一种用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置及方法

1.本发明涉及一种用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置及方法，属于生态学科学研究技术领域。


背景技术：

2.水分再分配作为一种异质性高、复杂的生物物理过程，普遍存在于森林、草原、沙地和农田等各类生态系统，土壤中的可溶性养分随水分向上或向下运动实现再分配，影响生物地球化学循环过程。因此，再分配作用对生态系统的水分流动和养分流动具有重要的作用，研究人员往往通过控制实验结合同位素标记等技术手段来研究再分配发生的量级和走向，并将其结合到生态系统模型中，从而更准确地研究和预测生态系统的水分动态和养分动态，因此，需要一种能够实现上述目的的控制实验装置。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种能够定量研究水分和/或养分向下再分配的控制实验装置，适用于研究不同土壤类型、不同植物类型和多种小型生态系统模拟条件下的水分再分配过程、养分再分配过程、土壤水分流动和养分流动等，可以获取土壤水分再分配比率、土壤氮素等养分再分配比率等精确数据，为准确研究和预测生态系统的水分动态和养分动态提供科学依据。
4.本发明所提供的用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置，包括生态系统模拟单元和底座；
5.所述生态系统模拟单元设于所述底座的上部，且两者之间设有底托；
6.所述底座内于所述底托的下部设有一集液器，所述集液器的底部连接一集液管，所述集液管的另一端通过所述底座的侧壁上设置的集液管导孔延伸至所述底座的外部。
7.上述的控制实验装置中，所述生态系统模拟单元为一圆柱筒体，用于根据实验需求模拟小型生态系统，如种植植物、培育土壤结皮、盛装各种类型土壤等；
8.其外壁可以选用pvc、钢化玻璃、透明树脂等各种材料；
9.管径可以根据实验需求自由调节，优选10cm～50cm。
10.上述的控制实验装置中，所述底托的作用主要有：1)分隔生态系统模拟单元和底座；2)根据实验需求防止生态系统模拟单元中的土壤进入底座内；3)根据实验需求过滤某些物质，如生物残体、土壤杂质等；4)根据实验需求吸收某些离子，如铵根离子、硝根离子等；
11.因此，所述底托的材质可以选用土工布、土工膜、排水板、过滤网和/或滤膜。
12.上述的控制实验装置中，所述集液器为一集液漏斗；
13.所述集液漏斗与所述底座一体成型；
14.所述底座和所述集液器的材质均为pvc、钢化玻璃、透明树脂、无机玻璃、有机玻璃或塑料。
15.上述的控制实验装置中，所述控制实验装置还包括一与所述集液管配合的集液瓶，用于收集从所述底座中收集到的土壤渗漏液体，方便更换，同时可以带刻度实时展示渗漏液体的体积。
16.利用本发明装置研究水分和/或养分向下再分配时，可按照下述步骤进行：
17.s1、将待研究的生态系统置入所述控制实验装置中的所述生态系统模拟单元中；
18.s2、将所述控制实验装置置于实验样地内，将水分和/或养分施入所述生态系统模拟单元中；则在物理作用和生物作用下，水分和/或养分向下渗透，土壤渗漏液依次通过所述底托、所述集液器和所述集液管，从所述集液管的一端收集所述土壤渗漏液，经对所述土壤渗漏液进行分析即得到水分和/或养分的含量；还可以获得水分和或/氮素等养分的组成等重要数据；
19.所述养分为氮素等大量元素或钙、铁等少量元素；
20.采用喷壶喷施水分和/或养分。
21.本发明提供的实验装置具有以下优点：
22.(1)用途多，可以开展不同土壤类型(壤土、沙土等)、不同植物类型(草本、灌木、乔木等)和小型生态系统(如小乔木
‑
草本植物群落、单一草本群落等)的水分和养分再分配研究。
23.(2)准确度高，一体成型的集液漏斗能够保障上部生态系统单元中的土壤渗漏液体得到全面、准确地收集。
24.(3)可调节，底托的材料和构成可以根据实验需求灵活调节，如果仅需要隔离土壤，可以选用粗布；如果需要阻根，可以选用土工布；如果需要过滤，可以选用过滤网；如果需要定向筛选离子，可以有针对性地选用滤膜。
附图说明
25.图1为本发明用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置的结构示意图(分解)。
26.图2为本发明用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置中带集液漏斗的底座的结构示意图。
27.图3为本发明用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置应用时的示意图。
28.图4为采用本发明控制实验装置进行氮素再分配研究的结果。
29.图中各标记如下：
30.1生态系统模拟单元、2底托、3底座、3
‑
1集液漏斗、3
‑
2集液管导孔、4集液管、5集液瓶。
具体实施方式
31.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
32.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
33.如图1所示，本发明提供的用于水分和/或养分再分配研究的控制实验装置包括生态系统模拟单元1、底座3、底托2和集液瓶5。生态系统模拟单元1设于底座3的上部，且两者之间设置底托3，底座3内于底托2的下部设有一集液漏斗3
‑
1，如图2所示，集液漏斗3
‑
1与底
座3一体成型。集液漏斗3
‑
1的底部出口连接集液管4，集液管4的另一端通过底座3的侧壁上设置的集液管导孔3
‑
2延伸至底座3的外部，并与集液瓶5配合。
34.本发明中，生态系统模拟单元1为一个圆柱筒体，用于根据实验需求模拟小型生态系统，如种植植物、培育土壤结皮、盛装各种类型土壤等；其外壁可以选用pvc、钢化玻璃、透明树脂等各种材料；管径可以根据实验需求自由调节，优选10cm～50cm。
35.本发明中，底托2的材质可以选用土工布、土工膜、排水板、过滤网和/或滤膜，具体可根据如下作用进行选择：1)分隔生态系统模拟单元和底座；2)根据实验需求防止生态系统模拟单元中的土壤进入底座内；3)根据实验需求过滤某些物质，如生物残体、土壤杂质等；4)根据实验需求吸收某些离子，如铵根离子、硝根离子等；
36.本发明中，底座3和集液漏斗3
‑
1的材质均为pvc、钢化玻璃、透明树脂、无机玻璃、有机玻璃或塑料。
37.利用本发明实验装置进行研究时，可按照下述步骤进行：
38.利用本发明实验装置在浑善达克沙地开展氮沉降对沙地植物氮素再分配的影响研究，示意图如图3所示，其中，底托2的材质为土工布，预培养的健康黄柳植株种植于生态系统模拟单元1，设置2个处理：n0和n1(添加10g n m
‑2yr
‑1)，增加n素以
15
n同位素标记的硝酸铵(
15
nh
415
no3，丰度10％)的形式添加。每个处理设置4次重复，均采用本发明实验装置填装风沙土进行实验。
39.实验开始后，在浑善达克沙地生态研究站选取实验样地搭建阳光板遮雨棚(透光率>90％)，按实验设计将本发明实验装置安装于遮雨棚中，向生态系统模拟单元1中填装风沙土，种植固沙植物黄柳，之后用风沙土掩埋除收集瓶5以外的实验装置来模拟自然环境。
40.依据浑善达克沙地多年降水的月分布格局，在生长季6、7、8月模拟自然降水(每周浇水一次)和n沉降，n添加于生长季的每月1日进行，添加量根据近50年来的浑善达克沙地当月降水量比例进行换算。添加时依据实验设计的n添加梯度称好相应的
15
nh
415
no3溶解于水中，用喷雾器均匀喷施于生态系统模拟单元2。
41.实验过程中，分别于
15
n标记前和标记后(6月30日、7月30日、8月30日)更换集液瓶5，结果发现，6月、7月和8月底集液瓶中收集到的土壤渗漏液分别占总浇水量的5.9
±
1.0％、3.9
±
0.2％和5.7
±
1.1％。生长季结束后将生态系统模拟单元1中采集到的土壤样品和生长于生态系统模拟单元1中的固沙植物黄柳(茎干、枝条、叶片、细根)样品，带回实验室用稳定同位素质谱仪(253plus,thermo fisher scientific,germany)测定
15
n丰度(δ
15
n)，结果如图1所示。
42.由图1可以看出，利用本发明实验装置开展n添加对沙地植物氮素再分配影响取得了较好的实验效果。