CN115286116A - 一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，包括模拟箱体，模拟箱体内设有阶梯式的多层生态模拟平台，且每层生态模拟平台均被分隔成多个隔槽，各层的生态模拟平台内均放置有修复材料；上层生态模拟平台上设有使水体跌落至下层生态模拟平台的跌水，模拟箱体外侧设有水处理控制系统，上部设有光照系统。与现有系统相比，该人工生态系统对自然环境的模拟程度显著提高；通过对水深的调节，使同时模拟陆地、湿地生态系统成为可能；为退化生态系统修复方法的研究提供了所需的条件。
Description
技术领域
本发明涉及退化生态系统修复技术领域，具体的说，涉及一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统。
背景技术
相关术语解释，退化生态系统：退化生态系统指在一定的时空背景下，生态系统受自然因素，人为因素或两者的共同干扰下，使生态系统的某些要素或系统整体发生不利于生物和人类生存要求的量变和质变，系统的结构和功能发生与原有的平衡状态或进化方向相反的位移。
跌水：使上游渠道(河、沟、水库、塘、排水区等)水流自由跌落到下游渠道(河、沟、水库、塘、排水区等)的落差建筑物。
经济的快速发展，给人们的生活带来更多的物质条件，但另一方面它也会对生态环境造成一些不利影响，有些生态系统受到破坏后甚至会发生退化的情况。
目前，针对退化生态系统的新型修复方法并不适合直接在自然生态系统中进行研究，主要是因为自然生态系统具有复杂性，存在许多不可控的条件，如果造成了二次破坏，将很难修复。所以初期的科学研究(例如生态环境研究)都是在人工生态系统中开展，而不是直接在自然生态系统中进行，避免造成不可恢复的破坏。
模拟生态系统的工作很多是在一个缸中进行的，网上也可以查找到类似的文献，如申请号为CN201410800949.X，名称为“小型水生生态系统模拟器”的发明专利，可以模拟水生生态系统，并满足一些基本的科学研究需求。据调查可知，现有的人工模拟的生态系统无法为退化生态系统的修复研究提供需要的条件，而且现有生态系统内的物种单一，无法真实模拟出天然生态系统的多样性以及物种多样性，无法同时囊括多种生态系统的要素，不能同时满足对水、土、动植物和微生物的深入研究。
发明内容
发明要解决的技术问题：本发明的目的在于克服现有技术中人工模拟的生态系统存在的上述缺陷，提供一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，对自然环境的模拟程度显著提高；同时满足退化生态系统修复需要的条件。
技术方案：为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，包括模拟箱体，模拟箱体内设有阶梯式的多层生态模拟平台，且每层生态模拟平台均被分隔成多个隔槽，各层的生态模拟平台内均养殖或放置有用于生态修复的植物、动物、微生物和修复功能材料；上层生态模拟平台上设有使水体跌落至下层生态模拟平台的跌水，模拟箱体外侧设有水处理控制系统，上部设有光照系统。
作为本发明更进一步的改进，多层生态模拟平台由上至下依次为：上层土壤平台、中层土壤平台和下层土壤平台，上层土壤平台的外侧设置有使水流自由跌落至中层土壤平台的上层跌水，中层土壤平台的外侧设置有使水流自由跌落至下层土壤平台的中层跌水，跌水是一个倾斜的粗糙坡面。
作为本发明更进一步的改进，上层土壤平台、中层土壤平台和下层土壤平台通过交错分布的隔水板分隔成多个隔槽，同一层以及不同层的隔槽均连通。
作为本发明更进一步的改进，上层土壤平台被分隔成三个隔槽，分别为隔槽a、隔槽b和隔槽c，所述中层土壤平台被分隔成三个隔槽，分别为隔槽d、隔槽e、隔槽f，所述下层土壤平台被分隔成两个隔槽，分别为隔槽g、隔槽h。
作为本发明更进一步的改进，隔槽a内的水沿S形可依次顺流至隔槽h。
作为本发明更进一步的改进，上层跌水和中层跌水背离设置于上层土壤平台和中层土壤平台的端部。
作为本发明更进一步的改进，水处理控制系统设置在模拟箱体的外壁，水处理控制系统包括通过管道依次连接的取水口、净化器、水泵、阀门、流量计和出水口，取水口由下层土壤平台中取水，经出水口处的喷淋头将水喷洒在模拟箱体内，喷淋头上设置有温控装置。
作为本发明更进一步的改进，净化器内放置有用于修复退化生态系统的修复材料。
作为本发明更进一步的改进，模拟箱体其中相邻的三条棱上分别设置有水深、宽、长刻度尺。
有益效果：采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.对自然环境的模拟程度显著提高；通过对水深的调节，使同时模拟陆地、湿地生态系统成为可能；为退化生态系统修复方法的研究提供了所需的条件。
2.本系统可以养殖鱼虾、蚌螺、水生植物、陆地植物等，囊括多种生态系统要素，有利于对退化生态系统修复方法的深入研究。
3.可以调节水量以开展不同生态环境下的生态环境研究。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统的结构示意图；
示意图中的标号说明：
1、上层土壤平台；11、光照系统；12、水处理控制系统；121、取水口；122、净化器；123、水泵；124、阀门；125、流量计；126、出水口；2、中层土壤平台；3、下层土壤平台；4、上层跌水；5、中层跌水；6、隔水板；7、隔槽。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
我国是全球陆地生态最多的国家，基本囊括了全部的陆地生态系统，这些生态系统是我国社会经济持续发展的重要基础。但是，目前我国的生态系统都在处于不同程度的退化之中，形势不容乐观。需要建立相应的人工生态模拟系统，在实验室模拟退化生态系统的修复方式，以便更好地将其应用在自然生态系统中，最大程度地减少对自然生态系统的破坏。为此，申请人提出一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，以下针对这种系统进行详细说明。
如图1，一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，包括模拟箱体，模拟箱体内设有阶梯式的多层生态模拟平台，且每层生态模拟平台均被分隔成多个隔槽7，各层的生态模拟平台内均养殖或放置有用于生态修复的植物、动物、微生物和修复功能材料；上层生态模拟平台上设有使水体跌落至下层生态模拟平台的跌水，模拟箱体外侧设有水处理控制系统12，上部设有光照系统11。
采用透明长方体的塑料箱作为模拟箱体，箱体上部敞口，可直接从外部补充水源，上部的光照系统11可模拟日光，以补充动植物所需的光照。模拟箱体内设置多层的生态模拟平台，从而在模拟箱体内构建一个有高度梯度的生态系统，这种高度梯度实质上是水流、湿度、光照等诸多环境因子随高度不同而对各层动植物的生长环境和适应性的影响，囊括了多种生态系统要素，可以实现陆地、湿地生态系统的模拟，同时每一层生态模拟平台上可以养殖适宜在该层生长的不同动植物，如鱼虾、蚌螺、水生植物、陆地植物等；各层的生态模拟平台内均放置有修复材料，修复材料主要是一些化学药物，以此研究退化生态系统的修复技术。该人工生态系统不仅用于对退化生态系统修复的研究，同时对科普教学来说也意义重大。
在一个优选实施例中，模拟箱体其中相邻的三条棱上分别设置有水深、宽、长度刻度尺，能够实现箱体内水土体积的可度量化。
以上对本发明提出的一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统的组成做了说明，在此基础上，对该人工生态系统内部设置的多层生态模拟平台进行详细说明。
在一个优选实施例中，多层生态模拟平台由上至下依次为：上层土壤平台1、中层土壤平台2和下层土壤平台3，上层土壤平台1的外侧设置有使水流自由跌落至中层土壤平台2的上层跌水4，中层土壤平台2的外侧设置有使水流自由跌落至下层土壤平台3的中层跌水5，跌水是一个倾斜的粗糙坡面。
本实施例中，上层土壤平台1、中层土壤平台2和下层土壤平台3呈阶梯式平行设置，各层土壤平台内需要填土，上层跌水4和中层跌水5用于模拟天然跌水，跌水是一个倾斜的粗糙坡面，也有利于动物的上下贯通。
在一个优选实施例中，上层土壤平台1、中层土壤平台2和下层土壤平台3通过交错分布的隔水板6分隔成多个隔槽7，同一层以及不同层的隔槽7均连通。本实施例中，各层的土壤平台通过隔水板6分隔成多个隔槽7。隔槽7之间相互连通，由隔水板6围成的隔槽7能够模拟河道，为退化生态系统修复的研究提供一个贴合实际的生态环境。
在一个优选实施例中，上层土壤平台1被分隔成三个隔槽7，分别为隔槽a、隔槽b和隔槽c，中层土壤平台2被分隔成三个隔槽，分别为隔槽d、隔槽e、隔槽f，下层土壤平台3被分隔成两个隔槽，分别为隔槽g、隔槽h。隔槽a内的水沿S形可依次顺流至隔槽h。
本实施例中，将每层土壤平台被分隔成不同数量的隔槽，上层土壤平台1和中层土壤平台2均被两个隔水板6分隔成三个隔槽7，下层土壤平台3被一个隔水板6分隔成两个隔槽7，从上至下依次为隔槽a、隔槽b……隔槽h，隔水板6避免水流直接流下，且由于隔水板6的交错分布，使得水在各层土壤平台之间沿S形曲线流动。
在一个优选实施例中，上层跌水4和中层跌水5背离设置于上层土壤平台1和中层土壤平台2的端部。本实施例中，上层跌水4和中层跌水5分别设置在上层土壤平台1和中层土壤平台2外侧的端部，两者背离设置，不在同侧。
以上对本发明体提供的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统内部设置的多层生态模拟平台进行了说明，在此基础上，对模拟箱体外壁的水处理控制系统进行进一步的说明。
在一个优选实施例中，水处理控制系统12设置在模拟箱体的外壁，水处理控制系统12包括通过管道依次连接的取水口121、净化器122、水泵123、阀门124、流量计125和出水口126，取水口121由下层土壤平台3中取水，经出水口126处的喷淋头(图中未示出)将水喷洒在模拟箱体内，喷淋头上设置有温控装置。
本实施例中，水源可以直接从上部敞开处加入箱体内。水处理控制系统12可实现模拟箱体内水体的自循环，喷淋头上的温控装置可调节实验需要的水温。阀门124和流量计125可调节喷淋头的出水速度，从而方便调节箱内水的循环速度或交换速度，另外，净化器122内可以选择放置修复材料，如果模拟箱体内的水体受到严重污染时，取水口121处取出的水经过净化器122时，水体可被修复材料修复，修复后的干净水可被输送至出水口126处由喷淋头喷洒在模拟箱体内，经过若干次修复或调整不同修复材料的用量以及配比等，经过多次反复试验，来验证采用的修复材料对退化生态系统修复的状况、以及后期如何改进等提供相应的支撑证据。水处理控制系统12为退化生态系统修复研究提供了硬件设施。
另外一种可能的情况是，箱体内水体污染程度较轻，一般依靠系统的自我调节即可恢复，这种情况在净化器122内无须放置修复材料，依靠水土、动植物的天然调节来修复系统环境。
或者，净化器122内不放置修复材料，仅在各层土壤平台内养殖或放置用于生态修复的植物、动物、微生物和修复功能材料，依靠修复功能材料以及水土、动植物的天然调节来修复系统环境。
以上描述了三种对退化生态系统的修复方法，这三种不同的方法实际上是通过自然恢复或人工干预的两种主要形式来体现的，这两种形式适用于不同的破坏程度，净化器中添加修复材料是属于破坏较为严重的情况，通过人工干预，可以加快整个恢复进程。本发明专利将这两种修复形式结合起来，在此基础上，开展不同修复方法的研究，可以达到较好的生态系统恢复效果。
从下层土壤平台3取水，再由上层土壤平台1的出水口处出水，水流分别经过隔槽a、b、c，经过上层跌水4流入隔槽d、e、f，再经过中层跌水5流入隔槽g、h，隔槽能够模拟河道，养殖动植物，添加修复材料或药剂等，土壤平台能够模拟湖泊，养殖动植物，添加修复材料或药剂等。
更重要的是，通过水泵123抽取的快慢，阀门124和流量计125的调节，达到需要的水力停留时间，具体的说，是水由隔槽a流至隔槽h所需时间的长短，这一过程极其重要，被修复后的干净水在各个隔槽内流动时间的不同，为退化生态系统的修复提供了多种可能，以求得到最适宜的修复方式。
同时采用水处理控制系统能够对模拟箱体内的水深进行调节，这包括以下的四种情况：
1.模拟箱体内无水，装置可进行退化的陆地生态系统模拟工作，模拟箱体内种植植物，投放小动物，实现在箱体内研究退化的陆地生态系统的修复方法。
2.模拟箱体内有水，水位淹没下层土壤平台3但在中层土壤平台2以下，下层土壤平台3模拟湖泊，中层土壤平台2和上层土壤平台1模拟河道，装置可进行退化的湿地生态系统模拟工作，在箱体内种植水生植物，养殖鱼虾、蚌螺等，通过阀门124和流量计125调节水力停留时间，通过实验对比修复前后生态系统的状态来研究此种修复方法的优劣。
3.模拟箱体内有水，水位淹没中层土壤平台2但在上层土壤平台1以下，可进行深、浅两种水位的退化湿地生态系统模拟工作，深水位指的是下层土壤平台3在水中埋置较深，浅水位指的是中层土壤平台2在水中埋置较浅，而上层土壤平台1模拟河道，此时在箱体内种植水生植物，养殖鱼虾、蚌螺等，通过阀门124和流量计125调节水力停留时间，通过实验对比修复前后生态系统的状态来研究此种修复方法的优劣。
4.模拟箱体内有水，水位完全淹没所有土壤平台，可进行三种水位(深、中、浅)的退化湿地生态系统模拟工作，所有土壤平台模拟湖泊，此时在箱体内种植水生植物，养殖鱼虾、蚌螺等，通过阀门124和流量计125调节水力停留时间，通过实验对比修复前后生态系统的状态来研究此种修复方法的优劣。
因此，本发明提供的一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，与现有模拟系统相比，对自然环境的模拟程度显著提高；通过对水深的调节，使同时模拟陆地、湿地生态系统成为可能；为退化生态系统修复方法的研究提供了所需的条件。
当然，该人工生态系统也可以调节水量以开展不同生态环境下的生态环境研究。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：包括模拟箱体，模拟箱体内设有阶梯式的多层生态模拟平台，且每层生态模拟平台均被分隔成多个隔槽，各层的生态模拟平台内均养殖或放置有用于生态修复的植物、动物和修复功能材料；上层生态模拟平台上设有使水体跌落至下层生态模拟平台的跌水，模拟箱体外侧设有水处理控制系统，上部设有光照系统。
2.根据权利要求1所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：多层生态模拟平台由上至下依次为：上层土壤平台、中层土壤平台和下层土壤平台，上层土壤平台的外侧设置有使水流自由跌落至中层土壤平台的上层跌水，中层土壤平台的外侧设置有使水流自由跌落至下层土壤平台的中层跌水，跌水是一个倾斜的粗糙坡面。
3.根据权利要求2所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：所述上层土壤平台、中层土壤平台和下层土壤平台通过交错分布的隔水板分隔成多个隔槽，同一层以及不同层的隔槽均连通。
4.根据权利要求3所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：所述上层土壤平台被分隔成三个隔槽，分别为隔槽a、隔槽b和隔槽c，所述中层土壤平台被分隔成三个隔槽，分别为隔槽d、隔槽e、隔槽f，所述下层土壤平台被分隔成两个隔槽，分别为隔槽g、隔槽h。
5.根据权利要求4所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：隔槽a内的水沿S形可依次顺流至隔槽h。
6.根据权利要求2所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：所述上层跌水和中层跌水背离设置于上层土壤平台和中层土壤平台的端部。
7.根据权利要求2所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：所述水处理控制系统设置在模拟箱体的外壁，水处理控制系统包括通过管道依次连接的取水口、净化器、水泵、阀门、流量计和出水口，取水口由下层土壤平台中取水，经出水口处的喷淋头将水喷洒在模拟箱体内，喷淋头上设置有温控装置。
8.根据权利要求7所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：净化器内放置有用于修复退化生态系统的修复材料。
9.根据权利要求1所述的适用于退化生态系统修复研究的人工生态系统，其特征在于：所述模拟箱体其中相邻的三条棱上分别设置有水深、宽、长刻度尺。
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