用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱及其使用方法与流程

本发明涉及水环境生态修复技术领域，尤其涉及一种用于沉水植物培育和植物根际微区磷等元素DGT原位测试的根箱装置及其使用方法。

背景技术：
目前，我国已有80％以上的湖泊受到了污染，水体富营养化日趋严重，已成为当前亟待解决的一大环境问题，为此，水体治理与水环境生态修复技术应运而生。根据水体治理及修复原理的不同，可将该技术分为物理法、化学法和生物-生态法三大类，其中，生物-生态修复技术因其成本低、环境效益高及修复效果好而逐渐发展成为水环境污染治理的主要技术手段。在生物-生态修复技术中，作为浮游藻类在营养物质及水能利用上的竞争者，沉水植物能有效抑制浮游藻类的生长，同时还能吸收水体中的氮、磷等营养物质，起到去除污染物、加速有机物分解的作用，因此，以沉水植物为主体的水生植物修复技术是当前本领域的热点研究方向。现有技术中，用于种植沉水植物的方法主要有(1)叉子种植法：利用带叉的竹竿叉住沉水植物的颈部并叉入水中；(2)抛种法：通过人工在静水中将沉水植物抛入到水中；(3)渐沉式种植法：将沉水植物种植在承载体上，承载体通过与之配合的升降调节装置控制沉水植物在水中下沉的深度。针对上述种植方法，由于被污染水体的可见度较差，当人位于移动的船上时，叉子种植法和抛种法都无法准确地控制沉水植物的种植密度，且流动的水体还会影响抛种法所种植的植株位置，导致植株沉入水底后会产生倾斜甚至平倒在水底，从而影响沉水植物的成活；而渐沉式种植法因沉水植物通常栽培在种植装置底部的培养基料上，培养基料的阻隔使得河床附近的水和底泥内的溶氧量降低，导致厌氧性微生物的繁殖，严重影响水体修复效果，并且现有的种植装置一般还需向水体中添加混合菌种以形成生物膜来对水体进行修复，但这种生物膜的净化针对性弱，对污染物的处理效果较差，外源菌种的引入也不利于水体修复，况且种植装置的结构复杂，成本较高，难以推广应用，因此就迫切需要对现有的渐沉式种植装置进行结构改进。另外，由于根际是作物根系与土壤进行养分和能量交换的重要区域，是土壤微生物最活跃的场所，是受作物根系生长影响同时又影响作物养分的吸收与转运的特定区域，因此，根际微区一直是国内外土壤学、植物营养学、农学等多学科研究的焦点，揭示沉水植物根际微区磷迁移和磷的生物有效性是恢复与重建沉水植被中必须解决的关键科学问题，而目前对于这方面的研究仍相对较为薄弱。虽然薄膜扩散梯度技术(DGT)可用于土壤中的植物根部对磷的吸收动力学、磷在植物根际/空隙水/沉积物之间的迁移转化特征、预测植物根区磷生物有效性和植物的磷含量的DGT指示器等方面的研究，但迄今为止，DGT从未对沉水植物的根际微区进行过测试，也未能用于研究根际区域对磷等元素的吸收机制和生物可用性。鉴于此，如何将沉水植物根际微区的DGT测试与其根箱种植装置相结合，以实现直接在根箱中对沉水植物根际微区进行DGT原位测试，从而获得更符合实际情况的磷等元素在根际区域界面的迁移特征及根部吸收机制的DGT参数和各相如植物、沉积物、空隙水和DGT中的磷等元素浓度，是真正掌握沉水植物根区对磷等元素吸收和水生态修复机制的关键，也是本研究领域技术人员尚未解决的一个技术难题。

技术实现要素：
本发明所解决的技术问题在于克服现有的沉水植物种植装置所存在的结构复杂、水体修复效果差、无法进行DGT原位测试的缺陷，进而提供一种结构简单、水体修复效果好且可进行DGT原位测试的用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱及其使用方法。为此，本发明实现上述目的的技术方案为：一种用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱，包括：箱体，在所述箱体内设置有第一滤网和第二滤网，所述第一滤网位于所述第二滤网的上方，所述第一滤网和所述第二滤网将所述箱体的内腔分隔成由下至上依次设置的下层腔室、中层腔室和上层腔室；其中，所述上层腔室的顶部开口，在所述第一滤网上设置若干供沉水植物的茎部穿过的通孔；所述中层腔室用于培育所述沉水植物的根部，在所述中层腔室的侧壁上设置有供DGT、沉积物取样器通过的检测口；所述下层腔室的底部安装有第三滤网。所述中层腔室与所述下层腔室的高度之比为1:1～2:1。所述第一滤网和所述第三滤网的孔径均小于用于培育所述沉水植物的沉积物的粒度；所述第一滤网、第二滤网和第三滤网均由玻璃纤维制成。还包括DGT安放装置，所述DGT安放装置包括输送杆，在所述输送杆的两端部分别设置夹具和按钮，沿所述输送杆的长度方向设置连接所述夹具和按钮的弹簧机械装置。还包括沉积物取样器，其为不带针头的塑料注射器，用于抽取根际沉积物样品；在位于所述第一滤网中部的所述通孔中设置用于检测根际微区pH值、Eh值及温度的探头。在所述箱体的侧壁外部沿高度方向设置纵向标尺；在所述输送杆上沿所述输送杆的长度方向设置有刻度。还包括一对吊耳，所述一对吊耳固定设置在所述箱体顶部的相对的侧壁上；还包括密封盖，所述密封盖设置于所述检测口的外部。上述根箱的使用方法，包括如下步骤：(1)向所述下层腔室和所述中层腔室中加入沉积物，将所述沉水植物的根部种植在所述中层腔室中，并使所述沉水植物的茎部穿过所述通孔延伸至所述上层腔室中；(2)将所述根箱固定在建造于所研究水域内的浮台上，使所述根箱的顶部距离水面0.5～1m；(3)待所述沉水植物在所述浮台中培育一段时间后，对所述沉水植物的根际微区进行测试，所述测试的步骤包括：S1、从所述浮台上取出所述根箱；S2、将系有细线的圆形DGT夹持在所述DGT安放装置的夹具上，经所述检测口将所述圆形DGT送入所述中层腔室的根际沉积物中，按压所述按钮以将所述圆形DGT放置于所述根际沉积物中，取出所述DGT安放装置，并将所述细线的末端置于所述检测口外；S3、再将放置有所述圆形DGT的根箱固定于所述浮台中，以使所述圆形DGT在所述沉水植物的根际微区进行原位测试，待所述原位测试完成后，拉动所述细线即可取出所述圆形DGT。所述沉积物由如下方法制得：采集总磷含量为3000mg/Kg的湖泊底泥，风干；采集未受污染水域的湖沙，风干；将风干后的湖泊底泥与湖沙按质量比1:14～14:1的比例混匀，即得所述沉积物。所述圆形DGT的放置位置与所述检测口之间的距离等于所述检测口在所述第一滤网上的投影与所述通孔的中心之间的距离；在步骤(3)中所述测试还包括对根际沉积物进行取样的步骤，具体为：在进行所述步骤S2之前，将所述沉积物取样器经所述检测口插入所述中层腔室的根际沉积物中，抽取根际沉积物即可；还包括将所述用于检测根际微区pH值、Eh值及温度的探头插入至所述中层腔室的根际沉积物中。本发明的上述技术方案具有如下优点：1、本发明提供的用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱，通过采用两个滤网将其箱体内腔分隔成由下至上依次设置的下层腔室、中层腔室和上层腔室，并将沉水植物的根部培育在中层腔室中，从而有效地将根际微区的沉积物与无根沉积物明显区分开，同时本发明的根箱装置在其中层腔室的侧壁上设置有供DGT、沉积物取样器通过的检测口，有利于实现DGT对磷等元素在植物根际/沉积物界面迁移过程的原位、准确测定，并且还能获得完整的植物根部特征，如此便能够更真实地揭示沉水植物根部对磷等元素的动力学吸收机制和对营养化湖泊水体的生态修复功能。并且，为了便于进行DGT原位测试，需要将本发明的根箱装置固定在浮台上，又加之为了真实地模拟沉积物/水/植物界面的元素迁移和物质交换的目的，故而本发明在中层腔室的下方设置了下层腔室，并在下层腔室内也装填了沉积物。2、本发明提供的用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱，通过在其箱体的侧壁外部沿高度方向设置纵向标尺、并在输送杆上沿输送杆的长度方向设置刻度，以有利于精准地确定探头和DGT的安放位置，从而更准确地实现对沉水植物根际微区的测试。此外，本发明的根箱装置还具有结构简单、植物成活率高、水体修复效果好及能用于磷等元素生物有效性评估的优点。3、本发明所述的根箱的使用方法，通过将所述沉水植物的根部种植在所述中层腔室的沉积物中，并使所述沉水植物的茎部穿过所述通孔延伸至所述上层腔室中，同时将根箱顶部设置在距离水面0.5～1m处，一方面能够为沉水植物的成活提供所需的光照和养分，有利于提高沉水植物的成活率，另一方面避免了根箱附近水环境中的溶氧量的降低，并且由于采用本发明的根箱培育沉水植物时无需额外添加菌种，从而能够确保沉水植物对水体的修复效果。另外，本发明的根箱使用方法能够同步实现对沉水植物的培育和根际微区DGT的原位测试，具有操作简便、易于大规模推广的优点。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明的根箱装置的结构示意图；图2为本发明中的DGT安放装置的结构示意图。其中，附图标记如下所示：1-箱体；2-第一滤网；3-第二滤网；4-下层腔室；5-中层腔室；6-上层腔室；7-通孔；8-检测口；9-第三滤网；10-输送杆；11-夹具；12-按钮；13-圆形DGT；14-吊耳；15-沉水植物。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。实施例1如图1所示，本实施例所述的用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱，包括：箱体1，在所述箱体1内设置有第一滤网2和第二滤网3，所述第一滤网2位于所述第二滤网3的上方，所述第一滤网2和所述第二滤网3将所述箱体1的内腔分隔成由下至上依次设置的下层腔室4、中层腔室5和上层腔室6；其中，所述上层腔室6的顶部开口，在所述第一滤网1上设置有3个可供沉水植物的茎部穿过的通孔7；所述中层腔室5用于培育所述沉水植物的根部，在所述中层腔室5的侧壁上设置有供DGT和沉积物取样器通过的检测口8；所述下层腔室4的底部安装有第三滤网9；在本实施例中，整个根箱是由不透明PVC塑料制成，其为一内径为26cm、高为50cm的圆柱体，所述下层腔室4与所述中层腔室5的高度均为15cm，所述第一滤网2和所述第三滤网9的孔径均为28μm，小于用于培育所述沉水植物的沉积物的粒度，所述第二滤网3的孔径为1mm，且本实施例中的所述第一滤网2、第二滤网3和第三滤网9均由玻璃纤维制成。本实施例中的根箱装置通过将沉水植物的根部培育在中层腔室中，有效地将根际微区的土壤与无根土壤明显区分开，同时本发明的根箱装置在其中层腔室的侧壁上设置有供DGT、沉积物取样器通过的检测口，有利于实现DGT对磷等元素在植物根际/沉积物界面迁移过程的原位、准确测定，如此便能够更真实地揭示沉水植物根部对磷等元素的动力学吸收机制和对营养化湖泊水体的生态修复功能。此外，本发明的根箱装置还具有结构简单、植物成活率高及水体修复效果好的优点。本实施例中的根箱的使用方法，包括如下步骤：(1)在云南洱海富营养化程度较高的区域中采集总磷含量为3000mg/Kg的湖泊底泥，风干；采集未受污染的水质较好水域的湖沙，风干；将风干后的湖泊底泥与湖沙分别按质量比为1:14～14:1的比例混匀，获得具有总磷浓度梯度的一系列沉积物14份；(2)向所述根箱的下层腔室和中层腔室中加入步骤(1)的沉积物，每个所述根箱中加入1份沉积物，将穗状狐尾藻的根部种植在所述中层腔室中，并使穗状狐尾藻的茎部穿过所述通孔延伸至所述上层腔室中；(3)将所述根箱固定在建造于洱海上关水生植物实验基地的浮台上，使所述根箱的顶部距离水面0.5m；(4)待穗状狐尾藻在所述浮台中培育一个生长周期后，对穗状狐尾藻的根际微区进行测试，所述测试的步骤包括：S1、从所述浮台上取出所述根箱；S2、将系有细线的圆形DGT夹持在所述DGT安放装置的夹具上，经所述检测口将所述圆形DGT送入所述中层腔室的根际沉积物中，按压所述按钮以将所述圆形DGT放置于所述根际沉积物中，取出所述DGT安放装置，将所述细线的末端置于所述检测口外；S3、再将放置有所述圆形DGT的根箱固定于所述浮台中，以使所述圆形DGT在穗状狐尾藻的根际微区进行原位测试，待所述原位测试完成(一般需要24小时)后，拉动所述细线即可取出所述圆形DGT。本实施例所述的根箱的使用方法，通过将穗状狐尾藻的根部种植在所述中层腔室的根际沉积物中，并使穗状狐尾藻的茎部穿过所述通孔延伸至所述上层腔室中，同时将根箱顶部设置在距离水面0.5m处，一方面能够为沉水植物穗状狐尾藻的成活提供所需的光照和养分，有利于提高沉水植物的成活率，另一方面避免了根箱附近水环境中的溶氧量的降低，并且由于采用本发明的根箱培育穗状狐尾藻时无需额外添加菌种，从而能够确保穗状狐尾藻对水体的修复效果。另外，本实施例的根箱使用方法能够同步实现对穗状狐尾藻的培育和根际微区DGT的原位测试，具有操作简便、易于大规模推广的优点。实施例2如图1所示，本实施例所述的用于沉水植物培育和根际微区DGT测试的根箱，包括：箱体1，在所述箱体1的侧壁外部沿高度方向设置纵向标尺，在所述箱体1内设置有第一滤网2和第二滤网3，所述第一滤网2位于所述第二滤网3的上方，所述第一滤网2和所述第二滤网3将所述箱体1的内腔分隔成由下至上依次设置的下层腔室4、中层腔室5和上层腔室6；其中，所述上层腔室6的顶部开口，在所述第一滤网1上设置5个可供沉水植物的茎部穿过的通孔7，并在位于所述第一滤网1中部的所述通孔7中设置用于检测根际微区pH值、Eh值及温度的探头；所述中层腔室5用于培育所述沉水植物的根部，在所述中层腔室5的侧壁上设置有供DGT和沉积物取样器通过的检测口8，在所述检测口8的外部设置有密封盖；所述下层腔室4的底部安装有第三滤网9；DGT安放装置，请参见图2，包括输送杆10，在所述输送杆10上沿所述输送杆10的长度方向设置有刻度，在所述输送杆10的两端部分别设置夹具11和按钮12，沿所述输送杆10的长度方向设置连接所述夹具11和按钮12的弹簧机械装置；一对吊耳14，所述一对吊耳14固定设置在所述箱体1顶部的相对的侧壁上。在本实施例中，整个根箱是由不透明PVC塑料制成，其为一内径为26cm、高为50cm的圆柱体，所述下层腔室4与所述中层腔室5的高度分别为15cm、30cm，所述第一滤网2和所述第三滤网9的孔径均为28μm，小于用于培育所述沉水植物的沉积物的粒度，第二滤网3的孔径为1mm，且本实施例中的所述第一滤网2、第二滤网3和第三滤网9均由玻璃纤维制成。本实施例所用的探头为5-Star便携式pH/Eh的电极探头(热电奥立龙公司，美国)和土壤温度数据采集器的探头(无锡高诚精密仪器有限公司)。本实施例中的根箱的使用方法，包括如下步骤：(1)在云南洱海富营养化程度较高的区域中采集总磷含量为3000mg/Kg的湖泊底泥，风干；采集未受污染的水质较好水域的湖沙，风干；将风干后的湖泊底泥与湖沙分别按质量比为14:1～1:14的比例混匀，获得具有总磷浓度梯度的一系列沉积物14份；(2)向所述根箱的下层腔室和中层腔室中加入步骤(1)的沉积物，每个所述根箱中加入1份沉积物，将穗状狐尾藻的根部种植在所述中层腔室中，并使穗状狐尾藻的茎部穿过所述通孔延伸至所述上层腔室中；将所述用于检测根际微区pH值、Eh值及温度的探头插入至所述中层腔室的根际沉积物中；(3)在所述一对吊耳14上设置缆绳，通过所述缆绳将所述根箱固定在建造于洱海上关水生植物实验基地的浮台上，使所述根箱的顶部距离水面1m；(4)待穗状狐尾藻在所述浮台中培育一个生长周期后，对穗状狐尾藻的根际微区进行测试，所述测试的步骤包括：S1、从所述浮台上取出所述根箱，打开所述密封盖；S2、将沉积物取样品经所述检测口插入所述中层腔室的根际沉积物中，抽取根际沉积物，得根际沉积物样品；S3、将系有细线的圆形DGT夹持在所述DGT安放装置的夹具上，经所述检测口将所述圆形DGT送入所述中层腔室的根际沉积物中，按压所述按钮以将所述圆形DGT放置于所述根际沉积物中，并确保所述圆形DGT的放置位置与所述检测口之间的距离等于所述检测口在所述第一滤网上的投影与所述通孔的中心之间的距离；而后取出所述DGT安放装置，将所述细线的末端置于所述检测口外，关闭所述密封盖；S4、再将放置有所述圆形DGT的根箱固定于所述浮台上，以使所述圆形DGT在穗状狐尾藻的根际微区进行原位测试，待所述原位测试完成后，拉动所述细线即可取出所述圆形DGT。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。