模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置及实验方法

摘要

本发明涉及一种模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置及实验方法，属于土壤修复技术领域。本发明能够实时监测修复受损农田土壤过程中土壤动物的所有生物学过程，该方法是“白箱”式的研究方法，可以使科学家获得之前方法难以获得的大量宝贵的数据，比如土壤动物的逐日活动过程、生长过程、生境喜好过程、竞争过程、死亡过程、取食过程、交配过程等。本发明能够实时监测获取和土壤动物数据配套的土壤属性数据，包括土壤温度、湿度、盐分和pH值等数据。本发明对土壤动物和土壤没有干扰和破坏，是友好型的自动监测方法，不会影响实验的结果和数据。

说明书

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置及实验方法。

背景技术

土壤质量下降是我国农田土壤面临的最严峻的问题之一，包括土壤有机质含量降低、土壤重金属污染、土传病频发等。这些问题已经成为我国粮食安全的重大挑战，修复受损土壤和保持土壤健康是解决前述挑战的最根本途径。土壤动物是农田土壤中最有生命力的生物之一，在修复受损土壤和保持土壤健康的过程中具有关键的、不可替代的作用。

目前已经有科学家提出使用土壤动物来修复受损农田土壤和保持土壤健康，但受到研究方法的限制，多采用“黑箱”的方法来开展研究。最常用的方法为，在室内或野外的实验场地，将土壤动物接入到受损的土壤中，经过一段时间之后，通过破坏性采样调查土壤动物多样性特征和土壤理化性质，来评估土壤动物对受损农田土壤的修复作用。但是在这个“黑箱”式调查过程中，存在如下挑战导致无法揭示其内在机制：（1）只能获取最后一次或者中间几次调查的土壤动物数据，无法说明整个修复农田土壤过程中土壤动物到底是如何作用的。例如，最后一次采集样品观察到土壤动物的数量减少了10头，这只能说明在修复受损农田土壤之后，土壤动物的数量减少了10头，无法说清楚这10头土壤动物的死亡时间、死亡地点、死亡原因。例如是具体什么时间减少的：是在刚开始实验的时候死掉了10头，还是在实验过程中减少了10头，还是在实验的后期阶段减少了10头。再如不清楚减少的原因：是食物资源本身不足饿死的，还是和同伴竞争食物的过程中失败导致食物资源不足而饿死的，还是生病之后活性降低死亡的，还是繁殖增加了10头个体，最后实际死亡了20只个体。（2）只能获取最后一次或中间几次调查的土壤理化性质数据，无法说明整个修复农田土壤过程中，土壤理化性质是如何随着土壤动物的变化而变化的。（3）如果是多次样品采集，会造成对样品或样地的破坏，从而影响土壤动物和土壤理化性质的本身属性，导致获取数据有一定的偏差。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置及实验方法。

为了达到上述目的，本发明技术方案如下：

模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置，包括：多个土壤动物实验盒、调节架、高清摄像头、土壤参数自动监测仪以及数据管理系统客户端，

土壤动物实验盒采用透明玻璃，其上方开口并设有一个抽拉式顶盖，抽拉式顶盖开设有加水孔和两个透气孔，模拟野外农田大气和土壤之间的空气交换过程；多个土壤动物实验盒内部放置有实验土壤和实验用土壤动物；土壤动物实验盒放置在调节架上；调节架放置在水平实验桌面上；

高清摄像头位于土壤动物实验盒上方，并通过支撑底座、高度调节支架卡接于水平实验桌面的侧边，支撑底座通过上下设置的锁紧螺丝卡在水平实验桌面的侧边，高度调节支架底部固定在支撑底座上，顶部通过高度调节旋转螺丝来调节高清摄像头的相对于水平实验桌面的高度，高清摄像头的位置与土壤动物实验盒的实验土壤的表层平行；

土壤参数自动监测仪埋在土壤中，实时监测土壤的温度、湿度、盐分和pH值数据；

数据管理系统客户端接收高清摄像头传送的图像数据，以及土壤参数自动监测仪传送的土壤参数数据，进行分析处理。

进一步的，所述调节架包括从上而下分布的顶托、升降架和底板。

进一步的，所述土壤动物实验盒由透明玻璃制成正方体，长×宽×高=15cm×15cm×15cm，加水孔和透气孔皆是直径为3cm的圆形孔洞。

进一步的，所述实验土壤采用从野外农田中采集的受损土壤；或者根据实验需要设置多个不同的梯度，比如未受损、轻度受损、中度受损、重度受损四个梯度的农田土壤。

进一步的，所述实验用土壤动物采用在野外未受损农田中挖取蚯蚓，挑选出至少50条同一个属、成年的、活性强的、体长和生物量相近的个体。

本发明还提供了一种模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验方法，包括以下步骤：

S1、准备实验土壤和实验用土壤动物；

S2、构建室内实验环境、设置实验组别以及设置监测仪器；

S3、对土壤动物活动过程进行长时间的实时观察，获取与采集每只蚯蚓的生物数据以及土壤属性数据；

S4、处理与存储数据。

有益效果：（1）本发明能够实时监测修复受损农田土壤过程中土壤动物的所有生物学过程，该方法是“白箱”式的研究方法，可以使科学家获得之前方法难以获得的大量宝贵的数据，比如土壤动物的逐日活动过程、生长过程、生境喜好过程、竞争过程、死亡过程、取食过程、交配过程等。（2）本发明能够实时监测获取和土壤动物数据配套的土壤属性数据，包括土壤温度、湿度、盐分和pH值等数据。（3）本发明对土壤动物和土壤没有干扰和破坏，是友好型的自动监测方法，不会影响实验的结果和数据。

附图说明

图1为本发明提供的模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置结构示意图。

图中，1-土壤动物实验盒，2-调节架，3-高清摄像头，4-水平实验桌面；

11-抽拉式顶盖，12-加水孔，13-透气孔，14-实验土壤，15-实验用土壤动物；

21-顶托，22-升降架，23-底板；

31-支撑底座，32-高度调节支架，33-锁紧螺丝，34-高度调节旋转螺丝。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验装置，如图1所示，包括：土壤动物实验盒1、调节架2、高清摄像头3、土壤参数自动监测仪（未示出）以及数据管理系统客户端（未示出），

土壤动物实验盒1采用透明玻璃，其上方开口并设有一个抽拉式顶盖11，抽拉式顶盖11开设有加水孔12和两个透气孔13，模拟野外农田大气和土壤之间的空气交换过程；土壤动物实验盒1内部放置有实验土壤14和实验用土壤动物15；实验盒1放置在调节架2上；调节架2包括从上而下分布的顶托21、升降架22和底板23；调节架3放置在水平实验桌面4上；

高清摄像头3位于土壤动物实验盒1上方，并通过支撑底座31、高度调节支架32卡接于水平实验桌面4的侧边，支撑底座31通过上下设置的锁紧螺丝33卡在水平实验桌面4的侧边，高度调节支架32底部固定在支撑底座31上，顶部通过高度调节旋转螺丝34来调节高清摄像头3的相对于水平实验桌面4的高度，高清摄像头3的位置与土壤动物实验盒1的实验土壤14的表层平行；

土壤参数自动监测仪（未示出）埋在实验土壤14中，实时监测土壤的温度、湿度、盐分和pH值数据；

数据管理系统客户端（未示出）接收高清摄像头3传送的图像数据，以及土壤参数自动监测仪（未示出）传送的土壤参数数据，进行分析处理。

本实施中，土壤动物实验盒1由透明玻璃制成正方体，长×宽×高=15cm×15cm×15cm，加水孔12和透气孔13皆是直径为3cm的圆形孔洞；

实验土壤14采用从野外农田中采集的受损土壤。还可以根据实验需要设置多个不同的梯度，比如未受损、轻度受损、中度受损、重度受损四个梯度的农田土壤。实验用土壤动物15采用在野外未受损农田中挖取蚯蚓，采集和挑选出至少50条同一个属、成年的、活性强的、体长和生物量相近的个体。

一种模拟土壤动物修复受损农田土壤的实验方法，具体步骤如下：

S1、准备实验土壤和实验用土壤动物；步骤S1的子步骤具体为：

S110、野外采集用作实验的土壤：从野外农田中分别采集未受损土壤和受损土壤，分别挖取长×宽×高=15cm×15cm×15cm的五个土柱，将其各自分别充分混匀，将至少5kg的未受损土壤和受损土壤带回实验室，自然风干，备用；

S120、室内过筛土壤：将自然风干后的未受损土壤和受损土壤分别过2mm筛，备用；

S130、野外采集实验用土壤动物：在野外未受损农田中挖取蚯蚓，采集和挑选至少50条同一个属、成年的、活性强的、体长和生物量相近的蚯蚓，带回实验室；

S140、室内养殖实验用土壤动物：将蚯蚓置于野外采集回来的未受损土壤中，土壤含水量保持在75%左右，养殖蚯蚓等待1-3天适应室内环境，以便用于后续实验，用于养殖蚯蚓的这部分未受损土壤则不能用于后续实验；

S2、构建室内实验环境、设置实验组别以及设置监测仪器；步骤S2的子步骤具体为：

S210、搭建室内实验盒：对六个由透明玻璃制成的土壤动物实验盒进行消毒和杀菌处理，每个土壤动物实验盒上方开口设有一个可抽拉的顶盖，顶盖上开有加水口和换气口，模拟野外农田大气和土壤之间的空气交换过程；具体实验过程中，还可以增加土壤动物实验盒的数量以达到更好的实验效果；

S220、放置实验土壤：在三个土壤动物实验盒内分别放置300g过筛后的未受损土壤，作为对照组，在另外三个土壤动物实验盒内分别放置300g过筛后的受损土壤，作为实验组；土壤的湿度保持在75%左右；将每份土壤均匀的平铺在土壤动物实验盒底部，土壤的厚度为5cm左右；防止土壤过厚土壤动物会钻到土壤内部，摄像头无法实时监测土壤动物的活动状态，会导致某些时段监测数据的缺失；土壤过薄土壤动物的身体会有较大一部分暴露在空气中，容易造成身体缺水等生理反应，导致土壤动物活动能力降低等现象，从而影响实验数据的真实性；

S230、安装土壤参数自动监测仪：每个土壤动物实验盒内的土壤中分别设置有土壤参数自动监测仪，使其探头位于5cm土壤的中间，不能出露土壤，也不能接触玻璃，保证实时监测真实的土壤温度、湿度、盐分和pH值数据；

S240、接入蚯蚓：每个土壤动物实验盒内接入3条蚯蚓，接入之前测量与记录蚯蚓的体长、体宽及湿重；

S250、设置高清摄像头：选择能够昼夜工作的高清摄像头，确保夜晚黑暗的环境中依然能拍摄到清晰的土壤动物活动过程，高清摄像头对土壤动物的拍摄分辨率达到1cm；同时高清摄像头能够至少连续工作1个月，保证监测获取实时的、连续的、不间断的土壤动物数据；安装高清摄像头，确保其位置与土壤动物实验盒的土壤表层平行；并调整高清摄像头到土壤动物实验盒内土壤表层的距离；

S3、对土壤动物活动过程进行长时间的实时观察，获取与采集每只蚯蚓的生物数据以及土壤属性数据；步骤S3的子步骤具体为：

S310、传送及调试监测画面：利用5G网络技术将土壤动物实验盒内的实验数据实时传输到数据接收终端，根据数据接收端的画面质量，反复调整高清摄像头距离土壤动物实验盒土壤表层的距离，直到画面清晰可以清楚的实时监测蚯蚓的所有活动过程；

S320、控制实验环境湿度：按照设定的时间间隔查看土壤的湿度数据，通过土壤动物实验盒顶端的加水口加入去离子水，确保土壤的湿度保持在75%左右；

S330、对土壤动物进行长时间的观察，实时记录每只蚯蚓的生物数据：连续30天监测土壤动物实验盒内的土壤动物活动过程，将每个土壤动物实验盒中的蚯蚓活动数据实时传输到数据接收终端，基于人工智能技术的数据管理系统读取数据，自动记录每只蚯蚓的生物数据：土壤动物的体长、体宽、身体状态（卷曲、非卷曲）、生殖环大小、头的方向和位置、尾的方向和位置、虫体中间的空间位置、移动速度、移动方向、移动距离、开始移动时间、结束移动时间；同时通过土壤参数自动监测仪自动获取实时土壤属性数据；

S340、采集完成观察实验后每只蚯蚓的生物数据：取出每个土壤动物实验盒中的蚯蚓，获取以下蚯蚓生物数据：数量、体长、体宽、湿重；然后将蚯蚓标本在-20℃环境进行保存，用做后续的化验分析，比如同位素分析；

S350、测试土壤属性数据：观察实验结束后，将每个土壤动物实验盒中的土壤取出，在室内自然风干，然后测试土壤属性数据，包括土壤有机质、全氮、速效氮、全鳞、速效磷、重金属含量；

S4、处理与存储数据：将实验室内测试获得的蚯蚓生物数据、土壤属性数据输入数据管理系统，该数据管理系统基于深度分析技术自动存储到数据库，数据库分为土壤动物数据子集库和土壤因子数据子集库。其中，土壤动物数据子集库包括拍摄获得的土壤动物图片、视频和基于深度学习自动获取的前述土壤动物生物数据；土壤因子数据子集库包括土壤参数自动监测仪自动监测获得土壤温度、湿度、盐分、pH值以及观察实验结束后测的土壤有机质、全氮、速效氮、全鳞、速效磷、重金属含量。