监测和研究湿地植物根际微域环境的根际箱装置，对于研究湿地植物生理生化特征、根际微生物群落结构与功能具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对人工湿地基质研究的传统方法无法区分根际土壤和非根际土壤；土壤采样难以精准到植物根际的微界面；传统的根际箱大多为静态根际箱的技术不足，提供一种植物根际箱。
本发明解决的另一技术问题是提供所述植物根际箱在湿地植物根际微域研究方面的应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种植物根际箱，包括箱体，所述箱体内部空间由若干根际隔板插片间隔为不同根际微域分区单元，所述箱体的上部设置有布水单元，所述箱体上还设有水位调控单元；箱体的底部设有排水装置。
优选地，所述根际微域分区单元为根区、近根区、远根区和非根区。
优选地，所述水位调控单元包括集水槽和水位调节管，所述集水槽设于箱体的下部并连通所述排水装置收集根际箱的出水；所述水位调节管的一端连通接集水槽，另一端为开口，可用于对根际箱的反冲洗。
优选地，集水槽采用有机玻璃材质。
优选地，水位调节管采用透明的有机玻璃管。
优选地，所述箱体的排水结构为设置于箱体底板上的渗滤孔。进一步优选地，所述渗滤孔对应每个不同的根际微域分区单元分布。
优选地，所述渗透孔为圆孔。优选孔径范围为1～3mm。
优选地，所述箱体为透明的无盖结构，实现箱体的可视化和易操作。
进一步优选地，所述箱体由有机玻璃板制成。所述箱体不限定尺寸，可根据植物特征确定。
进一步优选地，所述箱体为正方体或长方体。
优选地，所述箱体相对两侧内壁设置有固定结构，所述根际隔板插片经固定结构固定于箱体内。
如果箱体为正方体，那么所述根际隔板插片与箱体的横截面等大。
如果箱体为长方体，那么所述根际隔板插片与其所面对方向的箱体的横截面等大。
优选地，所述固定结构为设置于箱体内壁上的凹槽。所述根际隔板插片两侧分别插入凹槽，经由凹槽固定。
所述布水单元包括储水装置、水泵、布水管，布水管设有滴头，所述布水管连接水泵，水泵将储水装置中的水抽送到布水管，水经由滴头滴入所述箱体内。
优选地，所述滴头为可调控流量滴头。
进一步优选地，所述布水单元还包括电源定时器，通过电源定时器控制系统定时进出水。
优选地，所述箱体相对的两侧侧壁上边沿设有卡槽，所述布水管固定于卡槽。
优选地，所述根际隔板插片上均匀分布孔，优选所述孔为圆孔的孔径范围为0.5～1.5cm，其目的是确保水分和微生物的自由移动。其中，所述插片远离植物的一面粘有尼龙网。优选所述尼龙网为300目(孔径40μm)，面积与根际隔板插片相等，盖住根际隔板插片上的圆孔。尼龙网的作用是阻止植物根系穿过，将植物根系局限在根区S0的区间里。根际隔板插片的作用是支撑尼龙网，不让尼龙网在土壤和基质的压力下变形，维持不同根区的分布。
优选地，所述根际隔板插片采用PVC板制成。
本发明根际箱的设计在充分避免植物根系组织生长进入相邻根区的基质、实现各根区间彼此物理分隔的同时，又确保了水分、微生物及根系分泌物等的根区迁移活动。
本发明同时提供所述根际箱在湿地植物根际微域研究方面的应用。
具体地，所述应用的方法包括以下步骤：
S1.在根际箱的箱体的底部铺上网状材料(尼龙网)；在对应位置插入所述根际隔板插片，形成根区、近根区、远根区和非根区等根际微域分区单元；在根区预留空间，用于植物的种植；
S2.在铺好的网状材料上均匀装入基质；
所述基质可以为单一基质、分层基质或混合基质。优选地，所述单一基质或混合基质或分层基质可为土壤、沙砾、砾石或陶粒及其组合。根据箱体大小和研究需要，以不堵塞渗滤孔为原则，选择土壤、沙砾、砾石或陶粒等单一基质或混合基质或分层基质均匀装入根际箱各区域中。
S3.设定电源定时器启动时间，控制系统进出水；
S4.通过调整根区、近根区、远根区和非根区等根际微域分区单元的间隔，精确观察和研究离根系不同距离和/或根区土壤和/或间隙水中养分、污染物和/或微生物的差异变化。
本发明具有以下有益效果：
本发明首次提供了一种植物根际箱，所述根际箱包括箱体、根际微域分区单元、布水单元、水位调控单元，具有以下特点：
1.根际箱装置具有可拆卸性，可重复利用。
2.采用根际隔板插片设计，避免取样对根际基质的扰动，并能精确研究距离根系不同位置土壤以及根际土壤。
3.采用的根际隔板插片为整块塑料板，实现各室间彼此物理分隔，阻止植物根系阻止进入相邻根区，又确保了水分、微生物及根系分泌物等的迁移活动，且整块塑料板比传统回字形插片抗压性更强，不易在植物生长过程中遭受挤压形变。
4.水位管采用透明有机玻璃圆管制成，实现箱内水位的可视化；可调节装置内水位，实现对湿地植物水淹生境的动态模拟。
5.可利用注射器或洗耳球，通过水位管顶部接头12，实现反冲洗，避免根箱底板小孔堵塞。
所述根际箱克服了传统研究方法无法区分根际土壤和非根际土壤；土壤采样难以精准到植物根际的微界面以及传统的根际箱多为静态的技术缺陷，提供了一种结构简单，操作方便的湿地植物根际箱，具有应用前景。
本发明同时提供了所述湿地植物根际箱在湿地植物根际微域研究方面的应用。基于所述湿地植物根际箱可模拟人工湿地运行环境，能真实的模拟湿地植物生长的动态水淹生境，实现湿地植物根际基质毫米级微域的分隔，准确方便地对不同根际微域开展采样和原位监测。
本发明采用根际隔板插片的设计，可以原位采集湿地植物不同根际区域基质样品，精确研究离根系不同距离以及根区土壤和间隙水中养分、污染物及微生物的差异变化；可免去传统土壤切片采样方式对土壤的扰动和不精确问题，实现不破坏原有生境、连续运行多次取样，简化取样的方法和步骤，避免了人为不可控因素；可以原位监测不同根际区域的物理性质，如O2含量等。
附图说明
图1植物根际箱结构示意图。
图2植物根际箱侧向结构示意图。
图3植物根际箱俯视结构示意图。
图4根际隔板插片结构示意图。
图5湿地植物根际微域的根际箱装置不同根区O2含量曲线图。
图注：1箱体；2根际隔板插片；3根际隔板插片圆孔；4渗滤孔；5尼龙网；6集水槽；7排水阀；8活接头；9水位调节管；10布水细管；11可调节滴头；12接头；13基质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。下述实施例和附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。除非特别说明，下述实施例中使用的试剂原料为常规市购或商业途径获得的试剂原料。
实施例1
本实施例提供一种植物根际箱结构示意图如图1至图3所示。
本实施例所述根际箱，包括箱体1，所述箱体1内部空间由若干根际隔板插片2间隔为不同根际微域分区单元，所述箱体1的上部设置有布水单元，所述箱体1上还设有水位调控单元；箱体的底部设有排水装置。
本实施例中，每个箱体1由8片根际隔板插片来实现离植物根系不同距离区域的分离，将根际箱分为根区S0：20mm、近根区S1：0～3mm、S2：3～8mm、远根区S3：8～40mm及非根际S4。
如图2所示，所述水位调控单元包括集水槽6和水位调节管9，所述集水槽6设于箱体1的下部并连通所述排水装置收集根际箱的出水；所述水位调节管9的一端连通接集水槽6，另一端为开口，可用于对根际箱箱体的反冲洗。
集水槽6可采用有机玻璃材质。水位调节管9采用透明的有机玻璃管。
所述箱体1的排水结构为设置于箱体底板上的渗滤孔4。进一步地，所述渗滤孔4对应每个不同的根际微域分区单元均匀分布。
所述渗透孔可设计为圆孔。孔径范围为1～3mm，优选2mm。
所述箱体1为透明的无盖结构，实现箱体的可视化和易操作。
所述箱体1采用有机玻璃板制成。所述箱体不限定尺寸，可根据植物特征确定。为方便说明，本实施例提供的根际箱的设计参数如下所述：箱体尺寸(200mm*200mm*200mm)，设计为三个箱体一组的平行实验装置，采用透明有机玻璃板制成，板厚8mm。但并不因此限定本发明范围，基于本发明设计思想，本领域根据植物的特征调整根际箱尺寸是允许的。实际运行过程中需要时用锡箔纸避光。
所述箱体1可以为正方体或长方体。如果箱体1为正方体，那么所述根际隔板插片2与箱体1的横截面等大。如果箱体1为长方体，那么所述根际隔板插片2与其所面对方向的箱体1的横截面等大。
所述箱体1相对两侧内壁设置有固定结构，所述根际隔板插片经固定结构固定于箱体1内。
优选地，所述固定结构为设置于箱体内壁上的凹槽(图中未标示，参照常规)。所述根际隔板插片2两侧分别插入凹槽，经由凹槽固定。
所述布水单元包括储水装置(图中未标示，参照常规)、水泵(图中未标示，参照常规)、布水管，布水管设有滴头，所述布水管10连接水泵，水泵将储水装置中的水抽送到布水管，水经由滴头11滴入所述箱体1内。
所述滴头11为可调控流量滴头。
所述布水单元还包括电源定时器(图中未标示，参照常规)，通过电源定时器控制系统定时进出水。
所述箱体1相对的两侧侧壁上边沿设有卡槽，所述布水管固定于卡槽。
所述根际隔板插片2上均匀分布圆孔，所述孔为圆孔的孔径范围为0.5～1.5cm，其目的是确保水分和微生物的自由移动。其中，所述插片远离植物的一面粘有尼龙网。优选所述尼龙网为300目(孔径40μm)，面积与根际隔板插片相等，盖住根际隔板插片上的圆孔。尼龙网的作用是阻止植物根系穿过，将植物根系局限在根区S0的区间里。根际隔板插片的作用是支撑尼龙网，不让尼龙网在土壤和基质的压力下变形，维持不同根区的分布。
如图4所示，板面均匀开9*9个圆孔，孔直径10mm，塑料板一面粘有尼龙网。所述的尼龙网的孔径为300目(40μm)。
所述根际隔板插片2可采用PVC板制成。
本发明根际箱的设计在充分避免植物根系组织生长进入相邻根区的基质、实现各根区间彼此物理分隔的同时，又确保了水分、微生物及根系分泌物等的根区迁移活动。
本发明的基质填充方式：在根际箱底部均匀填充5cm厚直径0.5～1cm砾石，主体部分填入约13cm粒径≦1mm的过筛河砂。
本实施例的植物选择方法是：选用生长良好且大小一致的湿地植物灯芯草幼苗，用自来水小心洗净以去除附着在根部的土壤和衰老植物碎屑，移植入根际箱的根室S0区域。每个根区种植三株。
本发明的运行方式是：在植物生长培育阶段，通过定时器调节进水时间，实现连续运行，并且保持各根际箱液面高度一致；在实验阶段，调节为间歇运行，通过调节滴头均匀进水，所有装置保持液面高度一致，水力停留时间HRT＝7d，期间以添加蒸馏水来补足蒸发量。所述的进水为人工配制生活污水。
本发明的采样方式是：打开排水阀，先放出约200mL水样，视为渗滤槽和水位管中残留无效样品，再关闭阀门，用50mL注射器在接口往外抽气，使内部间隙水迅速向渗滤槽流下，打开阀门，采取混合水样。
采集砂砾样品时，先小心将表层基质拨开，再用长柄药勺，挖取不同区间基质样品。
实施例2湿地根际根际箱的应用实施
采用实施例1所述根际箱，检测实验植物对污染物去除情况：共进行四次监测，设置三个平行装置。水质各项指标依照国家标准中的水样化学分析方法分析，包括化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4 +-N)、硝氮(NO3 --N)。测定结果如表1所示。
所述根际箱不同根区O2含量：采用PreSens溶氧微探头对O2含量进行原位测定，结果如下图5所示。
表1根际箱试验装置对污染物的去除情况(n＝3)

Claims (10)

1.一种植物根际箱，包括箱体，其特征在于，所述箱体内部空间由若干根际隔板插片间隔为不同根际微域分区单元，所述箱体的上部设置有布水单元，所述箱体上还设有水位调控单元；箱体的底部设有排水装置。
2.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述根际微域分区单元为根区、近根区、远根区和非根区。
3.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述水位调控单元包括集水槽和水位调节管，所述集水槽设于箱体的下部并连通所述排水装置收集根际箱的出水；所述水位调节管的一端连通接集水槽，另一端为开口，可用于对根际箱的反冲洗。
4.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述箱体的排水结构为设置于箱体底板上的渗滤孔；优选所述渗滤孔对应每个不同的根际微域分区单元均匀分布。
5.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述箱体相对两侧内壁设置有固定结构，所述根际隔板插片经固定结构固定于箱体内；优选所述固定结构为设置于箱体内壁上的凹槽，所述根际隔板插片两侧分别插入凹槽，经由凹槽固定。
6.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述布水单元包括储水装置、水泵、布水管，布水管设有滴头，所述布水管连接水泵，水泵将储水装置中的水抽送到布水管，水经由滴头滴入所述箱体内。
7.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述滴头为可调控流量滴头；所述布水单元还包括电源定时器；所述箱体相对的两侧侧壁上边沿设有卡槽，所述布水管固定于卡槽。
8.根据权利要求1所述植物根际箱，其特征在于，所述根际隔板插片上均匀分布孔，其中远离植物的一面粘有尼龙网。
9.权利要求1至9任一项所述根际箱在湿地植物根际微域研究方面的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用的方法包括以下步骤：
S1.在根际箱的箱体的底部铺上网状材料；在对应位置插入所述根际隔板插片，形成根区、近根区、远根区和非根区等根际微域分区单元；在根区预留空间，用于植物的种植；
S2.在铺好的网状材料上均匀装入基质；
S3.设定电源定时器启动时间，控制系统进出水；
S4. 通过调整根区、近根区、远根区和非根区的间隔，精确观察和研究离根系不同距离和/或根区土壤和/或间隙水中养分、污染物和/或微生物的差异变化。
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