CN107941990B

CN107941990B - 基于dgt技术的水生植物根部磷吸收量测试装置和方法

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Publication number: CN107941990B
Application number: CN201710995343.XA
Authority: CN
Inventors: 王圣瑞; 吴志皓; 倪兆奎
Original assignee: Chinese Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: CN107941990A

Abstract

本发明提供了一种基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，包括：根箱，在所述根箱内设置有由上到下依次排列的第一滤网、第二滤网和第三滤网，形成由上到下的第一腔室、第二腔室和第三滤网之间形成第三腔室；在所述第二腔室内设置有隔离滤网；所述隔离滤网为围绕所述根箱竖直轴向设置的合围，将所述第二腔室分隔为内腔室和外腔室。本发明中的根箱可以使DGT在根区的测试真实地反映根区磷扩散通量，更接近于植物根部的吸收通量。本发明还首次将根箱—水生植物培育方法和DGT技术的优点相结合，形成了用来评估水生植物对湖泊沉积物磷修复能力的新型实验/评估方法。

Description

基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置和方法

技术领域

本发明属于湖泊水生植物生态修复技术和DGT科学技术研究领域，具体涉及一种基于DGT技术对水生植物根部磷吸收量的测试方法和装置。

背景技术

水生植物对湖泊沉积物磷释放的控制作用已经被大量的研究所证实(Vincent,2001；Zhang et al.,2011；Fan and Li,2005)。利用水生植物对富营养化湖泊的生态修复技术也已被广泛用于水环境质量改善和污染水体的恢复(Blindow et al.,1993；Barko etal.,1991)。挺水植物—茭草(Zizania Gronov.ex L,Gramineae)和沉水植物—狐尾藻(Myriophyllum verticiilaturn)，在中国湖泊中大量分布。茭草和狐尾藻被广泛用于湖泊营养化生态修复，其根部对沉积物营养元素(P)的吸收作用可以影响沉积物磷的生物有效性，减少沉积物磷向水中的释放，净化水质，有效地降低了沉积物磷内源负荷。水生植物组织的收割和处置是控制湖泊沉积物磷内源负荷的最后一步。目前，水生植物对湖泊沉积物—水中磷或金属元素吸收能力的评估方法主要包括：(1)水生植物的收割及其运算方法(Salt et al.,1998；Asaeda and Siong,2008；Weisner and Graneli,1989；(2)数学模型(输入-输出平衡法)对湖泊(人工湿地)中水生植物的污染物吸收量的实验和运算方法(Knight et al.,2003；Kadlec and Knight,1996)。但是，方法(1)需要采集代表全湖沉积物和植物生长特征的大量样品，并且要对植物样品进行后续测试，实验量较大，耗费大量人力/物力；方法(2)需要对湖泊中分布水生植物的水环境区域进行长期环境参数(物理，化学和生物)的测定，还要创立数学模型进行大量运算。以上两种方法存在实验量过大和运算模型繁琐的缺点。如何建立一种简单而准确地评估水生植物根部磷吸收能力的实验/运算方法，从而克服已有方法的缺点，是水生植物生态修复领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的是现有技术中的湖泊沉积物—水中磷或金属元素吸收能力评估方法具有的样品量大、运算模型繁琐的技术问题，进而提供一种基于DGT技术对水生植物根部磷吸收量的测试方法和装置，具有测试方法简单、无需大量样品、测试结果准确度高的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，包括：根箱，在所述根箱内设置有由上到下依次排列的第一滤网、第二滤网和第三滤网；在所述第一滤网的上方形成第一腔室，在所述第一滤网和第二滤网之间形成第二腔室，在所述第二滤网和第三滤网之间形成第三腔室；所述第一腔室的顶端开口设置；在所述第二腔室内设置有隔离滤网；所述隔离滤网为围绕所述根箱竖直轴向设置的合围，将所述第二腔室分隔为内腔室和外腔室；在位于所述内腔室顶端的第一滤网上设置有适宜于沉水植物茎部穿过的通孔；在位于同一侧的所述隔离滤网和所述根箱的侧壁上设置有适宜于DGT检测装置出入的检测口。

还设置有至少一根液体输送管，所述液体输送管的一端开口延伸至所述内腔室内，所述液体输送管的另一端开口与位于所述根箱上方的储液瓶连通设置，所述液体输送管上设置有流量控制阀，所述储液瓶中装有不含磷的植物生长促进液。

所述内腔室为由中间向上下两端收缩的纺锤形。

在所述隔离滤网和所述根箱的侧壁上的检测口处安装有塞子，两个所述塞子用连杆连接，在所述根箱的外侧设置有旋钮，所述旋钮与所述检测口处的塞子固定连接。

所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，其在所述隔离滤网上的检测口处设置有薄膜层；还设置有推进机构，所述推进机构包括：外套筒，所述外套筒的外径与所述根箱的检测口相吻合，适宜插入所述根箱上的检测口；推进头，所述推进头的前端设置为圆锥形，所述推进头内设置有推进通道，所述推进通道的后端贯穿所述推进头的后端面设置，所述推进通道的前端贯穿所述推进头的侧面设置；在所述推进通道内设置有柔性推进件，所述柔性推进件适宜沿所述推进通道滑动，所述推进通道位于所述柔性推进件的前方部分形成置放腔，适宜于容纳所述DGT检测装置；在所述推进通道内且位于所述柔性推进件的后方设置有推进螺杆，所述推进通道的内壁面上设置有与所述推进螺杆适配的螺纹；活塞杆，设置在所述外套筒内且位于所述推进头的后方，所述活塞杆与所述推进头通过环形限位装置连接，适宜带动所述推进头沿外套筒轴向进行活塞运动；所述推进螺杆贯穿所述活塞杆延伸至所述活塞杆的后方。

还设置有浮台，在所述浮台上可放置多个所述根箱。

使用所述的装置测试水生植物根部磷吸收量的方法，包括:

(1)沉积物样品的采集和处理：在湖泊里采集沉积物和沙样，所述沙样的总磷含量小于所述沉积物的总磷含量；对所述沉积物和沙样进行干燥，测定干燥后的沉积物和沙的总磷浓度，然后将沉积物和沙样按照一定重量比进行混合，配置成至少一组具有从低到高多个磷浓度梯度的沉积物和沙混合样，所述磷浓度梯度的浓度范围大于湖泊中沉积物的磷浓度范围；向每个混合样中加入水，放置3-4天；完成放置后，将每个所述混合样置入一个所述根箱中；

(2)取至少一组生长状况相似的水生植物幼苗，测定水生植物幼苗的初始根表面积；将水生植物幼苗均匀植入每个所述根箱，将所述根箱放入湖泊中进行培养；

(3)培养期结束后，将完成去氧操作的水合氧化铁圆形DGT放入每个根箱的内腔室中进行测试，测试出每个根箱内植物根部的DGT通量F；取出根箱中的植物，测试每个根箱中水生植物的最终根表面积；计算每株水生植物在一个生长周期内的平均根表面积和根部所吸收的磷质量；

(4)调查水生植物在湖泊中的生长密度和生长面积，评估湖泊中水生植物在一个生长周期内的磷吸收量。

步骤(1)中，配置成两组具有从低到高多个磷浓度梯度的沉积物和沙混合样，两组所述混合样分别置入两组所述根箱中；步骤(2)中，取两组生长状况相似的水生植物幼苗，其中一组为茭草，另一组为狐尾藻，对水生植物幼苗的初始根表面积进行测定，将两组水生植物幼苗分别均匀植入两组所述根箱中。

步骤(2)中，取至少一组生长状况相似的水生植物幼苗，取其中的一部分用于测定水生植物幼苗的初始根表面积；将剩余一部分水生植物幼苗均匀植入每个所述根箱。

步骤(1)中，在湖泊里采集的所述沉积物的总磷含量大于1600mg/kg，所述沙样的总磷含量小于所述沉积物的总磷含量的1/5。

本发明所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置和方法，优点在于：本发明所述的测试装置，其根箱的所述第二腔室内设置有隔离滤网；所述隔离滤网为围绕所述根箱竖直轴向设置的合围，将所述第二腔室分隔为内腔室和外腔室；在实验过程中，所述水生植物的根部生长被限制在内腔室中，可以严格控制根区在根箱内部生长，形成一个较密的根区，并且内室根部分布较为均质；可以使DGT在根区的测试真实地反映根区磷扩散通量，更接近于植物根部的吸收通量；同时外腔室内填充有沉积物，根区的外围被沉积物包裹，可以更好地模拟湖泊中的自然生长环境，从而提高测试结果的准确性。

本发明进一步优选所述内腔室通过液体输送管和储液瓶连通，在储液瓶中存储有不含磷的植物生长促进液，在培养过程中，通过流量控制阀控制液体流量，定期向根区补充营养液和生长调节液，可有效促进根系的生长，进一步提高内腔室中的根密度。

本发明首次将根箱—水生植物培育方法和DGT技术的优点相结合，形成了用来评估水生植物对湖泊沉积物磷修复能力的新型实验/评估方法。本发明的DGT-根箱技术综合了：①DGT在根区原位测试技术获得植物根区扩散通量的功能和②根箱中的水生植物培育可以获得代表全湖沉积物/水生植物根部磷吸收特征/能力和根箱中密集的根区特征的两项技术的优点，验证了基于DGT通量的水生植物根部磷吸收量的运算方法，建立了全湖水生植物的磷生态修复的实验/运算评估方法。

本发明进一步设置了所述推进装置，用于向所述内腔室内推进所述DGT探针装置，由于本发明中的测试装置设置了内腔室和外腔室，并且实验完成时，积淀在底部的沉积物和沙洋具有一定硬度，使得取样难度加大，本发明设置的所述推进装置，推进头设置有圆锥形尖端，便于进入内腔室。待推进头进入内腔室后，通过拧所述推进螺杆，推动DGT检测装置向上方移动，进入内腔室内的根区进行测试，这种推进方式由根区密集区的下方进入，并将DGT测试装置由下方送入上方的根区，避免了直接插入时大量根须对DGT装置的阻拦。

为了使本发明所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置和方法的技术方案更加清楚明白，以下结合具体附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

附图说明

如图1所示是本发明所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置的立体图；

如图2所示是本发明所述的内腔室设置为纺锤形的测试装置的示意图；

如图3所示是本发明所述的固定夹子的结构示意图；

如图4所示是本发明所述的浮台和根箱的结构示意图；

如图5所示是本发明所述的推进机构的推进机构的结构示意图；

如图6所示是根箱中茭草根部磷吸收量P(A)和植物组织磷积累量P(N)；

如图7所示是根箱中狐尾藻根部磷吸收量P(A)和植物组织磷积累量P(N)；

如图8所示是“DGT通量法”获得的根箱中茭草根部磷吸收量P(A)与植物组织磷的积累量P(N)之间的线性相关关系；

如图9所示是“DGT通量法”获得的根箱中狐尾藻根部磷吸收量P(A)与植物组织磷的积累量P(N)之间的线性相关关系。

其中，附图标记为：

1-根箱；11-第一滤网；12-第二滤网；13-第三滤网；14-隔离滤网；

2-第一腔室；3-内腔室；4-外腔室；5-第三腔室；6-液体输送；7-储液瓶；8-塞子；81-连杆；82-旋钮；

9-标尺；91-按钮；92-夹具；93-DGT检测装置；

10-浮台；15-外套筒；16-推进头；18-柔性推进件；19-推进螺杆；20-活塞杆。

具体实施方式

需要说明的是，下述实施方式中涉及方向“上”“下”是相对于所述根箱使用时的放置状态而言的，即所述根箱沿竖直方向摆放，此时所述根箱的主体的轴线与竖直方向平行，位于沿竖直方向上方的为“上”，反之为“下”。

本实施方式中的实验装置，包括根箱1，如图1和图2所示，所述根箱1的主体由不透明PVC塑料制成，为一圆柱体，壁厚2cm。圆柱体的内径为20cm，总高度为27cm。在所述根箱1内设置有由上到下依次排列的第一滤网11、第二滤网12和第三滤网13；在所述第一滤网11的上方形成第一腔室2，在所述第一滤网11和第二滤网12之间形成第二腔室，在所述第二滤网12和第三滤网13之间形成第三腔室5；所述第一腔室2的顶端开口设置；在所述第二腔室内设置有隔离滤网14；所述隔离滤网14为围绕所述根箱1竖直轴向设置的合围，将所述第二腔室分隔为内腔室3和外腔室4，作为优选的实施方式，本实施方式中所述内腔室3为由中间向上下两端收缩的纺锤形，内腔室3的中间最大直径为12cm，两端直径为8cm，所述纺锤形的内腔室3沿中间水平线对称设置；内腔室3用于水生植物的根部的生长。在位于所述内腔室3顶端的第一滤网11上设置有适宜于沉水植物茎部穿过的通孔；在位于同一侧的所述隔离滤网14和所述根箱1的侧壁上设置有适宜于DGT检测装置93出入的检测口，检测口的直径为3cm。作为优选的实施方式，所述隔离滤网14上的检测口设置在所述纺锤形的内腔室3的中下部，具体为所述检测口的轴线设置在所述内腔室3由上到下方向上的三分之二处，所述隔离滤网14上的检测口处设置有薄膜层，如塑料薄膜层，所述根箱1的侧壁上的检测口处设置有塞子8。作为可选择的实施方式，也可以在所述隔离滤网14和所述根箱1的侧壁上的检测口处均安装塞子8，此时不在所述隔离滤网14上的检测口处设置薄膜层，两个所述塞子8用连杆81连接，在所述根箱1的外侧设置有旋钮82，所述旋钮82与所述检测口处的塞子8固定连接。本发明中所述内腔室3的形状也可以不限于所述纺锤形，也可以设置为如图1中的圆柱形。

在实验过程中，第一腔室2用于植物地上部分的茎和叶的生长，第一腔室2的高度为7cm，茎和叶可穿出第一腔室2至根箱1上方。第二腔室的高度为15cm，所述内腔室和所述外腔室的高度也为15cm，所述检测口的轴线设置在所述第二腔室由上到下方向上10cm处，即所述检测口的轴线与所述第二腔室顶端的竖直距离为10cm。第三腔室5高度为5cm。第二腔室的内腔室3、外腔室4和第三腔室5中均填充有沉积物和沙的混合样。

第一滤网11、第二滤网12、第三滤网13和隔离滤网14的材质均为尼龙网；第一滤网11和第三滤网13的网孔直径为100μm；第二滤网12和隔离滤网14的网孔直径为28μm。滤网可使水分子和溶液自由通过，但不允许沉积物颗粒物通过。尤其是第二滤网12和隔离滤网14严格地区分了内腔室3—外腔室4以及第二腔室—第三腔室5之间的沉积物层和根系。

根箱1两侧的两个加液瓶分别通过液体输送6管将植物生长调节液和营养液导入内室(N)，液体输送6管的末端带有微孔。在培育植物时，开始时(前一半植物培育时间)每隔1周加一次生长调节液和营养液，采用流量控制阀控制液压和流量。其目的是：①植物生长调节液确保扦插或移植的幼苗能迅速生根，并使根箱1内室(Q)的根密度足够高，以便于DGT在内室(Q)的测试更接于真实的根部吸收特征；②植物营养液确保植物根/茎/叶三部分生长情况均为良好，磷在植物组织中能较好地积累和分配。

所述实验装置还包括附属装置，作为优选的实施方式，在所述隔离滤网14上的检测口处设置有薄膜层，所述隔离滤网14上的检测口设置在所述内腔室3的中下部；所述附属装置为推进机构，如图5所示，所述推进机构包括外套筒15、推进头16和活塞杆20。所述外套筒15的外径与所述根箱1的检测口相吻合，适宜插入所述根箱1上的检测口；所述推进头16的前端设置为圆锥形，所述推进头16内设置有推进通道，所述推进通道的后端贯穿所述推进头16的后端面设置，所述推进通道的前端贯穿所述推进头16的侧面设置；在所述推进通道内设置有柔性推进件18，所述柔性推进件18可以为适宜沿所述推进通道滑动的硅胶条或者橡胶条，所述推进通道位于所述柔性推进件18的前方部分形成置放腔，适宜于容纳所述DGT检测装置93；在所述推进通道内且位于所述柔性推进件18的后方设置有推进螺杆19，所述推进通道的内壁面上设置有与所述推进螺杆19适配的螺纹；活塞杆20设置在所述外套筒15内且位于所述推进头16的后方，所述活塞杆20与所述推进头16通过环形限位装置连接，适宜带动所述推进头16沿外套筒15轴向进行活塞运动；所述推进螺杆19贯穿所述活塞杆20延伸至所述活塞杆20的后方。本实施方式中，所述推进头16的后端成型有限位套筒，所述环形限位装置为设置在所述活塞杆20外壁上的环形凸缘和设置在所述限位套筒内壁上的环形凹槽。所述推进装置在使用时，先将所述根箱1侧壁上的检测口处的塞子8拔下，将所述推进装置插入所述检测口处，由于所述推进装置的外套管的外径与所述根箱1侧壁上的检测口的直径相吻合，因此插入后可起到堵塞的作用，防止根箱1内的底部沉积物流出；插入后，推动所述活塞杆20向前移动，带动所述推进头16向前移动，直至所述推进头16穿破所述内腔室3的检测口上的薄膜层并进入所述内腔室3。此时，旋转所述推进螺杆19，推动所述DGT检测装置93向上方移动，并最终进入所述内腔室3的根区。此时撤回所述推进装置，再将塞子8堵在所述根箱1侧壁上的检测口处即可。为了便于取出所述DGT测试装置，所述穿线通道的一端与所述置放腔连通，另一端则贯穿所述推进头16和所述活塞杆20，与外部连通。置入DGT检测装置93时，在所述DGT检测装置93上栓上细线，细线的另一端穿过穿线通道到达外部，撤回所述推进装置后，所述细线仍旧保留在所述DGT检测装置93上，待所述DGT测试装置完成测试后，可通过拽动细线将所述DGT检测装置93取出。

作为可选择的实施方式，所述附属装置也可以为固定夹子，如图3所示，所述固定夹子包括标尺9，在所述标尺9的两端别设置有夹具92和按钮91，沿所述标尺9的长度方向设置连接所述夹具92和按钮91的弹簧机械装置。使用时，将栓有细线的所述DGT检测装置93固定于标尺9前端的夹具92上，开启根箱1上的塞子，将标尺9前端穿过检测口，将DGT检测装置93插入内腔室3内，按动按钮91松开所述DGT检测装置93，取出标尺，关闭塞子，同时将拴DGT的细线留在根箱1塞子之外。待DGT测试24h后，重新开启塞子，用细线取出圆形DGT。

实验装置还包括浮台10，如图4所示，所述浮台10用于模拟湖泊水环境，并用于安放根箱1。浮台10的墙壁将湖水和浮台10内的水分开，四面墙壁底部用钢铁固定在沉积物底质中，浮台10内水深为4m，每个围格为4×4m的正方形，其中央有一钢梁连接两个墙壁的顶端。缆绳通过钢梁上的吊环将整个根箱1悬挂于浮台10中。

以茭草和狐尾藻为例，使用所述的装置测试水生植物根部磷吸收量的方法，具体包括以下步骤：

(1)沉积物样品的采集和处理：选择湖泊区域，采集沉积物，沉积物磷含量满足TP>1600mg﹒kg^-1。同时采集湖底的沙样,沙中磷含量小于沉积物的1/5。将沉积物和沙样品在烘箱中干燥，并分别通过100μm和1mm筛网。采用SMT法测定沉积物和沙的总磷浓度。然后，将沉积物和沙分别按一定重量比进行混合，要求能够形成从低到高的一系列磷浓度梯度的沉积物和沙的两组混合样(每组组磷浓度梯度为15个样品)，然后加上水，保持含水率为50％，并放置4天。二组沉积物和沙样品分别用于两组根箱1的装填，每组根箱1为15个。本步骤要求沉积物磷含量满足TP>1600mg﹒kg^-1，同时采集湖底的沙样,沙中磷含量小于沉积物的1/5，确保一系列根箱的沉积物和沙的混合物的磷浓度范围大于湖泊现场的沉积物磷范围，确保根箱水生植物根部磷吸收量能反映湖泊现场水生植物磷吸收情况。

(2)植物生长调节液和营养液的配制和使用：为了确保茭草和狐尾藻，尤其是纤插所用的狐尾藻顶枝的根系尽快生成和形成较高的根密度，要在根箱1内室(Q)中加入植物生长调节液，主要于促进根部生长。采用的植物生长调节液是生根粉(中国郑州郑州福森科技有限公司)，生根粉的主要成份是：吲哚丁酸，萘乙酸，多效唑，乙烯利和6—苄基氨基嘌呤。将1g生根粉配制成1L水溶液，每次取120ML装入储液瓶7中。植物营养液是参照文献自行配制的莫拉德营养液，主要成份是：硫酸镁37克；硝酸钾41克；硼酸0.6克；硫酸锰0.4克；硫酸铜0.004克；硫酸锌0.004克。将以上配方配制成1L水溶液，每次取120ML装入B瓶中。植物营养液是为了增加内腔室3沉积物的营养物质(N，K和无机元素)，加快植物生长速度，以便于尽快收割植物。将根箱1放入浮台10后，要将储液瓶7安装在根箱1上。

植物在根箱1中的培育方法：将温室中培育的两种植物幼苗取出，茭草全株取出20株以上，其生长状况相似，株长和根/茎/叶/全株重量基本一致；地上部分和地下部分分别为：14±1.2和8±0.4cm。狐尾藻仅采集茎部，取其顶枝50株以上，其生长状况相似，长度为：10±0.5cm，地下部分为8±0.4cm。然后，将每个根箱植入1株茭草和3株狐尾藻。将植入幼苗的根箱放入浮台中培育，植入狐尾藻的根箱顶部距离水面的距离为30cm；植入茭草的根箱1顶部距离水面的距离为10cm；待茭草地上部分生长到一定高度后，可以逐步将茭草根箱放低，最后其水深也为30cm。

植物组织特征参数的测试方法：

对植入后剩余的茭草幼苗进行根表面积的测定，并且对剩余的茭草和狐尾藻幼苗的根、茎、叶的含磷量进行测定。具体方法为：①将茭草幼苗根部用水洗净后，再用吸水纸吸干根表面的水，将其用根面积测定仪(SNAP SCAN1236，德国AGFA公司)和WINRHIZO根分析软件(加拿大Regent Instruments Inc)进行根面积的测算。根椐这种方法，可以确定茭草的初始根面积；②将茭草幼苗的根、茎、叶分拣开，连同狐尾藻顶枝烘干，测其干重；用积比为1:8:1的H₂SO₄–HNO₃-HClO₄混合溶液消解茭草幼苗的根、茎、叶以及狐尾藻的顶枝，用钼锑抗光度法测消解液中磷浓度并获得植物组织中磷含量。同时进行标准物质的测定，所用的植物标准样为：GBW07603和GBW08504，其回收率为90.48％和105.8％。

(3)根箱植物培育完成后，可以进行DGT测试和植物样品分析。将水合氧化铁圆形DGT进行去氧操作后，放入所述内腔室的根区中进行测试，本实施方式中使用的水合氧化铁圆形DGT的扩散胶的厚度为0.78mm。DGT在根区测定24小时后，将内腔室的DGT测试装置取出，用去离子水洗净保存，待测定；再用注射器取出所述内腔室的沉积物和外腔室的沉积物，保存，待分析。从根箱中取出带有沉积物的整株植物，待分析。

将取回的DGT打开，取出水合氧化铁固定胶，放置在离心试管中，用5mL的0.25mol/L的硫酸进行静置洗脱，洗脱时间为24h；然后用钼锑抗光度法测定洗脱液中活性磷的浓度；最后按照下列公式计算DGT通量F。

F＝M/At

其中：t-操作时间；A-暴露胶的面积；M-吸收的溶质的质量，M的计算公式如下：

M＝C_e(V_gel+V_elution)/f_e

其中：C_e是洗脱液中活性磷的浓度，V_gel是固定胶的体积，V_elution是洗脱液的体积，f_e是洗脱系数(1.0)。

采用SMT法测定内腔室和外腔室中沉积物的总磷浓度。用水小心地洗出根，将收割植物的根系和沉积物分离，尽量避免根的损失。分拣出根、茎、叶组织。然后分析根表面积，根、茎、叶的重量和各组织的含磷量，具体方法同步骤(2)。

DGT可以模拟两种植物根部进行磷吸收，并可以反映根区的磷迁移和动力学吸收过程。本专利通过DGT通量进行两种水生植物根部磷吸收量的运算，其估算结果与植物组织磷积累量进行比较(收割法)，取得了较一致的结果。具体的DGT通量法对根部磷吸收量的运算方法如下所示：

根据DGT通量F，植物根部平均表表面积Area(A)，可以运算出每一根箱中植物根部的磷吸收量：

其中，Area(A)是根箱植物一个生长周期的平均根表面积，cm²；Area(I)是根箱植物培育的植物幼苗的初始根面积，cm²；Area(F)是在DGT测试后，根箱中植物的最终根表面积，cm²。由于狐尾藻是采用纤插法进行的根箱植物培育，因此Area(I)为0。

P(D)＝F×86400

P(A)＝P(D)×Area(A)×Per

其中，P(D)是每天在单位面积DGT固定胶上积累的磷质量，ng﹒cm^-2﹒d^-1；F是DGT通量，ng﹒cm^-2﹒s^-1；86400是一天的秒数，s；P(A)是每个生长周期每个根箱中植物根部所吸收的磷质量，mg﹒a^-1；Area(A)是每个根箱中根部的总表面积，cm²；Per是植物一个生长周期的天数(d)，对于两种植物的根箱培育而言，是240天。

另一方面，为了验证“DGT通量法”对植物根部磷吸收量运算方法的正确性，同时也进行了每个根箱中植物组织磷积累量的运算，其具体运算方法如以下方程所示：

P(N)＝P(C)-P(I)

其中，P(N)是在一个生长周期中，每个根箱中植物中净积累的磷质量，mg；P(C)是在生长周期终点时，每个根箱中收割的植物中磷质量，mg；P(I)是生长周期起始点，每个根箱的幼苗的磷质量，mg。

而在根箱植物或是幼苗中磷质量可以采用以下方程进行运算：

其中，P(E)是每个根箱中的植物或是幼苗所积累的磷质量，mg/g干重；P(T)是植物或幼苗组织的根、茎、叶的磷含量，mg/g干重；W(T)是植物或幼苗组织根、茎、叶的干重，g。

DGT通量法对两种植物根部磷吸收量的运算的验证方法：“DGT通量法”获得的植物根部磷吸收量与“收割法”获得的植物组织净积累磷质量之间的相对偏差应<±20％，两种运算方法之间的相关系数R²>0.70；在这种情况下，“DGT通量法”可以准确地运算出根箱中两种植物根部磷吸收量。

(4)基于DGT通量的根部磷吸收量的湖泊水生态修复能力的评估方法

具体方法如下：确定水生植物在湖泊中的生长密度和生长面积，求出根箱中每株植物根部磷的吸收量的平均值，然后按下式进行两种植物湖泊水生态修复能力的运算：

P(U)＝Den(P)×Re×P(P)

其中，P(U)为全湖中，某种植物根部在一个生长周期中的磷吸收量，kg；Den(P)为植物的生长密度，株/m²；Re为全湖所分布的某种植物的生长面积，m²；P(P)为所有根箱实验中平均每株根部磷的吸收量，kg/株；其计算方法如下：

其中，P(A)为每个根箱中每株根部磷的吸收量，mg；P(P)是在一个生长周期中，根箱中每株植物的平均磷吸收量，mg；N₁是根箱的总数；N₂是每个根箱种植物的植物株数。

这样，全湖的每种植物的根部在一个生长周期(通常代表一年的吸收量)的磷的吸收量可以被运算出来。它代表着水生植物根部对富营养化湖泊的“内源磷负荷”的生态修复能力。

实验例

为了进一步证明本发明所述的测试装置和测试方法的技术效果，本实施方式采用具体实验方式对技术方案和效果进行进一步的说明。

实验区域：本实验例所述的研究区域位于云南富营养化湖泊-洱海(水生植物实验基地，中科院水生生物研究所)，具体的实验区域位于水生植物实验基地浮台的围格中。云南洱海是热带/亚热带气候，平均气温15℃，全年植物都可以生长。实验装置，采用具体实施方式中所述的实验装置。测试及评估方法包括：

(1)根箱沉积物预处理：在洱海区域茭草和狐尾藻植物生长密集的两个样点a和b附近无植物的沉积物中采集表层沉积物样品I和II。另外，在湖心采集沙样I和II。沉积物和沙样在70℃的烘箱中烘干72小时后，将沉积物和沙用球磨机研磨，再分别过100μm和1mm的筛子。然后，沉积物和沙样分别用SMT法测定磷含量。沉积物I和沙样I的磷含量分别为1805±12和240±5mg﹒kg^-1干重，用于培育茭草；沉积物II和沙样II的磷含量分别为4000±14和80±4mg﹒kg^-1干重，用于培育狐尾藻。将沉积物I和沙样I进行按以下重量比混合：1:14、2:22、3:20、4:21、5:25、6:19、7:18、8:17、9:17、10:15、11:15、12:14、13:12、14:11、15:3进行混合，用于茭草的培育。将沉积物II和沙样II进行按以下重量比：1:16、2:27、4:43、5:46、8:63、1:7、1:6、5:27、1:5、7:32、5:19、6:21、7:22、7:21、9:24进行混合，用于狐尾藻的培育；每个根箱所用的沉积物和沙的总重量为15kg，加入15kg的水，放置4d后装填根箱。其根箱中沉积物磷含量分别354±9～1584±31mg﹒kg^-1干重(茭草)和325±5～1177±27mg﹒kg^-1干重(狐尾藻)。

(2)植物培育：从温室中采集两种植物的幼苗，其中茭草26株，其长势和根、茎、叶的生理特征基本一致。再从中选择性15株在根箱中培育，其在根箱的地下和地上部分的高度分别为：14±1.2或8±0.4cm。剩余的11株幼苗分成根、茎、叶等部分，将这11株茭草幼苗的根、茎、叶进行分离，测定根部表面积，根、茎、叶干重，各组织部分磷含量，具体测定方法同具体实施方式中步骤(2)所述。狐尾藻幼苗采用的是扦插法进行培育，取出57个顶枝，其长度和重量一致，长度为10±0.5cm。然后，每三枝狐尾藻顶枝用于一个根箱的培育。剩余的12个狐尾藻顶枝的干重和磷含量也按照具体实施方式中步骤(2)所述方法进行测定。

(3)将完成驱氧处理的水合氧化铁圆形DGT分别放置入茭草或狐尾藻的15根箱内室(Q)中，一种植物有15个根箱，标记为1'到15'。测试时间为24小时。然后，取出DGT，用去离子水冲洗干净并取出水合氧化铁圆形DGT中的水合氧化铁固定胶；用酸溶液分别对每个所述水合氧化铁固定胶进行静置洗脱(24小时)，利用钼锑抗光度法测定洗脱液中活性磷的浓度，计算DGT通量F。

将根箱中整株植物和沉积物带入实验室。仔细地将根和沉积物分开，用水洗出根，尽量避免根的损失，测定每个根箱中植物的根表面积，以及根、茎、叶中的磷含量。

(4)基于DGT通量法计算水生植物根部磷吸收量P(A)，同时采用收割法计算水生植物根部的磷吸收量P(N)。结果如图6和图7所示，图6为茭草的DGT通量法和收割法得到的每个根箱的磷吸收量的结果，纵坐标表示每个根箱的磷吸收量，单位为mg，横坐标为根箱标号。图7为狐尾藻的DGT通量法和收割法得到的每个根箱的磷吸收量的结果，纵坐标与横坐标同图6。结果表明，每个根箱的磷吸收量P(A)与P(N)呈显著线性相关。图8所示是“DGT通量法”获得的根箱中茭草根部磷吸收量P(A)与植物组织磷的积累量P(N)之间的线性相关关系(y＝1.10x-36.18，R²＝0.99)，图9所示是“DGT通量法”获得的根箱中狐尾藻根部磷吸收量P(A)与植物组织磷的积累量P(N)之间的线性相关关系(y＝1.09x-14.31，R²＝0.99)。结合图8和图9表明，其相关系数R²>0.995，两种运算/评估方法的相对偏差在±7.0％以内，这说明“DGT通量法”可以准确地反映植物根部磷的吸收量。

(6)水生植物根部湖泊水生态修复能力(P)评估：根据洱海两种植物分布区域的调查，茭草和狐尾藻的生长区域都为1km²，茭草的生长密度为10株/m^-2，狐尾藻的生长密度为12株/m^-2；采用DGT通量法进行植物根部磷吸收量的运算和两种植物的水生态修复能力的评估，评估结果如下表所示：

全湖水生植物根部磷吸收能力为：6.66t/a(茭草)和1.71t/a(狐尾藻)。茭草和狐尾藻的根部磷吸收量的运算结果分别占外源磷负荷的8.9％(茭草)和2.3％(狐尾藻)。如果在洱海实施人工种植和水生植物恢复工程，增大两种植物的种植物密度和生长面积，两种植物的根部磷吸收和水生态修复能力会超过上述评估结果，这表明了茭草和狐尾藻在控制湖泊沉积物内源磷负荷中的显著作用和生态效益。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims

1.基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，包括：

根箱，在所述根箱内设置有由上到下依次排列的第一滤网、第二滤网和第三滤网；在所述第一滤网的上方形成第一腔室，在所述第一滤网和第二滤网之间形成第二腔室，在所述第二滤网和第三滤网之间形成第三腔室；所述第一腔室的顶端开口设置；

其特征在于，在所述第二腔室内设置有隔离滤网；所述隔离滤网为围绕所述根箱竖直轴向设置的合围，将所述第二腔室分隔为内腔室和外腔室，所述内腔室为由中间向上下两端收缩的纺锤形；

在位于所述内腔室顶端的第一滤网上设置有适宜于沉水植物茎部穿过的通孔；在位于同一侧的所述隔离滤网和所述根箱的侧壁上设置有适宜于DGT检测装置出入的检测口；

还设置有推进机构，所述推进机构包括：外套筒，所述外套筒的外径与所述根箱的检测口相吻合，适宜插入所述根箱上的检测口；

推进头，所述推进头的前端设置为圆锥形，所述推进头内设置有推进通道，所述推进通道的后端贯穿所述推进头的后端面设置，所述推进通道的前端贯穿所述推进头的侧面设置；在所述推进通道内设置有柔性推进件，所述柔性推进件适宜沿所述推进通道滑动，所述推进通道位于所述柔性推进件的前方部分形成置放腔，适宜于容纳所述DGT检测装置；在所述推进通道内且位于所述柔性推进件的后方设置有推进螺杆，所述推进通道的内壁面上设置有与所述推进螺杆适配的螺纹；

活塞杆，设置在所述外套筒内且位于所述推进头的后方，所述活塞杆与所述推进头通过环形限位装置连接，适宜带动所述推进头沿外套筒轴向进行活塞运动；所述推进螺杆贯穿所述活塞杆延伸至所述活塞杆的后方。

2.根据权利要求1所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，其特征在于，还设置有至少一根液体输送管，所述液体输送管的一端开口延伸至所述内腔室内，所述液体输送管的另一端开口与位于所述根箱上方的储液瓶连通设置，所述液体输送管上设置有流量控制阀，所述储液瓶中装有不含磷的植物生长促进液。

3.根据权利要求1或2所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，其特征在于，在所述隔离滤网和所述根箱的侧壁上的检测口处安装有塞子，两个所述塞子用连杆连接，在所述根箱的外侧设置有旋钮，所述旋钮与所述检测口处的塞子固定连接。

4.根据权利要求1所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，其特征在于，在所述隔离滤网上的检测口处设置有薄膜层，所述隔离滤网上的检测口设置在所述内腔室的中下部。

5.根据权利要求4所述的基于DGT技术的水生植物根部磷吸收量测试装置，其特征在于，还设置有浮台，在所述浮台上可放置多个所述根箱。

6.使用权利要求1-4所述的测试装置测试水生植物根部磷吸收量的方法，其特征在于，包括:

（1）沉积物样品的采集和处理：在湖泊里采集沉积物和沙样，所述沙样的总磷含量小于所述沉积物的总磷含量；对所述沉积物和沙样进行干燥，测定干燥后的沉积物和沙的总磷浓度，然后将沉积物和沙样按照一定重量比进行混合，配置成至少一组具有从低到高多个磷浓度梯度的沉积物和沙混合样，所述磷浓度梯度的浓度范围大于湖泊中沉积物的磷浓度范围；向每个混合样中加入水，放置3-4天；完成放置后，将每个所述混合样置入一个所述根箱中；

（2）取至少一组生长状况相似的水生植物幼苗，测定水生植物幼苗的初始根表面积；将水生植物幼苗均匀植入每个所述根箱，将所述根箱放入湖泊中进行培养；

（3）培养期结束后，将完成去氧操作的水合氧化铁圆形DGT放入每个根箱的内腔室中进行测试，测试出每个根箱内植物根部的DGT通量F；取出根箱中的植物，测试每个根箱中水生植物的最终根表面积；计算每株水生植物在一个生长周期内的平均根表面积和根部所吸收的磷质量;

（4）调查水生植物在湖泊中的生长密度和生长面积，评估湖泊中水生植物在一个生长周期内的磷吸收量。

7.根据权利要求6所述的测试水生植物根部磷吸收量的方法，其特征在于，步骤（1）中，配置成两组具有从低到高多个磷浓度梯度的沉积物和沙混合样，两组所述混合样分别置入两组所述根箱中；步骤（2）中，取两组生长状况相似的水生植物幼苗，其中一组为茭草，另一组为狐尾藻，对水生植物幼苗的初始根表面积进行测定，将两组水生植物幼苗分别均匀植入两组所述根箱中。

8.根据权利要求7所述的测试水生植物根部磷吸收量的方法，其特征在于，步骤（2）中，取至少一组生长状况相似的水生植物幼苗，取其中的一部分用于测定水生植物幼苗的初始根表面积；将剩余一部分水生植物幼苗均匀植入每个所述根箱。

9.根据权利要求7或8所述的测试水生植物根部磷吸收量的方法，其特征在于，步骤（1）中，在湖泊里采集的所述沉积物的总磷含量大于1600mg/kg，所述沙样的总磷含量小于所述沉积物的总磷含量的1/5。