一种获取地裂缝对植物生物量影响的方法与流程

本发明涉及一种获取地裂缝对植物生物量影响的方法，属于土地复垦领域。

背景技术：

采煤塌陷引起的沉陷区地表植被破坏问题已经成为国内外研究的一个重点。其中，由采煤沉陷而引起的地裂缝会对植物根系造成拉伤损害，而且地裂缝的产生会破坏地表松散层土壤结构，加速水分的流失，进一步对植被的生长和恢复造成不利影响。生物量是反应植物生长受影响大小的重要指标，目前地裂缝对于植被生物量的影响实验主要通过野外采样，但是野外实验存在众多不确定的环境因素，如温度、光照、降雨等，都可能对裂缝的影响作用产生干扰，而常规的室内盆栽实验却又难以模拟出地裂缝对植物的影响作用效果。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种稳定的、不受环境干扰的获取地裂缝对植物生物量影响的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种获取地裂缝对植物生物量影响的方法，包括以下步骤：

1)预备一个模拟地裂缝的装置

该装置包括顶部敞口的箱体，在箱体中放置覆盖箱体底部部分区域的垫块，在箱体的一侧设置有槽孔，槽孔和垫块的边缘共同支撑起顶板，顶板与箱体的底部之间形成中空的区域；在中空的区域中放置有用于支撑顶板的支撑柱，在位于槽孔下方的箱体的侧壁上设置有用于取放支撑柱的操作窗，在箱体的侧壁上可拆装地设置有用于盖住槽孔和操作窗的密封板；

2)在模拟地裂缝的装置中进行植物的培养

将箱体的内部进行酒精消毒，将土壤风干、筛去杂质、灭菌后装入箱体中，并覆盖垫块和顶板；然后在土壤上浇水，自然持水一段时间；将挑选好的种子用H₂O₂浸泡消毒后，放入恒温箱中催芽，然后在箱体中的土壤中按照实验设计的行株距位置进行播种；

3)进行地裂缝模拟操作

根据所确定的地裂缝扰动模拟时间进行扰动操作，进行扰动操作时，先将箱体内部的支撑柱通过操作窗取出，然后拖动顶板将其从槽孔中拖出；扰动操作完成后，用密封板遮掩住槽孔和操作窗；

4)样品分组

将种植的植物根据地裂缝造成的影响的程度不同分组进行参照实验，并继续对植物进行培养；

5)样品采集

在预定收获日期，将每株植物的地上部分和地下部分进行收割，清洗植物的根部，将地上部分和地下部分分别烘干；

6)测量样品的生物质总量

分别对样品地上部分和地下部分的生物质量进行测量，从而得到样品的生物质总量。

所述模拟地裂缝的装置中的支撑柱为圆台结构。

所述模拟地裂缝的装置中的顶板为并排设置的两块，在顶板位于槽孔外的一侧的边缘设置有拉环。

所述模拟地裂缝的装置中的密封板通过螺丝固定于箱体上。

所述模拟地裂缝的装置中的槽孔与操作窗相连通。

所述步骤2)中，土壤浇水后，自然持水的时间为24h。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在实验步骤1)中制作的地裂缝模拟装置能够在室内模拟出地裂缝，因此进行地裂缝对植物生物量影响的实验时可以避免温度、光照、降雨等环境因素的影响，使得实验结果更客观。2、本发明在模拟地裂缝装置进行植物培养前进行酒精消毒，因此可以将避免植物在培养过程中受到杂菌干扰。3、本发明在进行地裂缝模拟操作时，缓慢拖动顶板将其从槽孔中拖出，因此本发明可以更实际的模拟地裂缝的形成过程，使得植物在模拟地裂缝装置中的生长情形更贴合实际。

附图说明

图1是本发明的地裂缝模拟装置正面剖视图；

图2是本发明的密封板的结构示意图；

图3是本发明的地裂缝模拟装置俯视图；

图4是本发明的地裂缝模拟装置的斜二测结构图；

图5是本发明的地裂缝模拟装置左视图；

图6是本发明的地裂缝模拟装置中培养植物的示意图；

图7是本发明的地裂缝模拟装置中施加沉陷扰动后的示意图；

图8是本发明的收获玉米的地上部分生物量的统计分析图；

图9是本发明的收获玉米的地下部分生物量的统计分析图；

图10是本发明的收获玉米的生物量的统计分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种获取地裂缝对植物生物量影响的方法，包括以下步骤：

1)预备一个模拟地裂缝的装置

如图1～4所示，该模拟地裂缝的装置包括顶部敞口的箱体1，在箱体1中放置覆盖箱体1底部部分区域的垫块2，在箱体1的一侧设置有槽孔5，槽孔5和垫块2的边缘共同支撑起顶板4，顶板4与箱体1的底部之间形成中空的区域。在中空的区域中放置有用于支撑顶板4的支撑柱3。在位于槽孔5下方的箱体1侧壁上设置有用于取放支撑柱3的操作窗6，在箱体1的侧壁上可拆装地设置有用于盖住槽孔5和操作窗6的密封板7。

2)在模拟地裂缝的装置中进行植物的培养

将箱体1的内部进行酒精消毒，将土壤风干、筛去杂质、灭菌后装入箱体1中，并覆盖垫块2和顶板4；然后在土壤上浇水，自然持水24h；将挑选好的种子用H₂O₂浸泡消毒后，放入恒温箱中催芽，然后在箱体1中的土壤中按照实验设计的行株距位置进行播种。

3)进行地裂缝模拟操作

根据实验目的确定地裂缝扰动模拟的进行时间，在所确定的进行时间内进行扰动操作。进行扰动操作时，先将箱体1内部的支撑柱3通过操作窗6取出，然后缓慢拖动顶板4将其从槽孔5中拖出。扰动操作完成后，用密封板7遮掩住槽孔5和操作窗6。

4)样品分组

观察记录地裂缝形态，将种植的植物根据地裂缝造成的影响程度不同分组进行参照实验，继续培养，观察记录植物的生长情况。

5)样品采集

根据实验设计的收获日期，将每株植物的地上部分和地下部分进行收割，清洗植物的根部，将地上部分和地下部分分别烘干。

6)测量样品的总生物量

分别对样品地上部分和地下部分的生物量进行测量，从而得到样品的总生物量。

通过对样品生物量总量的测量，可以获知地裂缝对样品的生长的影响程度，生物量总量越小，代表样品根系受损越严重。

上述实施例中，支撑柱3为圆台结构。

上述实施例中，顶板4为并排设置的两块，在顶板4位于槽孔5外的一侧的边缘设置有拉环8，其便于将顶板4拉出箱体1外。

上述实施例中，密封板7通过螺丝固定于箱体1上，防止进行地裂缝模拟操作时内部土壤从槽孔5和操作窗6流出。

上述实施例中，如图5所示，槽孔5与操作窗6相连通，呈镂空T型结构。槽孔5的作用是支撑顶板4，并在地裂缝模拟操作的时候将顶板4拉出箱体1外，操作窗6的作用是在进行地裂缝模拟操作时取出内部支撑柱3。

下面通过裂缝对玉米生长影响的研究方法用以说明本发明方法。

1)制作一种模拟地裂缝的装置

此处制作的箱体1为上端开口下端密闭的结构，其尺寸为100cm×60cm×55cm，箱体1中设置有垫块2，垫块2的尺寸为60cm×60cm×10cm，垫块2的底面与箱体1的底面接触，垫块2的三个侧面分别与箱体1的三个侧面接触，垫块2的第四个侧面与箱体1的第四个侧面间隔设置，在间隔区域放置有支撑柱3，其为PVC硬质材料的圆台结构，其上设置有两块顶板4，其为有机玻璃材质，尺寸为45cm×30cm×0.5cm，顶板4的第一端与垫块2接触，顶板4的第二端穿过第四侧面上的槽孔5凸出箱体1外，箱体1的第四侧面上设置有操作窗6，其用于在进行地裂缝模拟操作时，取出内部的支撑柱3，槽孔5和箱体1贯通呈T型。在箱体1的第四侧面上可拆卸的设置有密封板7，密封板7可以遮掩槽孔5和操作窗6，密封板7的尺寸为60cm×12cm×0.5cm。

2)在模拟地裂缝的装置中进行玉米的培养

①玉米品种的选用。

玉米采用中国农业科学院种子公司提供的品糯28。

②土壤选用。

供试土壤为中国矿业大学(北京)微生物复垦实验室提供的土壤，土壤基本理化性质为：

③播种培养

土壤风干，过2mm筛除杂质。混匀后，灭菌。将模拟地裂缝的装置清洗、酒精消毒、各装土250kg，浇水后，自然持水24小时。挑选颗粒饱满的品糯28玉米种子，用10％的H₂O₂溶液浸泡10min消毒，用去离子水冲洗干净，置于恒温箱内25摄氏度催芽24h后播种。，在装置中共设置五排，每排三穴，行株距均为20cm，其中，在垫块2上方的土壤中播种3排共9穴，在垫块的另一侧播种2排共6穴。将种子按照布设位置埋深3-5cm，每穴3颗，之后将装置放于温室内培养，光照采用自然光照。待到玉米三叶一心期每穴间苗至一株。浇水通过Em50数据采集器配合EC-5水分探头进行土壤含水量监测，控制土壤水分在最大持水量的60％-80％之间。地裂缝模拟装置中培养玉米的示意图如图6。

3)进行地裂缝模拟操作

通过操作窗6将内部的支撑柱3取出，然后将顶板4通过槽孔5缓慢拉出箱体1，再然后用密封板7封堵窗口，尽量不要让跨落土壤流出装置外，最后，观察记录地裂缝形态。所产生的台阶型地裂缝上下盘落差为9.5cm，宽6cm，深度为25cm，地裂缝模拟装置中施加沉陷扰动后的示意图如图7。

4)将样品为分CK、WL、FS1、FS2、Sub组

CK组，位于垫块2上方距离裂缝50cm。此组受影响最小，为空白对照。

WL组，位于垫块2上方距离裂缝30cm，位于台阶型裂缝的上盘一侧。在该位置，裂缝对根系的拉伤程度较弱，但裂缝引起的水分散失问题会影响该组植物的生长。

FS1组，位于垫块2上方靠近台阶型裂缝的上盘。裂缝一侧对植物根系拉伤十分严重，同时裂缝引起的水分散失问题会影响植物生长。

FS2组，位于台阶型裂缝的下盘。两侧均对植物根系有严重拉伤，同时裂缝引起的水分散失问题会影响植物生长。

Sub组，位于采空区上方，位于沉陷区，距离裂缝30cm。由于土壤有一定黏性，在沉陷扰动过程中，该位置主要受到整体下降的影响，靠近裂缝的一侧会有一定的根系拉伤，但与裂缝位置相比此处根系拉伤程度相对较小。同时，该位置的土壤由于产生过沉陷扰动，也存在土壤水含量散失加剧的问题。

5)样品采集

在玉米生长旺盛的拔节期施加沉陷扰动，将每株玉米地上部分和地下部分进行收割。用去离子水清洗玉米根部，地上部分和地下部分分别烘干待测。

6)测量样品的总生物量

将五个组共15个样品的地上部分、地下部分和总生物量实测数据利用SAS软件进行统计分析(显著水平设置为5％)，具体数据如表1：

表1五组的生物量对比

表中数值为3个重复的平均值，表中同一列数值后的不同字母代表差异达到5％的显著水平。

结合图8～10中地上部分生物量、地下部分生物量和总生物量数据可以看出FS2遭受的根系损伤最为严重，其次为FS1组，Sub组玉米根系遭受损伤次于FS1组，WL组的根系受影响较小，CK组距离裂缝50cm，根系不受影响，及各组根系损伤程度为：FS2>FS1>Sub>WL>CK。

裂缝下盘FS2位置处的玉米受到裂缝一侧的剪切力，在地裂缝形成之后，顶板4进一步拖出，土层继续跨落，因此松散度大不利于水分的保持，所以FS2组中玉米的地上部分生物量和地下部分生物量均小于其他组，其中地上部分生物量和总生物量与其他处理相比均差异显著(p<0.05)，且这一部分的玉米两侧根系位于沉陷区，土壤松散，土壤水分流失快，根系本身受损的植物在水分相对不足的情况下难以较好的恢复和生长。

裂缝上盘FS1位置处的玉米，不仅遭受了台阶型地裂缝的直接拉伤而且根系在沉陷过程中也受到拉伤，且由于裂缝的存在，加快了水分流失，实测生物量相对于CK对照组少5.759g/株。

Sub组虽然离裂缝相对较远，但由于沉陷扰动是一个动态过程，在顶板4即将抽出时，整体土层产生沉陷降落，因此土壤结构破坏较小，存在着细微的小型裂缝，植物根系受到轻微的损伤，且扰动使得土壤结构松散度变大，保水能力减弱，因此根系轻微损伤以及水分缺失是Sub组受到的直接影响。Sub组从总生物量数据上看，略高于FS1组，低于WL组，但均未达到显著性差异。

WL组距离裂缝的距离与Sub组相同，同样存在着裂缝引起的水分散失问题，但由于土壤未被扰动，因此水分散失程度相对较弱，所以可以忽略根系拉伤引起的损伤。但其相对于对照CK组的地上部分生物量、地下部分生物量和生物量均更少，这说明裂缝引起根系的小程度损伤在土壤水分充足的情况下对玉米的影响不是占有绝对主要地位的，但裂缝导致的水分缺失同样也对植物生长有着比较大的影响。

本实施例利用模拟装置在实验室内完成了玉米受地裂缝影响的实验研究。实验结果显示，地裂缝会引起根系的损伤和水分缺失的双重问题。裂缝处导致玉米的根系产生严重损伤这会极大地影响植物的生长，同时裂缝处的水分也会加快散失对植物会造成不利影响。垫块2上侧种植的玉米距离裂缝越远其根系损伤受到的影响程度越小，其所受影响主要为水分缺失。垫块2下侧距离裂缝较远的Sub组的玉米的根系轻微受损使得土壤保水能力的下降导致生长受到一定影响。

本发明提出的一种获取地裂缝对植物生物量影响的方法的原理如下：

裂缝的不同位置有着各自的扰动特性。在施加沉陷扰动时，随着顶板4慢慢抽出，采空区上方“开切眼”的位置开始出现裂缝，随后裂缝下盘向下跨落，形成地裂缝的上下盘，即FS1组和FS2组所在位置。

上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。