一種利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法
2024-03-05 08:35:15 1
專利名稱：一種利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法
技術領域：
本發明屬於荒漠化防治和生態環境修復領域，特別涉及利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法。
背景技術：
水蝕荒漠化是由水土流失所造成的土地退化，是一種重要的荒漠化形式，它和風蝕荒漠化、石漠化、凍融荒漠化以及鹽漬荒漠化共同構成的土地荒漠化問題是我國當前面臨的最為嚴重的生態環境問題。第四次全國荒漠化和沙化監測結果顯示，截止2009年底， 我國水蝕荒漠化面積26萬平方公裡，佔荒漠化總面積的10%，主要分布於黃土高原北部、 東北西部以及新疆部分地區，其中黃土高原是我國水蝕荒漠化最為嚴重的地區。嚴重的水蝕荒漠化致使地力衰退、災害頻發、河庫淤積、水質惡化、水資源短缺，極大制約了資源環境的可持續利用與社會經濟的可持續發展，是我國當前亟待解決的重要生態環境問題。乾旱少雨、降雨集中以及長期土地不合理利用所導致的植被退化和水土流失是水蝕荒漠化的主要原因，因此通過植樹造林恢復地表植被是當前水蝕荒漠化防治的主要手段。然而，多年植樹造林的經驗表明，由於乾旱半乾旱地區降水不足、蒸發強烈，該地區土壤水分長期虧缺，因此植樹造林的成活率較低，即便成活後也會由於長期水分供給不足而生長不良，最終形成「小老樹」。大面積植樹造林不僅不能形成有效的植被覆蓋，反而會浪費深層土壤水分，形成土壤幹層，使土壤水分虧缺和植被退化狀況進一步加劇。近年來，相關學者開始認識到這一問題，建議以灌草代替喬木恢復地表植被，並提出了植被承載力(某地區所能承載的最大植被覆蓋度)的概念。植被稀疏是制約荒漠化地區生態恢復的關鍵因素，然而越來越多的研究者發現， 在稀疏植被下或林間空地上，廣泛發育著一種由細菌、真菌、苔蘚、藻類和地衣等微生物與表層土壤相互複合形成的生物結皮。在黃土高原地區，生物結皮的厚度可達30mm，覆蓋度可達70%以上。生物結皮對高溫、低溫、紫外線以及養分貧瘠、乾旱脅迫等逆境有很強的適應性和抵抗能力，普遍存在於乾旱和半乾旱地區，是荒漠化地區地表植被不可忽略的重要組成部分。生物結皮具有重要的生態功能一方面，生物結皮可以通過固定碳氮、降低土壤 PH、增加土壤微生物及酶活性等作用，提高土壤有機質和部分營養元素的含量與有效性；另一方面，生物結皮還可以改善土壤微結構、增加表層土壤的穩定性和滲透能力，降低土壤隨風力和水力的侵蝕。生物結皮優異的適應能力和卓越的生態功能引起了生態學、水文學、水土保持學等相關科學家的關注，他們希望在荒漠化地區通過人工培育生物結皮的方法對裸露地表進行覆蓋，為退化裸露土地披上「生物地毯」，從而為荒漠化防治提供一條新方法和新思路。利用生物結皮防治風蝕荒漠化(專利申請號99116583. 7、200510063092. 9、 200510055383. 3)和石漠化(專利申請號 200410098476. X、200410098477. 4)的方法已有
描述，但在水蝕荒漠化的防治領域中還未有生物結皮的應用。一方面，水蝕荒漠化與風蝕荒漠化及石漠化是三種截然不同的荒漠化形式，三者在發生區域、形成原因、危害方式以及防治方法等方面均有本質區別。其中水蝕荒漠化主要發生在黃土高原地區，是由水蝕作用造成的荒漠化形式；風蝕荒漠化主要發生在西北乾旱地區，是以風沙活動為主要特徵的荒漠化形式；而石漠化則主要發生在我國廣西、貴州、雲南等喀斯特巖溶區，是以大片巖石裸露為主要特徵的荒漠化形式。另一方面，生物結皮的種類和特徵具有明顯的區域性，由於受降雨、光照、氣溫等氣候條件以及土壤、植被等地形地貌特徵的影響，不同區域內生物結皮的厚度、顏色等形態特徵與微生物成分(藻類、苔蘚、地衣等)、生物量等生物特徵均差異極大，這直接導致了不同地區生物結皮具有顯著不同甚至截然相反的作用與功能。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法。本發明提供的利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法，其為將生物結皮種源人工接種於水蝕荒漠化區的裸露土表，培育生物結皮，使其覆蓋裸露土表。在本發明提供的利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法，具體包括如下步驟1)選擇自然發育生物結皮，鏟取表層10 30mm厚的結皮層備用；2)將採集的生物結皮陰乾，去除雜物後粉碎，充分攪拌混勻製成生物結皮種源；3)將製備的生物結皮種源與細土以1 1 2的質量比混合後，均勻撒於待接種土表，並覆蓋細土，完成後充分澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的70 80% ；4)控制適宜條件促進生物結皮生長，包括澆水、追肥、殺蟲以及清除雜草。其中，採集的生物結皮優選用發育良好，覆蓋度好的生物結皮。其中，所述的細土優選為過Imm的篩的細土。在本發明的一個優選的實施方案中，所述的生物結皮種源選自乾旱、半乾旱地區自然發育的生物結皮。所述的生物結皮種源採集在雨季且地表較為乾燥時進行，採集時應針對不同地形、土壤、植被設多個採集點，分別採集，以保證所採集種源的代表性和適應性。本發明中，所述生物結皮種源在接種前控制其含水量為4 6%，優選為5%。本發明中，所述生物結皮種源粉碎後的當量直徑為1. 0 1. 5mm，優選為1. 2mm。本發明的一個實施方案中，所述的生物結皮種源優選與等量的過Imm篩的細土混合後進行撒播接種，接種量為0. 5 1. Okg/m2的生物結皮與細土的混合物。在本發明的一個實施方案中，接種生物結皮種源後保持接種地的溼潤，在生長期內每日傍晚澆水一次，待生物結皮大部分成活且土表呈淺綠色時停止澆水。在本發明的另一個實施方案中，在生長期內，至少追肥一次，施肥量為氮5 Sg/ m2、磷 5 10g/m2、鉀 6 13g/m2。在本發明的另一個實施方案中，還包括用農藥，如敵敵畏對土壤昆蟲進行防治。本發明在於採集乾旱半乾旱地區自然發育的生物結皮，以其為種源對水蝕荒漠化地區裸露土地進行人工接種，並創造各種適宜條件促進其生長。這種多點採集的生物結皮種源完全來自於當地自然條件，其中微生物種群結構合理，因此能夠完全適應當地的氣候和土壤條件。在人工噴水、施肥、禁止幹擾等管理措施的配合下，人工接種生物結皮的土表在20天左右即可長出肉眼可見的藻類和苔蘚植株，高度可達1 5mm，2個月后土表即可形成斑塊狀的生物結皮，6 10個月後可形成約Icm厚的生物結皮層。此時，生物結皮的覆蓋度可達60%左右，新發育的生物結皮使地表呈明顯的深綠色。本發明提供的方法適用於年降水量為400mm左右的水蝕荒漠化地區，對該地區裸露土地覆蓋、退化植被恢復、水土流失防治等生態環境修復具有重要價值。與現有技術相比，本發明具有以下優點和效果(1)以當地自然發育的生物結皮為種源，種源中微生物種群結構合理，因此適應性強、過渡時間短、能迅速增殖，將種源均勻接種入裸露土表後能迅速形成高覆蓋度的生物結皮；(2)與傳統植樹造林相比，該方法成本低廉、簡便快捷、管理粗放、效果明顯、易於推廣，同時生長迅速、見效快；(3)該方法形成的生物結皮對地表的覆蓋度高、固土能力強，同時可有效增加雨水入滲，因此能顯著減少地表徑流和土壤流失，其水土保持效果優於植樹造林；(4)該方法形成的生物結皮能增加入滲、降低蒸發，改善土壤水分狀況，進而使地表植被向良性方向演替，即緩慢進入「生物結皮」向「生物結皮+草」向「生物結皮+草+灌」 向「生物結皮+草+灌+喬」的演替過程，符合自然植被的演替規律，能從根本上解決水蝕荒漠化地區植被退化的問題。
具體實施例方式以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。實施例1室內生物結皮的人工接種培養及其水土保持功能在黃土高原北部的六道溝流域(陝西省榆林市神木縣，110° 22' E、38° 48' N， 多年平均降水量409mm)採集生物結皮種源。該地區的生物結皮以苔蘚為主，主要種為土生扭口蘇(Barbula vinealis)、極地真蘇(Bryum arcticum(R. Brown)B. S. G.)禾口真蘇(Bryum argenteum Hedw.)，其它苔蘚種較為少見。本實施例共選擇了不同坡向、植被、土壤條件下的14個樣點，鏟取地表約2cm厚的生物結皮層，將所採集種源帶回室內陰乾，去除枯枝、落葉、礫石等雜物後使用普通粉碎機(篩孔直徑1.2mm)將其粉碎，充分攪拌混勻後置於陰涼處備用。本實施例在位於陝西省楊凌區的中國科學院水土保持研究所人工模擬降雨大廳內，取當地表層40cm耕作土壤(土墊旱耕人為土，其中粘粒積含量32%，粉粒含量四%，砂粒含量39% )，過2mm篩後用噴壺對其施肥(尿素，含氮8g/m2 ；過磷酸鈣，含磷5g/m2 ；氯化鉀，含鉀10g/m2)，混勻後裝填土槽(1.0m長X0. ^!寬X0.細高，坡度可調)，裝填高度為 :35cm，容重控制為1. 3g/cm3。待土槽裝好後，將以上收集的生物結皮種源按1 1的重量比與過Imm篩的細土混合，以1. Okg/m2的接種量均勻撒於土槽表面，並使用少量細土覆蓋。然後使用小噴壺對土表澆水至有輕微積水時停止，澆水過程中避免水流直接衝擊土表，同時避免形成地面積水和徑流。每三日澆水一次，45天後停止澆水。澆水完畢後將土槽置於遮蔭處，並在土槽上覆蓋遮陽網，期間定期清除雜草。接種後30天，以含氮5g/m2的量噴施尿素，並以含磷10g/m2 的量噴施磷酸二氫鉀(同時含鉀12. 6g/m2)。上述接種時間為2005年4月17日，至2006年4月28日時(接種後194天，不包括182天的非生長期，下同)，經人工接種培育的生物結皮其覆蓋度為40%，至2006年6月
55日時(接種後232天)覆蓋度為65%，至2006年7月9日時(接種後264天)覆蓋度接近100%。該人工接種培養形成的生物結皮主要為苔蘚，其主要種與所用生物結皮種源相同，厚度約為5mm，生物量為7. 7mg/cm2，苔蘚植株密度為15株/cm2。對上述人工培育形成的生物結皮後進行模擬降雨試驗，結果表明(1)室內人工培育形成的生物結皮可顯著增加降雨入滲、減少徑流，但其作用程度與生物結皮的覆蓋度有關，覆蓋度越高則作用越大，生物結皮覆蓋度為四%時可減少34%的徑流，覆蓋度為 41%時可減少41%的徑流，覆蓋度為80%時可減少M%的徑流，覆蓋度為100%時可減少 68%的徑流；( 人工培育的生物結皮覆蓋地表後，對土壤有較強的固持作用，基本上可以杜絕土壤流失的發生，即該人工培育生物結皮對土壤流失的降低作用為100%。本實施例表明，在室內通過人工接種的方法培育生物結皮是可行的，經過約9個月的培育後，生物結皮可基本覆蓋地表，覆蓋度接近100%，且所培育形成的生物結皮能降低68%的地表徑流，並基本杜絕土壤流失，具有顯著的水土流失防治功能。實施例2野外生物結皮的人工接種培養及其水土保持功能在黃土高原北部的六道溝流域(陝西省榆林市神木縣，110° 22' E、38° 48' N， 多年平均降水量為409mm)採集生物結皮種源。該地區的生物結皮以苔蘚為主，主要種為土生扭口蘚(Barbula vinealis)、極地真蘚(Bryum arcticum(R. Brown)B. S. G.)和真蘚 (Bryum argenteum Hedw.)，其它苔蘚種較為少見。本實施例共選擇了不同坡向、植被、土壤條件下的14個樣點，鏟取地表約2cm厚的生物結皮層，將所採集種源帶回室內陰乾，去除枯枝、落葉、礫石等雜物後使用普通粉碎機(篩孔直徑1. 2mm)將其粉碎，充分攪拌混勻後置於陰涼處備用。本實施例在六道溝流域，選擇具有代表性的退化裸露土地一塊作為待接種土地， 其土壤質地為砂質壤土，其中粘粒含量12%、粉粒含量16%、砂粒含量72%。對待接種土地進行清理和平整，去除枯枝、落葉、礫石等地表雜物後，填平大坑和溝壑，並對浮土進行壓實。將所採集的生物結皮種源按1 2的重量比與過Imm篩的細土混合後，以0. 5kg/m2 的接種量均勻撒於待接種土表，並使用少量細土覆蓋，其後小心澆水並進行各種管理措施。 具體過程為，2005年8月4日接種，隨後每日傍晚澆水，澆水過程中避免水流直接衝擊土表， 同時避免形成地面積水和徑流。其間定期除草，並噴施敵敵畏農藥防治土壤動物(螻蛄等) 對地表的破壞，另外於2005年9月12日和2006年6月17日兩次噴施尿素(含氮8g/m2) 和磷酸二氫鉀(含磷5g/m2，含鉀6. 3g/m2)。至2006年6月生物結皮初步形成後即停止澆水，任其自然發育，期間培育約4個月共120天(2005年10月至2006年4月為冬季，期間未管理)。接種後生物結皮迅速增殖，尤其是2006年7月進入雨季後生物結皮生長迅速，覆蓋度達到約60%，10月進入雨季後期生物結皮生長較為緩慢。由此表明，野外接種後經過短期的人工培育即可形成較高覆蓋度的生物結皮，且生物結皮的生長主要集中在雨季。將人工培育的生物結皮與自然發育的生物結皮進行比較，發現二者在組成成分、形態特徵等方面基本相同，表明野外培育的生物結皮與自然發育的生物結皮為同類生物結皮，但二者在結皮厚度、苔蘚密度等方面差別較大。同時，培養過程中發現，螻蛄等土壤動物對地表的擾動可嚴重破壞生物結皮的生長，因此本實例中將0. :3ml/m2的敵敵畏(80%乳油)稀釋1000倍後噴施地表，以防治土壤動物對生物結皮的破壞。在自然降雨條件下對上述人工培育生物結皮的水土流失狀況進行監測，監測時間為2006年6月23日 10月3日，期間總降雨量為沈7. 7mm,佔全年降雨總量(不包括降雪)的80%，共產流13次。計算13次降雨的總徑流量可知，人工培育生物結皮的總徑流量比無結皮少12%，可見生物結皮可明顯減少徑流，對降雨入滲有顯著促進作用。泥沙方面， 與無結皮相比，生物結皮的泥沙量減少了 33%，表明生物結皮對土壤侵蝕有明顯降低作用。本實施例表明，在荒漠化地區，通過人工接種的方法在野外實地培育生物結皮是可行的。進行人工接種並經過1個雨季的培育後，生物結皮的覆蓋度可達到60%，且所培育形成的生物結皮能降低12%的地表徑流和33%的土壤流失，具有顯著的水土流失防治功能，是治理水蝕荒漠化的一種有效方法。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法，其特徵在於，將生物結皮種源人工接種於水蝕荒漠化區的裸露土表，培育生物結皮，使其覆蓋裸露土表。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，具體包括如下步驟1)選擇自然發育的生物結皮，鏟取表層10 30mm厚的結皮層備用；2)將採集的生物結皮陰乾，去除雜物後粉碎，充分攪拌混勻製成生物結皮種源；3)將製備的生物結皮種源與細土以1 1 2的質量比混合後，均勻撒於待接種土表， 並覆蓋細土，完成後充分澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的70 80% ；4)控制適宜條件促進生物結皮生長，包括澆水、追肥、殺蟲以及清除雜草。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述的生物結皮種源選自乾旱、半乾旱地區自然發育的生物結皮。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述的生物結皮種源採集在雨季且地表較為乾燥時進行，採集時應針對不同地形、土壤、植被設多個採集點，分別採集，以保證所採集種源的代表性和適應性。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述生物結皮種源在接種前控制其含水量為4 6%。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述生物結皮種源粉碎後的當量直徑為 L 0 L 5mm。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述生物結皮種源粉碎後的當量直徑為 1. 2mm。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述生物結皮種源與細土混合物的接種量為0. 5 1. Okg/m2。
9.根據權利要求1或2所述方法，其特徵在於，接種生物結皮種源後保持接種地的溼潤，在生長期內每日傍晚澆水一次，待生物結皮大部分成活且土表呈淺綠色時停止澆水。
10.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在生長期內至少追肥一次，施肥量為氮 5 8g/m2、磷 5 10g/m2、鉀 6 13g/m2。
全文摘要
本發明公開了一種利用生物結皮防治水蝕荒漠化的方法，其為將生物結皮種源人工接種於水蝕荒漠化區的裸露土表，培育生物結皮，使其覆蓋裸露土表。具體包括如下步驟1)選擇發育良好的自然生物結皮，鏟取表層10～30mm厚的結皮層備用；2)將採集的生物結皮陰乾去除雜物後粉碎，充分攪拌混勻製成生物結皮種源；3)將製備的生物結皮種源與細土以1∶1～2的比例混合後，均勻撒於待接種土表，並覆蓋少量細土，完成後充分澆水；4)控制適宜條件促進生物結皮生長，包括澆水、追肥、殺蟲以及清除雜草。通過人工接種、培養的方法可在短期內形成高覆蓋度的生物結皮，且所形成的生物結皮具有顯著的水土保持功能，是治理水蝕荒漠化的一種有效方法。
文檔編號A01G1/00GK102204434SQ20111007370
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月25日 優先權日2011年3月25日
發明者王慶海, 肖波, 趙允格 申請人:北京市農林科學院