一種獲取地裂縫對植物生物量影響的方法與流程
2023-09-17 09:54:35
本發明涉及一種獲取地裂縫對植物生物量影響的方法，屬於土地復墾領域。
背景技術：
採煤塌陷引起的沉陷區地表植被破壞問題已經成為國內外研究的一個重點。其中，由採煤沉陷而引起的地裂縫會對植物根系造成拉傷損害，而且地裂縫的產生會破壞地表鬆散層土壤結構，加速水分的流失，進一步對植被的生長和恢復造成不利影響。生物量是反應植物生長受影響大小的重要指標，目前地裂縫對於植被生物量的影響實驗主要通過野外採樣，但是野外實驗存在眾多不確定的環境因素，如溫度、光照、降雨等，都可能對裂縫的影響作用產生幹擾，而常規的室內盆栽實驗卻又難以模擬出地裂縫對植物的影響作用效果。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的是提供一種穩定的、不受環境幹擾的獲取地裂縫對植物生物量影響的方法。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種獲取地裂縫對植物生物量影響的方法，包括以下步驟：
1)預備一個模擬地裂縫的裝置
該裝置包括頂部敞口的箱體，在箱體中放置覆蓋箱體底部部分區域的墊塊，在箱體的一側設置有槽孔，槽孔和墊塊的邊緣共同支撐起頂板，頂板與箱體的底部之間形成中空的區域；在中空的區域中放置有用於支撐頂板的支撐柱，在位於槽孔下方的箱體的側壁上設置有用於取放支撐柱的操作窗，在箱體的側壁上可拆裝地設置有用於蓋住槽孔和操作窗的密封板；
2)在模擬地裂縫的裝置中進行植物的培養
將箱體的內部進行酒精消毒，將土壤風乾、篩去雜質、滅菌後裝入箱體中，並覆蓋墊塊和頂板；然後在土壤上澆水，自然持水一段時間；將挑選好的種子用H2O2浸泡消毒後，放入恆溫箱中催芽，然後在箱體中的土壤中按照實驗設計的行株距位置進行播種；
3)進行地裂縫模擬操作
根據所確定的地裂縫擾動模擬時間進行擾動操作，進行擾動操作時，先將箱體內部的支撐柱通過操作窗取出，然後拖動頂板將其從槽孔中拖出；擾動操作完成後，用密封板遮掩住槽孔和操作窗；
4)樣品分組
將種植的植物根據地裂縫造成的影響的程度不同分組進行參照實驗，並繼續對植物進行培養；
5)樣品採集
在預定收穫日期，將每株植物的地上部分和地下部分進行收割，清洗植物的根部，將地上部分和地下部分分別烘乾；
6)測量樣品的生物質總量
分別對樣品地上部分和地下部分的生物質量進行測量，從而得到樣品的生物質總量。
所述模擬地裂縫的裝置中的支撐柱為圓臺結構。
所述模擬地裂縫的裝置中的頂板為並排設置的兩塊，在頂板位於槽孔外的一側的邊緣設置有拉環。
所述模擬地裂縫的裝置中的密封板通過螺絲固定於箱體上。
所述模擬地裂縫的裝置中的槽孔與操作窗相連通。
所述步驟2)中，土壤澆水後，自然持水的時間為24h。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明在實驗步驟1)中製作的地裂縫模擬裝置能夠在室內模擬出地裂縫，因此進行地裂縫對植物生物量影響的實驗時可以避免溫度、光照、降雨等環境因素的影響，使得實驗結果更客觀。2、本發明在模擬地裂縫裝置進行植物培養前進行酒精消毒，因此可以將避免植物在培養過程中受到雜菌幹擾。3、本發明在進行地裂縫模擬操作時，緩慢拖動頂板將其從槽孔中拖出，因此本發明可以更實際的模擬地裂縫的形成過程，使得植物在模擬地裂縫裝置中的生長情形更貼合實際。
附圖說明
圖1是本發明的地裂縫模擬裝置正面剖視圖；
圖2是本發明的密封板的結構示意圖；
圖3是本發明的地裂縫模擬裝置俯視圖；
圖4是本發明的地裂縫模擬裝置的斜二測結構圖；
圖5是本發明的地裂縫模擬裝置左視圖；
圖6是本發明的地裂縫模擬裝置中培養植物的示意圖；
圖7是本發明的地裂縫模擬裝置中施加沉陷擾動後的示意圖；
圖8是本發明的收穫玉米的地上部分生物量的統計分析圖；
圖9是本發明的收穫玉米的地下部分生物量的統計分析圖；
圖10是本發明的收穫玉米的生物量的統計分析圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
本發明提供的一種獲取地裂縫對植物生物量影響的方法，包括以下步驟：
1)預備一個模擬地裂縫的裝置
如圖1～4所示，該模擬地裂縫的裝置包括頂部敞口的箱體1，在箱體1中放置覆蓋箱體1底部部分區域的墊塊2，在箱體1的一側設置有槽孔5，槽孔5和墊塊2的邊緣共同支撐起頂板4，頂板4與箱體1的底部之間形成中空的區域。在中空的區域中放置有用於支撐頂板4的支撐柱3。在位於槽孔5下方的箱體1側壁上設置有用於取放支撐柱3的操作窗6，在箱體1的側壁上可拆裝地設置有用於蓋住槽孔5和操作窗6的密封板7。
2)在模擬地裂縫的裝置中進行植物的培養
將箱體1的內部進行酒精消毒，將土壤風乾、篩去雜質、滅菌後裝入箱體1中，並覆蓋墊塊2和頂板4；然後在土壤上澆水，自然持水24h；將挑選好的種子用H2O2浸泡消毒後，放入恆溫箱中催芽，然後在箱體1中的土壤中按照實驗設計的行株距位置進行播種。
3)進行地裂縫模擬操作
根據實驗目的確定地裂縫擾動模擬的進行時間，在所確定的進行時間內進行擾動操作。進行擾動操作時，先將箱體1內部的支撐柱3通過操作窗6取出，然後緩慢拖動頂板4將其從槽孔5中拖出。擾動操作完成後，用密封板7遮掩住槽孔5和操作窗6。
4)樣品分組
觀察記錄地裂縫形態，將種植的植物根據地裂縫造成的影響程度不同分組進行參照實驗，繼續培養，觀察記錄植物的生長情況。
5)樣品採集
根據實驗設計的收穫日期，將每株植物的地上部分和地下部分進行收割，清洗植物的根部，將地上部分和地下部分分別烘乾。
6)測量樣品的總生物量
分別對樣品地上部分和地下部分的生物量進行測量，從而得到樣品的總生物量。
通過對樣品生物量總量的測量，可以獲知地裂縫對樣品的生長的影響程度，生物量總量越小，代表樣品根系受損越嚴重。
上述實施例中，支撐柱3為圓臺結構。
上述實施例中，頂板4為並排設置的兩塊，在頂板4位於槽孔5外的一側的邊緣設置有拉環8，其便於將頂板4拉出箱體1外。
上述實施例中，密封板7通過螺絲固定於箱體1上，防止進行地裂縫模擬操作時內部土壤從槽孔5和操作窗6流出。
上述實施例中，如圖5所示，槽孔5與操作窗6相連通，呈鏤空T型結構。槽孔5的作用是支撐頂板4，並在地裂縫模擬操作的時候將頂板4拉出箱體1外，操作窗6的作用是在進行地裂縫模擬操作時取出內部支撐柱3。
下面通過裂縫對玉米生長影響的研究方法用以說明本發明方法。
1)製作一種模擬地裂縫的裝置
此處製作的箱體1為上端開口下端密閉的結構，其尺寸為100cm×60cm×55cm，箱體1中設置有墊塊2，墊塊2的尺寸為60cm×60cm×10cm，墊塊2的底面與箱體1的底面接觸，墊塊2的三個側面分別與箱體1的三個側面接觸，墊塊2的第四個側面與箱體1的第四個側面間隔設置，在間隔區域放置有支撐柱3，其為PVC硬質材料的圓臺結構，其上設置有兩塊頂板4，其為有機玻璃材質，尺寸為45cm×30cm×0.5cm，頂板4的第一端與墊塊2接觸，頂板4的第二端穿過第四側面上的槽孔5凸出箱體1外，箱體1的第四側面上設置有操作窗6，其用於在進行地裂縫模擬操作時，取出內部的支撐柱3，槽孔5和箱體1貫通呈T型。在箱體1的第四側面上可拆卸的設置有密封板7，密封板7可以遮掩槽孔5和操作窗6，密封板7的尺寸為60cm×12cm×0.5cm。
2)在模擬地裂縫的裝置中進行玉米的培養
①玉米品種的選用。
玉米採用中國農業科學院種子公司提供的品糯28。
②土壤選用。
供試土壤為中國礦業大學(北京)微生物復墾實驗室提供的土壤，土壤基本理化性質為：
③播種培養
土壤風乾，過2mm篩除雜質。混勻後，滅菌。將模擬地裂縫的裝置清洗、酒精消毒、各裝土250kg，澆水後，自然持水24小時。挑選顆粒飽滿的品糯28玉米種子，用10％的H2O2溶液浸泡10min消毒，用去離子水衝洗乾淨，置於恆溫箱內25攝氏度催芽24h後播種。，在裝置中共設置五排，每排三穴，行株距均為20cm，其中，在墊塊2上方的土壤中播種3排共9穴，在墊塊的另一側播種2排共6穴。將種子按照布設位置埋深3-5cm，每穴3顆，之後將裝置放於溫室內培養，光照採用自然光照。待到玉米三葉一心期每穴間苗至一株。澆水通過Em50數據採集器配合EC-5水分探頭進行土壤含水量監測，控制土壤水分在最大持水量的60％-80％之間。地裂縫模擬裝置中培養玉米的示意圖如圖6。
3)進行地裂縫模擬操作
通過操作窗6將內部的支撐柱3取出，然後將頂板4通過槽孔5緩慢拉出箱體1，再然後用密封板7封堵窗口，儘量不要讓跨落土壤流出裝置外，最後，觀察記錄地裂縫形態。所產生的臺階型地裂縫上下盤落差為9.5cm，寬6cm，深度為25cm，地裂縫模擬裝置中施加沉陷擾動後的示意圖如圖7。
4)將樣品為分CK、WL、FS1、FS2、Sub組
CK組，位於墊塊2上方距離裂縫50cm。此組受影響最小，為空白對照。
WL組，位於墊塊2上方距離裂縫30cm，位於臺階型裂縫的上盤一側。在該位置，裂縫對根系的拉傷程度較弱，但裂縫引起的水分散失問題會影響該組植物的生長。
FS1組，位於墊塊2上方靠近臺階型裂縫的上盤。裂縫一側對植物根系拉傷十分嚴重，同時裂縫引起的水分散失問題會影響植物生長。
FS2組，位於臺階型裂縫的下盤。兩側均對植物根系有嚴重拉傷，同時裂縫引起的水分散失問題會影響植物生長。
Sub組，位於採空區上方，位於沉陷區，距離裂縫30cm。由於土壤有一定黏性，在沉陷擾動過程中，該位置主要受到整體下降的影響，靠近裂縫的一側會有一定的根系拉傷，但與裂縫位置相比此處根系拉傷程度相對較小。同時，該位置的土壤由於產生過沉陷擾動，也存在土壤水含量散失加劇的問題。
5)樣品採集
在玉米生長旺盛的拔節期施加沉陷擾動，將每株玉米地上部分和地下部分進行收割。用去離子水清洗玉米根部，地上部分和地下部分分別烘乾待測。
6)測量樣品的總生物量
將五個組共15個樣品的地上部分、地下部分和總生物量實測數據利用SAS軟體進行統計分析(顯著水平設置為5％)，具體數據如表1：
表1五組的生物量對比
表中數值為3個重複的平均值，表中同一列數值後的不同字母代表差異達到5％的顯著水平。
結合圖8～10中地上部分生物量、地下部分生物量和總生物量數據可以看出FS2遭受的根系損傷最為嚴重，其次為FS1組，Sub組玉米根系遭受損傷次於FS1組，WL組的根系受影響較小，CK組距離裂縫50cm，根系不受影響，及各組根系損傷程度為：FS2>FS1>Sub>WL>CK。
裂縫下盤FS2位置處的玉米受到裂縫一側的剪切力，在地裂縫形成之後，頂板4進一步拖出，土層繼續跨落，因此鬆散度大不利於水分的保持，所以FS2組中玉米的地上部分生物量和地下部分生物量均小於其他組，其中地上部分生物量和總生物量與其他處理相比均差異顯著(p<0.05)，且這一部分的玉米兩側根系位於沉陷區，土壤鬆散，土壤水分流失快，根系本身受損的植物在水分相對不足的情況下難以較好的恢復和生長。
裂縫上盤FS1位置處的玉米，不僅遭受了臺階型地裂縫的直接拉傷而且根系在沉陷過程中也受到拉傷，且由於裂縫的存在，加快了水分流失，實測生物量相對於CK對照組少5.759g/株。
Sub組雖然離裂縫相對較遠，但由於沉陷擾動是一個動態過程，在頂板4即將抽出時，整體土層產生沉陷降落，因此土壤結構破壞較小，存在著細微的小型裂縫，植物根系受到輕微的損傷，且擾動使得土壤結構鬆散度變大，保水能力減弱，因此根系輕微損傷以及水分缺失是Sub組受到的直接影響。Sub組從總生物量數據上看，略高於FS1組，低於WL組，但均未達到顯著性差異。
WL組距離裂縫的距離與Sub組相同，同樣存在著裂縫引起的水分散失問題，但由於土壤未被擾動，因此水分散失程度相對較弱，所以可以忽略根系拉傷引起的損傷。但其相對於對照CK組的地上部分生物量、地下部分生物量和生物量均更少，這說明裂縫引起根系的小程度損傷在土壤水分充足的情況下對玉米的影響不是佔有絕對主要地位的，但裂縫導致的水分缺失同樣也對植物生長有著比較大的影響。
本實施例利用模擬裝置在實驗室內完成了玉米受地裂縫影響的實驗研究。實驗結果顯示，地裂縫會引起根系的損傷和水分缺失的雙重問題。裂縫處導致玉米的根系產生嚴重損傷這會極大地影響植物的生長，同時裂縫處的水分也會加快散失對植物會造成不利影響。墊塊2上側種植的玉米距離裂縫越遠其根系損傷受到的影響程度越小，其所受影響主要為水分缺失。墊塊2下側距離裂縫較遠的Sub組的玉米的根系輕微受損使得土壤保水能力的下降導致生長受到一定影響。
本發明提出的一種獲取地裂縫對植物生物量影響的方法的原理如下：
裂縫的不同位置有著各自的擾動特性。在施加沉陷擾動時，隨著頂板4慢慢抽出，採空區上方「開切眼」的位置開始出現裂縫，隨後裂縫下盤向下跨落，形成地裂縫的上下盤，即FS1組和FS2組所在位置。
上述各實施例僅用於對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。