[发明专利]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

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。