一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法

1.本发明涉及生态环境工程技术领域，具体为一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法。


背景技术：

2.沉水植被是湖泊生态系统重要的组成部分，在维持系统稳定和功能方面具有重要作用，其可通过减少风浪引起的底泥再悬浮、吸收营养、分泌克藻有机物和为浮游动物提供避难所等途径来维持湖泊清水稳态，同时沉水植物还可以增加湖泊环境异质性，为动物提供食物，从而提高水生动物的多样性，有“水下森林”的美誉。然而，目前我国很多湖泊面临富营养化问题，水体透明度下降，沉水植被覆盖面积缩小，多样性下下降，甚至完全消失，湖泊退化为次生裸地，因此，恢复沉水植物是湖泊生态修复的关键一环。
3.在湖泊富营养化过程中，沉积物中有机质含量升高，易产生厌氧环境，加上硫化物的毒害作用，沉水植物的根系生长会受到抑制甚至出现烂根情况，引起植物死亡，同时，随着有机质含量增加，沉积物密度和稳定性降低，呈流体和半流体状态，易受到风浪和鱼类活动等外界因素的干扰，不利于沉水植物的锚定，因而在湖泊中定植沉水植物前对待恢复水域的沉积物进行评估，判断其是否适宜沉水植物生长和锚定，筛选出能够稳定扎根和正常生长的植物是沉水植物恢复工程的关键。
4.目前，在开展沉水植物恢复时，很多工程项目忽略了对沉积物适宜性进行评估的步骤，直接种植沉水植物，往往导致植物存活率低，工程效果不佳，也有部分工程采用抓斗式采泥器取沉积物，对沉积物是否适宜沉水植物生长进行评估，但是这种沉积物取样方法会破坏沉积物原来的分层结构，使得评估结果不准确，故而亟需提出一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法以解决上述问题。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法，具备能够更准确的评估待恢复湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的优点，解决了在开展沉水植物恢复时，无法准确判定恢复区域的是否适宜待恢复沉水植物物种锚定和生长的难题。
7.(二)技术方案
8.为实现上述能够更准确的评估待恢复湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的目的，本发明提供如下技术方案：一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长方法，包括以下步骤：
9.s1、用内径大于5cm的柱状采泥器采集待恢复区域的柱状沉积物，沉积物采样管高30cm，当采集的沉积物不足30cm时，用适宜大小的顶托装置将沉积物从采样管下端顶至上端距上口2
‑
3cm的位置，然后将采样管放入不锈钢采样管架中；
10.s2、选择拟恢复的沉水植物繁殖体(种子、冬芽、断枝和幼苗等)种植于沉积物中，种子可直接撒播于沉积物表面，其它繁殖体种植深度为2
‑
3cm；
11.s3、将不锈钢采样管架放入放置在无遮挡的户外空旷地的培养容器中，容器中水深保持在1
‑
1.2m；
12.s4、培养周期为4
‑
8周，期间连续观测植物生长情况，期间如繁殖体不能萌发生长或植物中途死亡，则表明该沉积物不适宜该种沉水植物生长，如果植物最终生物量大于种植时的起始生物量则表明植物能够生长；
13.s5、对于能够生长的植物，在收获时测定其锚定力；
14.s6、计算沉水植物在拟恢复湖泊中可能受到的拖曳力，与测定的锚定力对比，判断沉水植物是否能在待恢复水域稳定定植。
15.优选的，所述培养容器为水泥池、塑料桶或塑料箱，所述培养用水为优于地表水iii类的自然水体的水或者是经过充分曝气的自来水，所述采样管为pc聚碳酸酯透明管，所述顶托装置由直径小于采样管内径且厚度为1cm的塑料圆片、外径小于采样管内径的pc聚碳酸酯透明管及可以封住采样管底部的橡胶塞组成，所述管架采用不锈钢材质，孔径大于采样管外径。
16.优选的，所述锚定力测定方法为：
17.(1)用软绳缠绕在植株基部；
18.(2)然后利用量程为1
‑
5n的数显式拉力计挂钩钩住软绳；
19.(3)缓慢拔出，记录植株拔出沉积物过程中的最大瞬时值，即为植株的锚定力大小，在拔出的过程中，如锚定力超过拉力计量程则更换为5
‑
20n的数显式拉力计，如仍超过拉力计量程，则更换更大量程的数显拉力计，直到可以测出锚定力。
20.优选的，所述沉水植物在特定流速下受水流拖拽的力的公式计算为：
21.f＝a*m*v
1.5
22.其中，f为植株受到的拖拽力(n)，a为植株的粗糙系数，m为植株的地上部分干重(kg)，v为水流速度(m
·
s
‑1)，流速可根据待恢复水域可能遇到的最大流速设定，如无流速数据，可以用0.6m
·
s
‑1计算(此流速为极端风暴条件下湖泊可能的流速)，当植物锚定力大于拖拽力的时候，表明该沉积物条件下沉水植物可以稳定定植，当锚定力小于拖曳力时，表明该沉积物条件下沉水植物不能稳定定植。
23.(三)有益效果
24.与现有技术相比，本发明提供了一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法，具备以下有益效果：
25.(1)方法简单，成本低，见效快；
26.(2)该方法用柱状采泥器采集沉积物培养沉水植物，而不是配置沉积物或者用抓斗采泥器采集沉积物，可以避免对沉积物的扰动，因而能够更准确的反映湖泊沉积物与植物生长和锚定的关系；
27.(3)能够通过该方法准确判定待修复水域沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长，为生态修复工程提供指导，保证工程能够顺利实施。
附图说明
28.图1为本发明提出的一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法示意图；
29.图2为本发明提出的一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法中实验例的实验结果效果图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1，图中，1为植物繁殖体、2为培养容器、3为采样管、4为顶托装置、5采样管架、6沉积物。
32.实施例一：一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法，包括以下步骤：
33.s1、用内径大于5cm的柱状采泥器采集待恢复区域的柱状沉积物，沉积物采样管高30cm，当采集的沉积物不足30cm时，用适宜大小的顶托装置将沉积物从采样管下端顶至上端距上口2cm的位置，然后将采样管放入不锈钢采样管架中；
34.s2、选择拟恢复的沉水植物繁殖体(种子、冬芽、断枝和幼苗等)种植于沉积物中，种子可直接撒播于沉积物表面，其它繁殖体种植深度为2cm；
35.s3、将不锈钢采样管架放入放置在无遮挡的户外空旷地的培养容器中，容器中水深保持在1m；
36.s4、培养周期为4周，期间连续观测植物生长情况，期间如繁殖体不能萌发生长或植物中途死亡，则表明该沉积物不适宜该种沉水植物生长，如果植物最终生物量大于种植时的起始生物量则表明植物能够生长；
37.s5、对于能够生长的植物，在收获时测定其锚定力；
38.s6、计算沉水植物在拟恢复湖泊中可能受到的拖曳力，与测定的锚定力对比，判断沉水植物是否能在待恢复水域稳定定植。
39.其中，所述培养容器为水泥池、塑料桶或塑料箱，所述培养用水为优于地表水iii类的自然水体的水或者是经过充分曝气的自来水，所述采样管为pc聚碳酸酯透明管，所述顶托装置由直径小于采样管内径且厚度为1cm的塑料圆片、外径小于采样管内径的pc聚碳酸酯透明管及可以封住采样管底部的橡胶塞组成，所述管架采用不锈钢材质，孔径大于采样管外径。
40.此外，所述锚定力测定方法为：
41.(1)用软绳缠绕在植株基部；
42.(2)然后利用量程为1n的数显式拉力计挂钩钩住软绳；
43.(3)缓慢拔出，记录植株拔出沉积物过程中的最大瞬时值，即为植株的锚定力大小，在拔出的过程中，如力超过拉力计量程则更换为5n的数显式拉力计，如仍超过拉力计量程，则更换更大量程的数显拉力计，直到可以测出锚定力。
44.同时，所述沉水植物在特定流速下受水流拖拽的力的公式计算为：
45.f＝a*m*v
1.5
46.其中，f为植株受到的拖拽力(n)，a为植株的粗糙系数，m为植株的地上部分干重(kg)，v为水流速度(m
·
s
‑1)，流速可根据待恢复水域可能遇到的最大流速设定，如无流速数据，可以用0.6m
·
s
‑1计算(此流速为极端风暴条件下湖泊可能的流速)，常见沉水植物的粗糙系数可参见文献schutten j，davy a j.predicting the hydraulic forces on submerged macrophytes from current velocity，biomass and morphology[j].oecologia，2000，123(4)：445
‑
452，当植物锚定力大于拖拽力的时候，表明该沉积物条件下沉水植物可以稳定定植，当锚定力小于拖曳力时，表明该沉积物条件下沉水植物不能稳定定植。
[0047]
具体操作时，将采集来的原位柱状沉积物从采样管底部用顶托塑料塞从采样管下端顶至上端距上口2cm左右的位置，另外再用采样管架固定采样管，每个采样管中分别种上一株植物繁殖体，最后将管架放入培养容器中。
[0048]
实施例二：一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法，包括以下步骤：
[0049]
s1、用内径大于5cm的柱状采泥器采集待恢复区域的柱状沉积物，沉积物采样管高30cm，当采集的沉积物不足30cm时，用适宜大小的顶托装置将沉积物从采样管下端顶至上端距上口3cm的位置，然后将采样管放入不锈钢采样管架中；
[0050]
s2、选择拟恢复的沉水植物繁殖体(种子、冬芽、断枝和幼苗等)种植于沉积物中，种子可直接撒播于沉积物表面，其它繁殖体种植深度为3cm；
[0051]
s3、将不锈钢采样管架放入放置在无遮挡的户外空旷地的培养容器中，容器中水深保持在1.2m；
[0052]
s4、培养周期为8周，期间连续观测植物生长情况，期间如繁殖体不能萌发生长或植物中途死亡，则表明该沉积物不适宜该种沉水植物生长，如果植物最终生物量大于种植时的起始生物量则表明植物能够生长；
[0053]
s5、对于能够生长的植物，在收获时测定其锚定力；
[0054]
s6、计算沉水植物在拟恢复湖泊中可能受到的拖曳力，与测定的锚定力对比，判断沉水植物是否能在待恢复水域稳定定植。
[0055]
其中，所述培养容器为水泥池、塑料桶或塑料箱，所述培养用水为优于地表水iii类的自然水体的水或者是经过充分曝气的自来水，所述采样管为pc聚碳酸酯透明管，所述顶托装置由直径小于采样管内径且厚度为1cm的塑料圆片、外径小于采样管内径的pc聚碳酸酯透明管及可以封住采样管底部的橡胶塞组成，所述管架采用不锈钢材质，孔径大于采样管外径。
[0056]
此外，所述锚定力测定方法为：
[0057]
(1)用软绳缠绕在植株基部；
[0058]
(2)然后利用量程为5n的数显式拉力计挂钩钩住软绳；
[0059]
(3)缓慢拔出，记录植株拔出沉积物过程中的最大瞬时值，即为植株的锚定力大小，在拔出的过程中，如力超过拉力计量程则更换为20n的数显式拉力计，如仍超过拉力计量程，则更换更大量程的数显拉力计，直到可以测出锚定力。
[0060]
同时，所述沉水植物在特定流速下受水流拖拽的力的公式计算为：
[0061]
f＝a*m*v
1.5
[0062]
其中，f为植株受到的拖拽力(n)，a为植株的粗糙系数，m为植株的地上部分干重(kg)，v为水流速度(m
·
s
‑1)，流速可根据待恢复水域可能遇到的最大流速设定，如无流速数据，可以用0.6m
·
s
‑1计算(此流速为极端风暴条件下湖泊可能的流速)，常见沉水植物的粗糙系数可参见文献schutten j，davy a j.predicting the hydraulic forces on submerged macrophytes from current velocity，biomass and morphology[j].oecologia，2000，123(4)：445
‑
452，当植物锚定力大于拖拽力的时候，表明该沉积物条件下沉水植物可以稳定定植，当锚定力小于拖曳力时，表明该沉积物条件下沉水植物不能稳定定植。
[0063]
具体操作时，将采集来的原位柱状沉积物从采样管底部用顶托塑料塞从采样管下端顶至上端距上口3cm左右的位置，另外再用采样管架固定采样管，每个采样管中分别种上一株植物繁殖体，最后将管架放入培养容器中。
[0064]
实施例三：一种评估湖泊沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长的方法，包括以下步骤：
[0065]
s1、用内径大于5cm的柱状采泥器采集待恢复区域的柱状沉积物，沉积物采样管高30cm，当采集的沉积物不足30cm时，用适宜大小的顶托装置将沉积物从采样管下端顶至上端距上口2.5cm的位置，然后将采样管放入不锈钢采样管架中；
[0066]
s2、选择拟恢复的沉水植物繁殖体(种子、冬芽、断枝和幼苗等)种植于沉积物中，种子可直接撒播于沉积物表面，其它繁殖体种植深度为2.5cm；
[0067]
s3、将不锈钢采样管架放入放置在无遮挡的户外空旷地的培养容器中，容器中水深保持在1.1m；
[0068]
s4、培养周期为6周，期间连续观测植物生长情况，期间如繁殖体不能萌发生长或植物中途死亡，则表明该沉积物不适宜该种沉水植物生长，如果植物最终生物量大于种植时的起始生物量则表明植物能够生长；
[0069]
s5、对于能够生长的植物，在收获时测定其锚定力；
[0070]
s6、计算沉水植物在拟恢复湖泊中可能受到的拖曳力，与测定的锚定力对比，判断沉水植物是否能在待恢复水域稳定定植。
[0071]
其中，所述培养容器为水泥池、塑料桶或塑料箱，所述培养用水为优于地表水iii类的自然水体的水或者是经过充分曝气的自来水，所述采样管为pc聚碳酸酯透明管，所述顶托装置由直径小于采样管内径且厚度为1cm的塑料圆片、外径小于采样管内径的pc聚碳酸酯透明管及可以封住采样管底部的橡胶塞组成，所述管架采用不锈钢材质，孔径大于采样管外径。
[0072]
此外，所述锚定力测定方法为：
[0073]
(1)用软绳缠绕在植株基部；
[0074]
(2)然后利用量程为2.5n的数显式拉力计挂钩钩住软绳；
[0075]
(3)缓慢拔出，记录植株拔出沉积物过程中的最大瞬时值，即为植株的锚定力大小，在拔出的过程中，如力超过拉力计量程则更换为12.5n的数显式拉力计，如仍超过拉力计量程，则更换更大量程的数显拉力计，直到可以测出锚定力。
[0076]
同时，所述沉水植物在特定流速下受水流拖拽的力的公式计算为：
[0077]
f＝a*m*v
1.5
[0078]
其中，f为植株受到的拖拽力(n)，a为植株的粗糙系数，m为植株的地上部分干重(kg)，v为水流速度(m
·
s
‑1)，流速可根据待恢复水域可能遇到的最大流速设定，如无流速数据，可以用0.6m
·
s
‑1计算(此流速为极端风暴条件下湖泊可能的流速)，常见沉水植物的粗糙系数可参见文献schutten j，davy a j.predicting the hydraulic forces on submerged macrophytes from current velocity，biomass and morphology[j].oecologia，2000，123(4)：445
‑
452，当植物锚定力大于拖拽力的时候，表明该沉积物条件下沉水植物可以稳定定植，当锚定力小于拖曳力时，表明该沉积物条件下沉水植物不能稳定定植。
[0079]
具体操作时，将采集来的原位柱状沉积物从采样管底部用顶托塑料塞从采样管下端顶至上端距上口2.5cm左右的位置，另外再用采样管架固定采样管，每个采样管中分别种上一株植物繁殖体，最后将管架放入培养容器中。
[0080]
实验例：评估南昌大学双枫湖沉积物是否适宜沉水植物黑藻的锚定和生长，具体操作包括下列步骤：
[0081]
(1)用柱状采泥器采集南昌大学双枫湖某点沉积物3份，采样管为30cm，当沉积物不足30cm时，用顶托装置将沉积物从采样管下端顶至上端距上口2
‑
3cm左右的位置，用橡胶塞封住采样管下端，然后将采样管放入不锈钢采样管架中，重复上述步骤，直至取样数能代表待恢复区域的沉积物情况。
[0082]
(2)每一取样点的3份沉积物，挑选3株生长良好，生物量相近，长势一致的黑藻顶枝10cm长种植于采样管中底泥的表层2
‑
3cm深，继而将采样管架放入南昌大学生物园水泥池内，放置水深为100cm，水泥池中的水为经曝气的自来水，光为自然光照；同时另取10株相同大小的黑藻，60℃烘干至恒重，计为种植黑藻的初始生物量。
[0083]
(3)黑藻在水泥池中培养6周，期间每个一周观测一次植物生长情况，期间如某位点沉积物中种植的黑藻死亡，则表明该位点沉积物不适宜黑藻的生长；6周后如果收获的黑藻的最终生物量大于种植时的起始生物量则表明黑藻在该位点沉积物中能够生长。
[0084]
(4)对于存活的黑藻，在收获时测定其锚定力，锚定力测定方法为：
[0085]
用软绳缠绕在植株基部，然后利用量程为1
‑
5n的数显式拉力计挂钩钩住软绳；缓慢拔出，记录植株拔出沉积物过程中的最大瞬时值，即为植株的锚定力大小；在拔出的过程中，如力超过拉力计量程则更换为5
‑
20n的数显式拉力计。
[0086]
(5)判断沉水植物是否能在待恢复水域稳定定植：
[0087]
沉水植物在特定流速下受水流拖拽的力的公式计算为：
[0088]
f＝a*m*v
1.5
[0089]
f为植株受到的拖拽力(n)，a为植株的粗糙系数，m为收获时植株的地上部分干重(kg)，v为水流速度(m
·
s
‑1)，由于南昌大学双枫湖无可用的最大流速，此时流速用0.6m
·
s
‑1计算，从文献schutten j，davy a j.predicting the hydraulic forces on submerged macrophytes from current velocity，biomass and morphology[j].oecologia，2000，123(4)：445
‑
452中查得与黑藻形态类似的伊乐藻的粗糙系数为1362，可根据上述公式和测得的黑藻地上部分生物量计算出黑藻受到的拖曳力，当黑藻锚定力大于拖拽力的时候，表
明该沉积物条件下沉水植物可以稳定定植，当锚定力小于拖曳力时，表明该沉积物条件下沉水植物不能稳定定植。
[0090]
结合(3)和(5)的结果，可得知双枫湖哪些位点适合黑藻生长和稳定定植，为后续的生态修复工程提供指导，具体实验的结果如图2所示。
[0091]
本发明的有益效果是：
[0092]
(1)方法简单，成本低，见效快；
[0093]
(2)用柱状采泥器采集未经扰动的原位柱状沉积物培养沉水植物，而不是配置沉积物或者用抓斗采泥器采集的混合的沉积物，因而能够更准确的反应沉积物与植物生长和锚定的关系；
[0094]
(3)能够通过该方法准确判定待修复水域沉积物是否适宜沉水植物锚定和生长，为生态修复工程提供指导，保证工程能够顺利实施。
[0095]
尽管已经出示和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。