本發(fā)明涉及根際箱試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種植物根際箱及其在濕地植物根際微域研究方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

人工濕地作為一種重要的污水生態(tài)處理技術(shù)，在其應(yīng)用價(jià)值被人們關(guān)注的同時(shí)，濕地中植物和微生物在污染物消減過程中的作用也備受關(guān)注。植物根際是根-土界面微生態(tài)系統(tǒng)的核心內(nèi)容與物質(zhì)基礎(chǔ)。一方面，濕地植物根對(duì)氧的分泌作用和呼吸作用使得根區(qū)有氧區(qū)域與缺氧區(qū)域同時(shí)存在，為根區(qū)的好氧、兼氧和厭氧微生物提供了各自的小環(huán)境，使不同微生物都能發(fā)揮各自的作用；另一方面，植物根系巨大的表面積為微生物提供了寄宿之處，使植物根際微生物數(shù)量明顯多于周圍土壤。如何還原濕地植物根際微環(huán)境以及精準(zhǔn)的對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采樣成為焦點(diǎn)。

目前，對(duì)濕地微生物的研究，往往采用直接挖取濕地填料的采樣方法。Fernandes等(2015)研究人工濕地對(duì)抗生素去除過程中濕地微生物的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果顯示，有無(wú)種植蘆葦?shù)臐竦叵到y(tǒng)中微生物無(wú)顯著性差異。但其采樣時(shí)沒有區(qū)分是否為根區(qū)土壤，是導(dǎo)致這一結(jié)果的可能性之一。Zhao等(2015)研究種植不同植物的濕地系統(tǒng)三氯生脅迫下的微生物群落變化，也未說明具體采集基質(zhì)方法。這些傳統(tǒng)的對(duì)人工濕地基質(zhì)的研究無(wú)法區(qū)分根際土壤和非根際土壤，采樣點(diǎn)更是難以精準(zhǔn)定位到植物根際的微界面，導(dǎo)致無(wú)法辨別濕地植物對(duì)微生物的影響。

在植物根際研究領(lǐng)域，Reichel等(2015)研究了受不同濃度磺胺嘧啶污染的植物根際與非根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及與相關(guān)酶的活性。其中根際土壤采用抖落植物根系附著土壤的方法，劃分不夠明確。近年來(lái)，根箱法成為一種廣泛接受且比較有效的根際土收集方法。何艷等(2006)將根-土界面按不同毫米級(jí)微域范圍劃分，對(duì)五氯酚(PCP)的降解行為進(jìn)行了細(xì)致研究。Yang等(2013)利用垂直型根際箱研究受Cd污染土壤的植物不同根區(qū)微生物差異變化。但傳統(tǒng)的根箱大多為研究土壤根際效應(yīng)的靜態(tài)根際箱，不能真實(shí)模擬濕地的動(dòng)態(tài)水流模式，從而無(wú)法還原濕地植物根際微域環(huán)境。

因此，開發(fā)可以原位監(jiān)測(cè)和研究濕地植物根際微域環(huán)境的根際箱裝置，對(duì)于研究濕地植物生理生化特征、根際微生物群落結(jié)構(gòu)與功能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)人工濕地基質(zhì)研究的傳統(tǒng)方法無(wú)法區(qū)分根際土壤和非根際土壤；土壤采樣難以精準(zhǔn)到植物根際的微界面；傳統(tǒng)的根際箱大多為靜態(tài)根際箱的技術(shù)不足，提供一種植物根際箱。

本發(fā)明解決的另一技術(shù)問題是提供所述植物根際箱在濕地植物根際微域研究方面的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

提供一種植物根際箱，包括箱體，所述箱體內(nèi)部空間由若干根際隔板插片間隔為不同根際微域分區(qū)單元，所述箱體的上部設(shè)置有布水單元，所述箱體上還設(shè)有水位調(diào)控單元；箱體的底部設(shè)有排水裝置。

優(yōu)選地，所述根際微域分區(qū)單元為根區(qū)、近根區(qū)、遠(yuǎn)根區(qū)和非根區(qū)。

優(yōu)選地，所述水位調(diào)控單元包括集水槽和水位調(diào)節(jié)管，所述集水槽設(shè)于箱體的下部并連通所述排水裝置收集根際箱的出水；所述水位調(diào)節(jié)管的一端連通接集水槽，另一端為開口，可用于對(duì)根際箱的反沖洗。

優(yōu)選地，集水槽采用有機(jī)玻璃材質(zhì)。

優(yōu)選地，水位調(diào)節(jié)管采用透明的有機(jī)玻璃管。

優(yōu)選地，所述箱體的排水結(jié)構(gòu)為設(shè)置于箱體底板上的滲濾孔。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述滲濾孔對(duì)應(yīng)每個(gè)不同的根際微域分區(qū)單元分布。

優(yōu)選地，所述滲透孔為圓孔。優(yōu)選孔徑范圍為1～3mm。

優(yōu)選地，所述箱體為透明的無(wú)蓋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)箱體的可視化和易操作。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述箱體由有機(jī)玻璃板制成。所述箱體不限定尺寸，可根據(jù)植物特征確定。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述箱體為正方體或長(zhǎng)方體。

優(yōu)選地，所述箱體相對(duì)兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)置有固定結(jié)構(gòu)，所述根際隔板插片經(jīng)固定結(jié)構(gòu)固定于箱體內(nèi)。

如果箱體為正方體，那么所述根際隔板插片與箱體的橫截面等大。

如果箱體為長(zhǎng)方體，那么所述根際隔板插片與其所面對(duì)方向的箱體的橫截面等大。

優(yōu)選地，所述固定結(jié)構(gòu)為設(shè)置于箱體內(nèi)壁上的凹槽。所述根際隔板插片兩側(cè)分別插入凹槽，經(jīng)由凹槽固定。

所述布水單元包括儲(chǔ)水裝置、水泵、布水管，布水管設(shè)有滴頭，所述布水管連接水泵，水泵將儲(chǔ)水裝置中的水抽送到布水管，水經(jīng)由滴頭滴入所述箱體內(nèi)。

優(yōu)選地，所述滴頭為可調(diào)控流量滴頭。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述布水單元還包括電源定時(shí)器，通過電源定時(shí)器控制系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)出水。

優(yōu)選地，所述箱體相對(duì)的兩側(cè)側(cè)壁上邊沿設(shè)有卡槽，所述布水管固定于卡槽。

優(yōu)選地，所述根際隔板插片上均勻分布孔，優(yōu)選所述孔為圓孔的孔徑范圍為0.5～1.5cm，其目的是確保水分和微生物的自由移動(dòng)。其中，所述插片遠(yuǎn)離植物的一面粘有尼龍網(wǎng)。優(yōu)選所述尼龍網(wǎng)為300目(孔徑40μm)，面積與根際隔板插片相等，蓋住根際隔板插片上的圓孔。尼龍網(wǎng)的作用是阻止植物根系穿過，將植物根系局限在根區(qū)S0的區(qū)間里。根際隔板插片的作用是支撐尼龍網(wǎng)，不讓尼龍網(wǎng)在土壤和基質(zhì)的壓力下變形，維持不同根區(qū)的分布。

優(yōu)選地，所述根際隔板插片采用PVC板制成。

本發(fā)明根際箱的設(shè)計(jì)在充分避免植物根系組織生長(zhǎng)進(jìn)入相鄰根區(qū)的基質(zhì)、實(shí)現(xiàn)各根區(qū)間彼此物理分隔的同時(shí)，又確保了水分、微生物及根系分泌物等的根區(qū)遷移活動(dòng)。

本發(fā)明同時(shí)提供所述根際箱在濕地植物根際微域研究方面的應(yīng)用。

具體地，所述應(yīng)用的方法包括以下步驟：

S1.在根際箱的箱體的底部鋪上網(wǎng)狀材料(尼龍網(wǎng))；在對(duì)應(yīng)位置插入所述根際隔板插片，形成根區(qū)、近根區(qū)、遠(yuǎn)根區(qū)和非根區(qū)等根際微域分區(qū)單元；在根區(qū)預(yù)留空間，用于植物的種植；

S2.在鋪好的網(wǎng)狀材料上均勻裝入基質(zhì)；

所述基質(zhì)可以為單一基質(zhì)、分層基質(zhì)或混合基質(zhì)。優(yōu)選地，所述單一基質(zhì)或混合基質(zhì)或分層基質(zhì)可為土壤、沙礫、礫石或陶粒及其組合。根據(jù)箱體大小和研究需要，以不堵塞滲濾孔為原則，選擇土壤、沙礫、礫石或陶粒等單一基質(zhì)或混合基質(zhì)或分層基質(zhì)均勻裝入根際箱各區(qū)域中。

S3.設(shè)定電源定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)間，控制系統(tǒng)進(jìn)出水；

S4.通過調(diào)整根區(qū)、近根區(qū)、遠(yuǎn)根區(qū)和非根區(qū)等根際微域分區(qū)單元的間隔，精確觀察和研究離根系不同距離和/或根區(qū)土壤和/或間隙水中養(yǎng)分、污染物和/或微生物的差異變化。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明首次提供了一種植物根際箱，所述根際箱包括箱體、根際微域分區(qū)單元、布水單元、水位調(diào)控單元，具有以下特點(diǎn)：

1.根際箱裝置具有可拆卸性，可重復(fù)利用。

2.采用根際隔板插片設(shè)計(jì)，避免取樣對(duì)根際基質(zhì)的擾動(dòng)，并能精確研究距離根系不同位置土壤以及根際土壤。

3.采用的根際隔板插片為整塊塑料板，實(shí)現(xiàn)各室間彼此物理分隔，阻止植物根系阻止進(jìn)入相鄰根區(qū)，又確保了水分、微生物及根系分泌物等的遷移活動(dòng)，且整塊塑料板比傳統(tǒng)回字形插片抗壓性更強(qiáng)，不易在植物生長(zhǎng)過程中遭受擠壓形變。

4.水位管采用透明有機(jī)玻璃圓管制成，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)水位的可視化；可調(diào)節(jié)裝置內(nèi)水位，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地植物水淹生境的動(dòng)態(tài)模擬。

5.可利用注射器或洗耳球，通過水位管頂部接頭12，實(shí)現(xiàn)反沖洗，避免根箱底板小孔堵塞。

所述根際箱克服了傳統(tǒng)研究方法無(wú)法區(qū)分根際土壤和非根際土壤；土壤采樣難以精準(zhǔn)到植物根際的微界面以及傳統(tǒng)的根際箱多為靜態(tài)的技術(shù)缺陷，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的濕地植物根際箱，具有應(yīng)用前景。

本發(fā)明同時(shí)提供了所述濕地植物根際箱在濕地植物根際微域研究方面的應(yīng)用?；谒鰸竦刂参锔H箱可模擬人工濕地運(yùn)行環(huán)境，能真實(shí)的模擬濕地植物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)水淹生境，實(shí)現(xiàn)濕地植物根際基質(zhì)毫米級(jí)微域的分隔，準(zhǔn)確方便地對(duì)不同根際微域開展采樣和原位監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明采用根際隔板插片的設(shè)計(jì)，可以原位采集濕地植物不同根際區(qū)域基質(zhì)樣品，精確研究離根系不同距離以及根區(qū)土壤和間隙水中養(yǎng)分、污染物及微生物的差異變化；可免去傳統(tǒng)土壤切片采樣方式對(duì)土壤的擾動(dòng)和不精確問題，實(shí)現(xiàn)不破壞原有生境、連續(xù)運(yùn)行多次取樣，簡(jiǎn)化取樣的方法和步驟，避免了人為不可控因素；可以原位監(jiān)測(cè)不同根際區(qū)域的物理性質(zhì)，如O2含量等。

附圖說明

圖1植物根際箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2植物根際箱側(cè)向結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3植物根際箱俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4根際隔板插片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5濕地植物根際微域的根際箱裝置不同根區(qū)O₂含量曲線圖。

圖注：1箱體；2根際隔板插片；3根際隔板插片圓孔；4滲濾孔；5尼龍網(wǎng)；6集水槽；7排水閥；8活接頭；9水位調(diào)節(jié)管；10布水細(xì)管；11可調(diào)節(jié)滴頭；12接頭；13基質(zhì)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。下述實(shí)施例和附圖僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。除非特別說明，下述實(shí)施例中使用的試劑原料為常規(guī)市購(gòu)或商業(yè)途徑獲得的試劑原料。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種植物根際箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1至圖3所示。

本實(shí)施例所述根際箱，包括箱體1，所述箱體1內(nèi)部空間由若干根際隔板插片2間隔為不同根際微域分區(qū)單元，所述箱體1的上部設(shè)置有布水單元，所述箱體1上還設(shè)有水位調(diào)控單元；箱體的底部設(shè)有排水裝置。

本實(shí)施例中，每個(gè)箱體1由8片根際隔板插片來(lái)實(shí)現(xiàn)離植物根系不同距離區(qū)域的分離，將根際箱分為根區(qū)S₀：20mm、近根區(qū)S₁：0～3mm、S₂：3～8mm、遠(yuǎn)根區(qū)S₃：8～40mm及非根際S₄。

如圖2所示，所述水位調(diào)控單元包括集水槽6和水位調(diào)節(jié)管9，所述集水槽6設(shè)于箱體1的下部并連通所述排水裝置收集根際箱的出水；所述水位調(diào)節(jié)管9的一端連通接集水槽6，另一端為開口，可用于對(duì)根際箱箱體的反沖洗。

集水槽6可采用有機(jī)玻璃材質(zhì)。水位調(diào)節(jié)管9采用透明的有機(jī)玻璃管。

所述箱體1的排水結(jié)構(gòu)為設(shè)置于箱體底板上的滲濾孔4。進(jìn)一步地，所述滲濾孔4對(duì)應(yīng)每個(gè)不同的根際微域分區(qū)單元均勻分布。

所述滲透孔可設(shè)計(jì)為圓孔?？讖椒秶鸀?～3mm，優(yōu)選2mm。

所述箱體1為透明的無(wú)蓋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)箱體的可視化和易操作。

所述箱體1采用有機(jī)玻璃板制成。所述箱體不限定尺寸，可根據(jù)植物特征確定。為方便說明，本實(shí)施例提供的根際箱的設(shè)計(jì)參數(shù)如下所述：箱體尺寸(200mm*200mm*200mm)，設(shè)計(jì)為三個(gè)箱體一組的平行實(shí)驗(yàn)裝置，采用透明有機(jī)玻璃板制成，板厚8mm。但并不因此限定本發(fā)明范圍，基于本發(fā)明設(shè)計(jì)思想，本領(lǐng)域根據(jù)植物的特征調(diào)整根際箱尺寸是允許的。實(shí)際運(yùn)行過程中需要時(shí)用錫箔紙避光。

所述箱體1可以為正方體或長(zhǎng)方體。如果箱體1為正方體，那么所述根際隔板插片2與箱體1的橫截面等大。如果箱體1為長(zhǎng)方體，那么所述根際隔板插片2與其所面對(duì)方向的箱體1的橫截面等大。

所述箱體1相對(duì)兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)置有固定結(jié)構(gòu)，所述根際隔板插片經(jīng)固定結(jié)構(gòu)固定于箱體1內(nèi)。

優(yōu)選地，所述固定結(jié)構(gòu)為設(shè)置于箱體內(nèi)壁上的凹槽(圖中未標(biāo)示，參照常規(guī))。所述根際隔板插片2兩側(cè)分別插入凹槽，經(jīng)由凹槽固定。

所述布水單元包括儲(chǔ)水裝置(圖中未標(biāo)示，參照常規(guī))、水泵(圖中未標(biāo)示，參照常規(guī))、布水管，布水管設(shè)有滴頭，所述布水管10連接水泵，水泵將儲(chǔ)水裝置中的水抽送到布水管，水經(jīng)由滴頭11滴入所述箱體1內(nèi)。

所述滴頭11為可調(diào)控流量滴頭。

所述布水單元還包括電源定時(shí)器(圖中未標(biāo)示，參照常規(guī))，通過電源定時(shí)器控制系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)出水。

所述箱體1相對(duì)的兩側(cè)側(cè)壁上邊沿設(shè)有卡槽，所述布水管固定于卡槽。

所述根際隔板插片2上均勻分布圓孔，所述孔為圓孔的孔徑范圍為0.5～1.5cm，其目的是確保水分和微生物的自由移動(dòng)。其中，所述插片遠(yuǎn)離植物的一面粘有尼龍網(wǎng)。優(yōu)選所述尼龍網(wǎng)為300目(孔徑40μm)，面積與根際隔板插片相等，蓋住根際隔板插片上的圓孔。尼龍網(wǎng)的作用是阻止植物根系穿過，將植物根系局限在根區(qū)S0的區(qū)間里。根際隔板插片的作用是支撐尼龍網(wǎng)，不讓尼龍網(wǎng)在土壤和基質(zhì)的壓力下變形，維持不同根區(qū)的分布。

如圖4所示，板面均勻開9*9個(gè)圓孔，孔直徑10mm，塑料板一面粘有尼龍網(wǎng)。所述的尼龍網(wǎng)的孔徑為300目(40μm)。

所述根際隔板插片2可采用PVC板制成。

本發(fā)明根際箱的設(shè)計(jì)在充分避免植物根系組織生長(zhǎng)進(jìn)入相鄰根區(qū)的基質(zhì)、實(shí)現(xiàn)各根區(qū)間彼此物理分隔的同時(shí)，又確保了水分、微生物及根系分泌物等的根區(qū)遷移活動(dòng)。

本發(fā)明的基質(zhì)填充方式：在根際箱底部均勻填充5cm厚直徑0.5～1cm礫石，主體部分填入約13cm粒徑≦1mm的過篩河砂。

本實(shí)施例的植物選擇方法是：選用生長(zhǎng)良好且大小一致的濕地植物燈芯草幼苗，用自來(lái)水小心洗凈以去除附著在根部的土壤和衰老植物碎屑，移植入根際箱的根室S₀區(qū)域。每個(gè)根區(qū)種植三株。

本發(fā)明的運(yùn)行方式是：在植物生長(zhǎng)培育階段，通過定時(shí)器調(diào)節(jié)進(jìn)水時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，并且保持各根際箱液面高度一致；在實(shí)驗(yàn)階段，調(diào)節(jié)為間歇運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)滴頭均勻進(jìn)水，所有裝置保持液面高度一致，水力停留時(shí)間HRT＝7d，期間以添加蒸餾水來(lái)補(bǔ)足蒸發(fā)量。所述的進(jìn)水為人工配制生活污水。

本發(fā)明的采樣方式是：打開排水閥，先放出約200mL水樣，視為滲濾槽和水位管中殘留無(wú)效樣品，再關(guān)閉閥門，用50mL注射器在接口往外抽氣，使內(nèi)部間隙水迅速向滲濾槽流下，打開閥門，采取混合水樣。

采集砂礫樣品時(shí)，先小心將表層基質(zhì)撥開，再用長(zhǎng)柄藥勺，挖取不同區(qū)間基質(zhì)樣品。

實(shí)施例2濕地根際根際箱的應(yīng)用實(shí)施

采用實(shí)施例1所述根際箱，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)植物對(duì)污染物去除情況：共進(jìn)行四次監(jiān)測(cè)，設(shè)置三個(gè)平行裝置。水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的水樣化學(xué)分析方法分析，包括化學(xué)需氧量(COD_Cr)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH₄⁺-N)、硝氮(NO₃^--N)。測(cè)定結(jié)果如表1所示。

所述根際箱不同根區(qū)O₂含量：采用PreSens溶氧微探頭對(duì)O₂含量進(jìn)行原位測(cè)定，結(jié)果如下圖5所示。

表1根際箱試驗(yàn)裝置對(duì)污染物的去除情況(n＝3)