一种研究微塑料在植物根际迁移规律及影响根际微域的分层箱

1.本发明涉及微塑料在根际土壤中迁移扩散技术及对植物根际微生态效应的影响领域，特别涉及微塑料在植物根际的迁移及探索其对根际微生物系统影响的模拟装置。


背景技术：

2.微塑料作为一种新型污染物，普遍存在于水和土壤生态系统中，目前微塑料的检测、表征及毒理研究主要集中在海洋和淡水生态系统。而实际上，每年微塑料释放进入陆地生态系统的微塑料可能是海洋的4-23倍，微塑料通过地膜、污水污泥处理、大气沉降等方式在土壤中积累，主要包括聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)聚苯乙烯(ps)等难降解有机成分。微塑料作为非均匀的塑料颗粒混合体，其粒径范围从几微米到几毫米，形状多种多样。当微塑料在土壤中积累到一定程度，对土壤乃至整个陆地生态系统功能及生物多样性产生影响。
3.微塑料对土壤理化性质、微生物学特性及植物的影响。微塑料进入土壤后参与土壤团聚体的形成，不断影响土壤的容重、渗透性、持水量以及水稳定性等土壤理化性质。土壤的团聚体的形成主要有微生物的作用下推动，团聚体任何变化反过来影响微生物结构和功能。微塑料携带外源微生物及释放添加剂都会对土壤微生物产生胁迫。土壤酶是表征土壤微生物活性和土壤环境质量的重要指标，微塑料的存在影响多种土壤酶的活性，并且微塑料的种类、大小及类型对其影响存在较大差异。其相关作用机制需要进一步研究。
4.微塑料对植物根际微生物的影响。植物根际-土壤生态系统直接影响植物的生长和发育，目前还没有关于微塑料影响植物根际微生物机制的探讨，但是根据微塑料对土壤-微生物生态效应可以推测，微塑料对植物生长和生理的影响以及对植物根际环境土壤理化性质的改变，都可能影响到根际微生物的结构和功能。微塑料可能改变植物根性生长、阻碍水分和养分的吸收，延缓种子萌发而直接对植物生长质量产生不良影响。也可能通过被植物吸收产生生理毒性和遗传毒性。微塑料通过改变土壤特性，进而影响植物的生长。目前，微塑料对植物的影响并没有形成一致的结论，需要进一步验证。
5.目前，对植物根际微生态系统的研究，主要采用根际箱模拟植物根系近根区，远根区及非根区，以期分析植物不同根际微生物生物学特性。通过检索发现如下与本技术相关的专利文献，具体公开内容如下：1、专利文献cn211531978u公开一种分层多隔根际箱，具体为用竖直隔板将植物根系位置的土壤进行区分，用水平隔板区分不同耕层，用于研究植物根际不同距离和不同耕层的土壤环境变化特征。2、专利文献cn106688666b公开了一种植物根际箱及其在湿地植物根际微域研究方面的应用。3、专利文献cn110133200a公开了一种研究植物根际微环境的多功能根际箱装置。具体为内根际箱内设有十字布水架，内根际箱分为三层结构，依次为根区、近根区和远根区，可实现原位精准采集根际土壤。
6.通过技术及应用特征的对比，上述公开专利文献主要涉及植物根际微域研究。本专利技术的创新点在于，结合植物根际箱的优势，考虑微塑料特性，创新一种全新植物根际分层箱系统，将微塑料对植物根际微域的影响及其迁移扩散技术同时考察，提高了研究效率及成本。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，提供一种研究不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移规律及其对根际微生态系统影响的植物根际分层箱。本装置具有模拟植物生长的自然环境的功能，方便采样的分层设计，利于在不破坏植物根际的前提下采样分析人工添加不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移赋存对微生态系统的影响。同时可实时监测土壤中土样成分检测功能和土壤温湿度功能，方便检测在不同粒径的微塑料作用下不同土层的土壤的理化性质。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.一种研究不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移规律及其对根际微生态系统影响的植物根际分层箱，其特征在于，包括种植主箱体和分层隔板组成的迁移箱，所述主箱体内部空间由两组纵向隔网分割为三个不同根际分区单元体，所述主箱体的上部设置有布水单元和发光单元，箱体的底部设有集水装置、排水装置，箱体内部设有土质分析单元、温湿传感器；除主箱体外还设有迁移箱，所述迁移箱内部空间由三组横向隔层组合为四个单元体。
10.优选的，所述主箱体根际分区单元为根际区和非根际区。所述迁移箱体迁移分层单元体为微塑料层、大孔层、中孔层、小孔层。
11.优选的，所述布水单元和发光单元包括喷淋器、喷淋、led灯，所述集水装置设于箱体的下部并连排水装置收集根际箱的出水。
12.优选的，集水槽采用有机玻璃材质。
13.优选的，所述主箱体的排水结构设置于主箱体底板上的渗滤孔。进一步优选地，所述渗滤孔对应每个不同的根际分区单元分布。
14.优选的，所述主箱体的内部空间的两组纵向隔网设有渗滤孔、土质分析单元和传感器；进一步优选地，所述渗滤孔对应每个不同的根际分区单元分布。所述迁移层的内部空间设有的三组横向隔层设有不同孔径的渗滤孔、土质分析单元和传感器；进一步优选地，所述渗滤孔对应微塑料迁移分层单元分布。
15.优选的，所述主箱体渗透孔为圆孔。优选孔径范围为1～3mm。
16.优选的，所述主箱体为透明的无盖结构，实现箱体的可视化和易操作。所述迁移箱体为透明的组合结构，实现箱体的可视化和易分离。
17.进一步优选的，所述箱体由有机玻璃板制成。所述箱体不限定尺寸，可根据植物特征确定。
18.进一步优选的，所述箱体为正方体或长方体。
19.优选地，所述主箱体相对两侧内壁设置有固定结构，所述根际隔板插片经过固定结构固定于箱体内。所述迁箱相对两侧内壁设置有固定结构，所述迁移隔层经固定结构固定于箱体内；迁移隔层设有抽拉开关易于迁移箱体的分离。
20.如果箱体为正方体，那么所述根际隔板插片和迁移隔层与箱体的横截面等大。
21.如果箱体为长方体，那么所述根际隔板插片和迁移隔层与其所面对方向的箱体的横截面等大。
22.优选的，所述固定结构为设置于箱体内壁上的凹槽。所述根际隔板插片两侧分别插入凹槽，经由凹槽固定。
23.所述土质分析单元，对土壤情况进行记录后将其数据发送至控制中心。
24.所述温湿传感器，对土壤温湿度进行感应后对控制中心发送传感信号。
25.所述布水单元包括储水装置、水泵、布水管，布水管设有滴头，所述布水管连接水泵，控制中心收到温湿传感器的信号后，发出控制信息对水泵进行调控后定时将储水装置中的水抽送到布水管，水经由滴头滴入所述箱体内。
26.所述发光单元具有led灯、电源，所述led连接电源，电源收到控制中心调控后定时开启led灯，给予箱体内光照条件。
27.进一步优选的，所述传感器器、土质分析单元、控制中心的信号输出端依次通过控制中心经过数据转换及多通道数据采集器与智能控制终端相连，通过智能控制终端对实验参数进行设定、对实验数据进行存储与分析。
28.优选的，所述箱体相对的两侧侧壁上边沿设卡槽，所述控制中心、布水单元、发光单元固定于卡槽。
29.优选的，所述主体箱根际隔板插片上均匀分布孔，优选所述孔为圆孔的孔径范围为5～15mm，其目的是确保水分和微生物的自由移动。其中，所述插片上覆盖分析单元和传感器。所述插片远离植物的一面粘有钢制筛网。优选所述钢制筛网为200目(孔径75μm)，面积与根际隔板插片相等，盖住根际隔板插片上的圆孔。钢制筛网的作用是阻止植物根系穿过，将植物根系局限在根区s0的区间里。根际隔板插片的作用是支撑钢制网，不让钢制网在土壤和基质的压力下变形，维持不同根区的分布。
30.优选的，所述迁移箱是三个不同孔径横向隔层组合而成的四个单元体，所述隔层上均匀分布孔、土质分析单元和传感器，孔径范围为大孔径0.45～0.60mm、中孔径0.30～0.45mm，小孔径0.15～0.30mm。所述迁移箱中远离隔层的四周粘有钢制筛网。进一步优选地，所述钢制筛网为300目(孔径40μm)，面积与隔层面积相等。钢制筛网的作用是阻止微塑料穿过迁移箱，将微塑料局限在迁移箱的范围内。
31.优选的，所述根际隔板插片采用有机玻璃制成。
32.本发明根际箱的设计在充分避免植物根系组织生长进入相邻根区的基质、实现各根区间彼此物理分隔和研究微塑料迁移对土壤生态系统的影响的同时，又确保了水分、微生物及根系分泌物等的根区迁移活动。
33.本发明的有益效果：
34.本发明提供了一种研究不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移规律及其对根际微生态系统影响的实验装置，该装置具有模拟植物生长的自然环境的功能，方便采样的分层设计，利于在不破坏植物根际的前提下采样分析人工添加不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移赋存对微生态系统的影响。同时可实时监测土壤中土样成分检测功能和土壤温湿度功能，方便检测在不同粒径的微塑料作用下不同土层的土壤的理化性质。同时根际分层箱装置整体可拆卸，能够重复利用。
附图说明
35.图1为本发明的一种研究微塑料在植物根际迁移规律及影响根际微域的分层箱的主体箱立体图。
36.图2为迁移箱立体图。
37.图3为不同孔径筛网大小平面图。
38.1.植物、2.led灯、3.喷淋器、4.布水管、5.控制中心、6.土质分析单元、7.主箱体8.温湿传感器、9.迁移箱、10.集水槽、11.渗滤孔、12.排水阀、13.迁移箱、14.微塑料、15.大孔径筛网16.中孔径筛网、17.小孔径筛网、18.隔层抽屉、19.钢制筛网、20.传感器、s0.根际区、s1.非根际区。
具体实施方案
39.下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。下述实施例和附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。除非特别说明，下述实施例中使用的试剂原料为常规市场购或商业途径获得的试剂原料。
40.如图1～3所示，一种研究不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移规律及其对根际微生态系统影响的实验装置，本实施例所述根际箱，包括箱体7，所述箱体7内部空间由若干根际隔板插片13间隔划分为不同根际微域分区单元，所述箱体7的上部设置有布水单元，所述箱体1上还设有发光单元2；箱体的底部设有排水装置。
41.所述迁移箱9包括大中小孔径筛网(16、17、18)、隔层抽屉19及钢制筛网20和晒网上的传感器21；三层的隔层抽屉19和大中小孔径筛网(16、17、18)插在迁移箱内，钢制筛网20覆盖在隔层抽屉19外。
42.本实施例中，每个根际分区s0、s1由2片根际隔板插片来实现离植物根系不同距离区域的分离，将根际箱分为根区s0：40mm和非根际s1。
43.所述主箱体7可以为正方体或长方体。如果主箱体7为正方体，那么所述根际隔板插片13与主箱体7的横截面等大。如果主箱体7为长方体，那么所述根际隔板插片13与其所面对方向的箱体7的横截面等大。
44.所述主箱体7相对两侧内壁设置有固定结构，所述根际隔板插片经固定结构固定于主箱体7内。
45.所述主箱体7采用有机玻璃板制成。所述箱体不限定尺寸，可根据植物特征确定。为方便说明，本实施提供的根际箱的设计参数如下所述：箱体尺寸(200mm*200mm*200mm)，设计为三个箱体一组的平行实验装置，采用透明有机玻璃板制成，板厚6mm。但并不因此限定本发明范围，基于本发明设计思想，本领域根据植物的特征调整根际箱尺寸是允许的。实际运行过程中需要时用锡箔纸避光。
46.在所述根际隔板13板体上、在所述主箱体底部均匀布设有若干渗滤孔11。
47.所述渗透孔可设计为圆孔。孔径范围为1～3mm，优选2mm。
48.所述箱体7为透明的无盖结构，实现箱体的可视化和易操作。
49.如图1所示，所述布水单元包括喷淋管和布水管、储水装置(图中未标示，参照常规)、水泵(图中未标示，参照常规)，水泵在收到控制中心的信号后将储水装置中的水抽送到布水管，水经由喷淋管4滴入所述箱体7内。所述集水槽10设于箱体7的下部并连通所述排
水装置12收集根际箱的出水；所述温湿传感器8连通控制中心5，对土壤环境温湿进行感应，实时调控；所述发光单元包括led灯2、电源，发光单元连通控制中心5，对植物1进行光照；所述土质分析单元6一端连通控制中心5，将土壤中的数据传导到控制中心，由控制中心传导到分析智能控制终端，通过智能控制终端对实验参数进行设定、对实验数据进行存储与分析。本实施例中，智能控制终端选用电子计算机。
50.优选的，所述固定结构为设置于箱体内壁上的凹槽(图中未标示，参照常规)。所述根际隔板插片13两侧分别插入凹槽，经由凹槽固定。
51.所述箱体7相对的两侧侧壁上边沿设有卡槽，所述布水管固定于卡槽。
52.所述根际隔板插片13上均匀分布圆孔，所述孔为圆孔的孔径范围为5～15mm，其目的是确保水分和微生物的自由移动。
53.所述根际隔板插片13可采用pvc板制成。
54.其中，所述主体箱7根际隔板插片13上均匀分布孔，优选所述孔为圆孔的孔径范围为0.25～0.75cm，其目的是确保水分和微生物的自由移动。其中，所述插片上覆盖分析单元和传感器。所述插片远离植物的一面粘有钢制筛网。优选所述钢制筛网为200目(孔径75μm)，面积与根际隔板插片相等，盖住根际隔板插片13上的圆孔。钢制筛网的作用是阻止植物根系穿过，将植物根系局限在根区s0的区间里。根际隔板插片的作用是支撑钢制筛网，不让钢制网在土壤和基质的压力下变形，维持不同根区的分布。
55.所述迁移箱9是三个不同孔径横向隔层组合而成的四个单元体，所述隔层上均匀分布孔、土质分析单元和传感器，孔径范围为大孔径0.45～0.60mm、中孔径0.30～0.45mm，小孔径0.15～0.30mm。所述迁移箱中远离隔层的四周粘有钢制筛网。进一步优选地，所述钢制筛网网为300目(孔径40μm)，面积与隔层面积相等，。钢制筛网的作用是阻止微塑料穿过迁移箱，将微塑料局限在迁移箱的范围内。
56.本发明根际箱的设计在充分避免植物根系组织生长进入相邻根区的基质、实现各根区间彼此物理分隔的同时，又确保了水分、微生物及根系分泌物等的根区迁移活动的同时又模拟植物生长的自然环境的功能，方便采样的分层设计，利于在不破坏植物根际的前提下采样分析人工添加不同粒径的微塑料在植物根际区的迁移赋存对微生态系统的影响。同时可实时监测土壤中土样成分检测功能和土壤温湿度功能，方便检测在不同粒径的微塑料作用下不同土层的土壤的理化性质。同时根箱装置整体可拆卸，能够重复利用；
57.本发明的基质填充方式：在根际箱底部均匀填充2cm厚直径0.5～1cm黏性土壤，主体部分填入约16cm粒径≦1.5mm的营养土和黏性土壤体积比1：1混合的样品土壤。
58.本实施例的植物选择方法是：选用种粒饱满且大小一致的双子叶植物大豆，种植于根际箱的根室s0区域。每个根区种植三株。
59.本发明的运行方式是：在植物生长培育阶段，通过智能控制终端对实验参数进行设定，通过控制中心和温湿传感器调节进水，保证土壤温湿度，保持各根际喷淋时间一致；通过控制中心对发光单元进行调控、合理调控光照时间；通过土质分析中心对土壤数据进行分析记录后传导到控制中心，控制中心接受到信息后传导到智能控制终端对实验数据进行存储与分析。所述的进水为自来水。
60.本发明的采样方式是：打开排水阀，取集水槽内水样；采集根系时候，先小心将表层基质拨开，再用长柄药勺，挖取不同根系样品；采集土壤样品时，先小心将表层基质拨开，
再用长柄药勺，挖取不同区间基质样品；采集迁移箱内微塑料样品时，将迁移箱取出后，通过抽屉将微塑料进行分层保存。
61.通过上述土壤取样过程，可以最大程度的避免对土壤的物理扰动，有效保持土壤的完整性，最大程度的降低对根系分泌物释放造成的影响，有效避免因取样过程引起植物根际微环境的变化。最后，将获取的全部土壤样品开展植物根际微环境研究即可。
62.实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。