一种原位观测近自然湿地水位波动过程中测量植物根际痕量气体的装置及方法

摘要

本发明公开一种原位观测近自然湿地水位波动过程中测量植物根际痕量气体的装置，包括并列依次设置的水位观测区、缓冲区和试验区，其中，所述水位观测区、缓冲区和试验区相互独立，且在水位观测区和缓冲区之间，以及缓冲区和试验区之间均设有排水系统；所述试验区内设有根系观测平台。本发明还提供一种原位观测近自然湿地水位波动过程中测量植物根际痕量气体的方法，包括以下步骤：（1）构建或利用预先构建好的测量单元（2）培养待测植物；（3）水位调控；（4）测量。本发明涉及的装置可为了解水生植物根系-沉积物界面动态痕量气体的动态提供直接的技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护领域，涉及一种湖泊及河流水位频繁波动后，水生植物根际沉积物中微量气体分布测试方法，特别是涉及地下水位波动过程中根系分泌氧气和氧化亚氮的在根系内部-根表-根际沉积物连续体中分布测试方法。

背景技术

我国地跨多个地貌阶地和气候带，塑就了湖泊数量众多、分布较广、类型复杂的总体格局。在全国2693个湖泊（面积大于1.0 km²）中有这样一类湖泊水位变幅大（年绝对变幅在1.70~ 15.41 m）、露滩期较长（最长达305天）、露滩面积比重大（最大时占68.9%）的大型浅水湖泊群，它们主要分布在长江中下游地区。对湖泊水情而言，水深是表述水位状况的一个有效量度，其尺度的大小也直接反映湖底或沉积物的受水程度。随着水深梯度的增加，水压影响氧气的吸收及流动，进而通过影响湿地植物的组织结构来限制其生长发育。同时，水深梯度也影响水生植物的生境因子，如沉积物的温度、氧化还原状态及水下光强等，进而影响湿地植物的分布。水深变化影响湿地植物地上部分与地下部分之间，包括茎与根、叶与根之间的生物量分配的平衡关系，以及营养生长与生殖生长之间的这种平衡。水位变化对湖滨带湿地植物生长发育具有重要影响，其对水深梯度的响应影响其生态环境功能的发挥及其根际微环境的生物地球化学过程。

目前，有关水位波动对植物根系影响的测试技术或相应设备还是鲜见报道。针对植物根系生理生态监测的方法主要包括两种：一种为破坏性采样，直接从土体中移除植物根系，然后水冲洗的办法获得植物根系样品和植物根际的沉积物等样品，进而测定植物生理生态指标，另一种为间接法采样，也即通过水培或沙培的方式，在营养液中培养植物，然后通过有机玻璃直接观测根系的生长和测定植物生理生态指标。上述破坏性采样技术方法无法满足水位波动下对植物根系的长期连续原位观测，而水培及沙培等方法与实际湖滨带实际环境条件差异较大，相应成果只能部分解释植物的根系活动状况。随这技术的发展，急需发展一种新的设备和技术方法，既能模拟湖滨带湿地近自然状况，又能满足水位波动对植物根系的连续的原位监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题既能模拟湖滨带湿地近自然状况，又能满足水位波动对植物根系的连续的原位监测，提供一种观测浅层地下水位升降过程对湿地植物根系影响的连续原位测定装置，并提供一种科学、准确及精细刻画出水位波动下根系溶解氧、反硝化速率动态变化的测定系统装置及监测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种原位观测近自然湿地水位波动过程中测量植物根际痕量气体的装置，包括并列依次设置的水位观测区、缓冲区和试验区，其中，所述水位观测区、缓冲区和试验区相互独立，且在水位观测区和缓冲区之间，以及缓冲区和试验区之间均设有排水系统；所述试验区内设有根系观测平台。

根据本发明的装置中，因为根系生长过程中自身代谢氧气和氧化亚氮气体、且其分泌速率易受环境条件影响，在缓冲区填充有能够过滤掉实验过程中地下水位调节时外源添加水中溶解性的氧气、氧化亚氮等杂质气体的填料，防止其混入试验区的根区部分。在水位调控时，在水位观测区根据试验需要通过添加或移除试验用水的方法达到目的。添加的试验用水通过装置底部的排水系统到达缓冲区，经过缓冲区的填料预处理后满足沉积物孔隙水的特殊物化条件后经底部的排水系统最终到达试验区。在试验区生长的植物随水位波动根系生理生态特性也相应进行适应性调整，其根系的某些特征如泌氧速率和反硝化速率可通过试验区根系观测平台利用测试电极直接测定被固定在样品架上植物根系相应指标获得数据。本系统可实现在水位波动整个动态过程中植物根系生理生态反应的精确测定。

另外，本发明的装置还具有以下附加技术特征：

优选的，所述水位观测区、缓冲区和试验区的底面处在一个水平面上。

优选的，所述水位观测区内添加有水，所述水的高度为-100~150 cm，优选为-40~120cm。本发明提供的水位调控范围-100~150 cm (以沉积物表面为基准，负值代表水位低于沉积物表面即地下水埋藏深度)。大多水生植物根系生长在-80~120 cm水深范围内，且其根系多集中于距地表20~ 40 cm深的土层内，所以优选的水位调控范围为-40~120cm。

优选的，该装置由PVC有机玻璃制成或钢化玻璃制成。

优选的，所述水位观测区包括标注有刻度的观测井和溢流孔，所述观测井设在所述水位观测区的上方，所述溢流孔设在所述水位观测区的底部或侧面。在实验过程中可通过添加水量和底部溢流孔两者间的平衡来精确控制观测井中水位的高低。

优选的，所述缓冲区的下层填充为陶粒，上层覆盖活性组分和硅藻土的混合物，其中各组分的重量份数为：活性组分:硅藻土:陶粒＝5~25份:20~50份:15~40份；当测定植物根系氧气时，缓冲区活性组分为FeSO₄，当测定根系氧化亚氮时，其活性成分为氧化铝。进一步优选的，所述硅藻土为过20~100目硅藻土，陶粒为粒径分布在1~10mm；优选的，所述下层的陶粒从下至上粒径分布逐渐由大变小。活性组分选择随植物根部观测指标变化而定向选择；其比例组成随沉积物的淹水条件不同进行调整。

优选的，所述排水系统主要由两个排水孔和半渗透膜组成，所述排水孔直径为0.5~3cm，设在所述缓冲区的底部两端相同的高度，所述半渗透膜覆盖在所述排水孔上；所述半渗透膜滤膜允许小分子有机物、溶解态离子自由通过，而不允许大分子有机物通过；所述半渗透膜滤膜优选其材质为聚醚砜膜或醋酸纤维膜。排水系统起着联通试验区及水位观测区间的侨联作用，保持水位观测区、缓冲区和试验区相同的淹水条件，也即同水位一致，同时保障水分及溶解性物质在三个区域自由扩散。

优选的，所述根系观测平台包括一个载物台和若干根系固定夹；所述载物台主要由圆形的骨架和内置网组成，所述内置网覆盖在所述骨架表面，所述根系固定夹设置在所述内置网的表面；优选的，所述骨架材料一般采用PVC或不锈钢材料制成，所述内置网采用尼龙网、白纱布材料制作；优选的，所述骨架形状为圆形或椭圆形；优选的，所述骨架的表面积为试验区底部截面积的1/4~1/3，载物台高度距离试验区底部20~30cm；所述根系固定夹由3~5个直径为3~5mm的圆形夹子组成，夹子表层覆盖3~5mm薄层海绵。由此可知，所述根系固定夹其作用是固定待测根系，薄层海绵可以以尽量减小夹子固定过程中对根系的物理损伤。测样时植物根系样品舒展开后平铺于内置网上，并用根系固定夹将根系固定。然后按照植物根系内部-根表-根际沉积物空间分布顺序测定根系分泌氧气、氧化亚氮气体动态。

本发明另外提供一种原位观测近自然湿地水位波动过程中测量植物根际痕量气体的方法，包括以下步骤：

（1）构建或利用预先构建好的测量单元：并列依次设置相互独立的水位观测区、缓冲区和试验区，在水位观测区和缓冲区之间，以及缓冲区和试验区之间均设有排水系统；所述试验区内设有根系观测平台；根据待测植物根系生长条件，在试验区平铺完全混匀的沉积物，在缓冲区填充有能够过滤掉实验过程中地下水位调节时外源添加水中溶解性的氧气、氧化亚氮等杂质气体的填料；在水位观测区填充有水；

（2）培养待测植物；

（3）培养过程中维持待测植物所需水位，如需水位调控，在水位观测区添加或移除试验用水达到所需水位高度；

（4）测量时，首先在试验区轻轻扒开根表的沉积物，选择根部生长良好的细根作为实验材料，并小心地将其舒展后平铺于根系观测平台上，并将根系固定；然后将校正的溶解氧针电极利用三维控制器上电动马达调节至芦苇细根表面，然后将沉积物轻轻回填到根表；在水位观测区调控水位变化，待植物和沉积物稳定适应10~24h后，利用电动马达按照内退法对芦苇细根的根尖部分进行穿刺试验，具体为将穿刺的溶氧针电极首先从根表内退至距根表1cm~2cm左右范围，然后以步长20~50μm速度逐步按照根际沉积物-根表-根内这样一个顺序进行穿刺测定，即可得到不同水位下植物根际痕量气体的分布特征。

本发明的有益效果：经反复试验表明：（1）由本发明提供的原位观测水位波动过程中湿地植物根际痕量气体分布的方法，可直观准确地观测水位波动状况以及植物根系生理生态指标变化。装置中缓冲区部分最大程度地过滤掉实验过程中地下水位调节时外源添加水中溶解性的氧气、氧化亚氮等杂质气体，防止其混入试验区的根区部分（因为根系生长过程中自身代谢氧气和氧化亚氮气体、且其分泌速率易受环境条件影响）。（2）利用本发明的方法可精确测定植物根尖部位根内-根表-根际沉积物这一连续体痕量气体的分布状况。从技术上解决了水位波动过程中根部气体原位精确测定的难点，对获取根部氧化还原异质环环境效应提供直接的证据。（3）本发明涉及的装置可为了解水生植物根系-沉积物界面动态痕量气体的动态提供直接的技术支撑。

该装置通过装置底部侧渗渗和缓冲过滤的方式供给水源，与普通装置地下水位控制装置相比，减少表层直接注水对沉积物的冲击作用，其次在供水过程中有效保障水中溶解氧等杂质的有效剔除，使外部供水中携带的气体与根系自身代谢的气体有效隔绝。另外本发明涉及的测试方法满足湿地植物根系痕量气体连续和精确测定的要求，相应的方法可推广到根际H₂、H₂S、NO等气体及根际氮磷营养盐等物质的监测。

附图说明

图1. 本发明模拟的近自然湿地水位波动过程中测定水生植物根系痕量气体的系统装置结构示意图；

图1中各部分依次为：1.沉积物，2.载物台的骨架，3.内置网，4.根系固定夹，5.陶粒，6.溢流孔，7.硅藻土和FeSO₄的混合物（或硅藻土和Al₂O₃），8.带刻度的观测井，9.试验区，10.缓冲区，11.水位观测区，12.排水孔。

图2a. 利用本发明系统装置原位测定芦苇生长期间（60天）水深为-20cm时根尖部分进行穿刺试验中根内-根表-根际沉积物氧气分布图；

图2b. 图2a中根内、根表溶解氧浓度分布图；

图3a. 利用本发明系统装置原位测定芦苇生长期间（60天）水深为40cm时根尖部分进行穿刺试验中根内-根表-根际沉积物氧化亚氮分布图；

图3b. 图3a中根内、根表氧化亚氮浓度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和通过实施例子对本发明提供的原位观测水位波动过程中湿地植物根际痕量气体分布的方法作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施实例1：水位波动过程中芦苇根系溶解氧的动态

如图1所示，本实施例所用的装置如下：

本装置由由PVC有机玻璃制成，分隔成并列依次设置的水位观测区11、缓冲区10和试验区9，其中，所述水位观测区11、缓冲区10和试验区9相互独立且三者的底面处在一个水平面上。在水位观测区11和缓冲区10之间，以及缓冲区10和试验区9之间均设有排水系统。排水系统主要由两个排水孔12和半渗透膜组成，所述排水孔12直径为1.5cm，设在所述缓冲区10的底部两端相同的高度，所述半渗透膜覆盖在所述排水孔12上。所述半渗透膜滤膜其材质为聚醚砜膜，允许小分子有机物、溶解态离子自由通过，而不允许大分子有机物通过。

所述水位观测区11内添加有水，所述水的高度为40 cm。水位观测区11包括标注有刻度的观测井8和溢流孔6，观测井8设在所述水位观测区11的上方，所述溢流孔6设在所述水位观测区11的侧面。

所述缓冲区10的下层填充为陶粒5，上层覆盖活性组分和硅藻土的混合物，其中各组分的重量份数为：活性组分FeSO₄:硅藻土:陶粒＝8份:30份:62份。所述硅藻土为过20~100目硅藻土，陶粒为粒径分布在1~10mm。

所述试验区9内设有根系观测平台，根系观测平台包括一个载物台和若干根系固定夹4；所述载物台主要由圆形的骨架2和内置网3组成，所述内置网3覆盖在所述骨架2表面，所述根系固定夹4设置在所述内置网3的表面；优选的，所述骨架材料一般采用PVC或不锈钢材料制成，所述内置网3采用尼龙网制作；优选的，所述骨架2形状为圆形或椭圆形；优选的，所述骨架2的表面积为试验区9底部截面积的1/3，载物台高度距离试验区9底部20cm；所述根系固定夹4由3个直径为5mm的圆形夹子组成，夹子表层覆盖5mm薄层海绵。

本实施例具体包括如下步骤：

（1）    实验材料预处理。首先在实验开始前，对缓冲区10的填充材料进行预处理，其中a. 陶粒清洗和浸湿处理具体做法为先用流动的水反复冲洗陶粒，然后将其置于水中完全浸泡24h。 b.硅藻土粉碎。硅藻土原材料进行粉碎，过筛后收集20~100目的组分备用。然后按照大粒径陶粒、细颗粒陶粒、硅藻土和FeSO₄的混合物7的顺序填充缓冲区10的基质材料。当观测区水样流经缓冲区10基质材料处理后，过滤掉水样中携带溶解氧、可溶性有机物等。保障水位波动过程中植物根系泌氧活动主要受制于淹水条件的影响，而不受其他因素交互作用的影响。

（2）    试验区9水生植物定植及培养。在试验区9平铺完全混匀的沉积物60cm，待沉积物1性质稳定后，以带芦苇休眠芽地下茎为繁殖体定植。在3月中旬从湖滨带湿地采集芦苇根茎，切成约2～3cm的小节，每小节带一个休眠芽，等间隔移栽至试验区9根系观测平台(种植密度为20株/m²)，使休眠芽大约位于土表以下5cm处。芦苇的发芽在无淹水层的条件下进行，在芦苇发芽成苗后逐步灌水至设计水位。植物每隔一天灌水以维持水位，在植物生长期间水深上下波动误差小于3cm。

（3）    在芦苇生长60天后，进行水位波动过程中根系泌氧的调控试验。如测定水位为-20cm时（水位低于沉积物1表面为负，高于沉积物1表面为正）芦苇根系溶解氧的分布。首先在试验区9轻轻扒开根表的沉积物1，选择根部生长良好的细根作为实验材料，并用根系固定夹4小心地将其固定在根系观测平台上。然后将校正的溶解氧针电极（尖端直径10μm，丹麦Unisense公司）利用三维控制器上电动马达调节至芦苇细根表面，然后将沉积物1轻轻回填到根表。在水位观测区11通过装置中水位观测井8底部溢流孔6调控水位由原来的20cm至-20cm（地下水位低于沉积物1表面40cm），芦苇及沉积物1稳定适应24h后，利用电动马达按照内退法对芦苇细根的根尖部分进行穿刺试验，具体为将穿刺的溶氧针电极首先从根表内退至距根表1cm~2cm左右范围，然后以步长50μm速度逐步按照根际沉积物-根上表面-根内-根下表面-根际沉积物这样一个顺序进行穿刺测定。测定具体结果如下图2即为水深在-20cm时测定根尖穿刺试验过程中一个氧气分布剖面图。

（4）    利用观测区添加水量和底部溢流孔6来调控不同水位。水位范围可从-40cm~150cm，其具体溶解氧的测定按照本实例的步骤3.方法进行。待试验测定结束后，如图2a、2b所示，即可得到不同水位下芦苇根系溶解氧的分布特征。

实施实例2：水位波动过程中芦苇根系氧化亚氮的动态

本实施例使用装置同实施例1，具体包括如下步骤：

（1）    实验材料预处理。首先在实验开始前，对缓冲区的填充材料进行预处理，其中a. 陶粒清洗和浸湿处理具体做法为先用流动的水反复冲洗陶粒，然后将其置于水中完全浸泡24h。 b.硅藻土粉碎。 硅藻土原材料进行粉碎，过筛后收集20~100目的组分备用。然后按照大粒径陶粒、细颗粒陶粒、Al₂O₃和硅藻土混合物的顺序填充缓冲区的基质材料。通过观测区来调整试验区水位，当观测区添加的水样流经缓冲区基质材料处理后，滤掉水样中携带溶解性无机氮、可溶性有机物等。保障水位波动过程中植物根系反硝化活动主要受制于淹水条件的影响，而不受其他因素交互作用的影响。

（2）    试验区水生植物定植及培养。在试验区平铺完全混匀的沉积物60cm左右，待沉积物性质稳定后，以带芦苇休眠芽地下茎为繁殖体定植。在3月中旬从湖滨带湿地采集芦苇根茎，切成约2～3cm的小节，每小节带一个休眠芽，等间隔移栽至试验区根系观测平台(种植密度为20株/m²)，使休眠芽大约位于土表以下5cm处。芦苇的发芽在无淹水层的条件下进行，在芦苇发芽成苗后逐步灌水至设计水位。植物每隔一天灌水以维持水位，在植物生长期间水深上下波动误差小于3cm。

（5）    在芦苇生长60天后，进行水位波动过程中根系泌氧的调控试验。首先轻轻扒开根表的沉积物，选择根部生长良好的细根作为实验材料，并用夹子小心地将其固定在根系观测平台上。然后将校正的氧化亚氮针电极（尖端直径10μm，丹麦Unisense公司）利用三维控制器上电动马达调节至芦苇细根表面，然后将沉积物轻轻回填到根表。在水位观测区通过装置底部溢流孔调控水位由原来的20cm至40cm（地下水位高于沉积物-水界面40cm），芦苇及沉积物稳定适应10~24h 后，利用微量注射器向根表沉积物质中注射10%乙炔饱和溶液（用10% C₂H₂和90%Air的混合气体向去离子水中曝气即获得10%的C₂H₂饱和溶液），沉积物稳定2~3h后，利用电动马达按照内退法对芦苇细根的根尖部分进行穿刺试验，具体为将穿刺的氧化亚氮针电极首先从根表内退至根表1cm~2cm左右范围，然后以步长20μm速度逐步按照根际沉积物-根上表面-根内-根下表面-根际沉积物这样一个顺序进行穿刺测定。测定具体结果如下图3即为水深为40cm时下测定根尖穿刺试验过程中一个氧化亚氮分布剖面图。

利用观测区添加水量和底部溢流孔来调控不同水位。水位范围可从-40cm~150cm，其具体溶解氧的测定按照本实例的步骤3.方法进行。待试验测定结束后，如图3a、3b所示，即可得到不同水位下芦苇根系溶解氧的分布特征。