CN102204434B

CN102204434B - 一种利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法

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Publication number: CN102204434B
Application number: CN2011100737014A
Authority: CN
Inventors: 肖波; 王庆海; 赵允格
Original assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Current assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102204434A

Abstract

本发明公开了一种利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法，其为将生物结皮种源人工接种于水蚀荒漠化区的裸露土表，培育生物结皮，使其覆盖裸露土表。具体包括如下步骤：1)选择发育良好的自然生物结皮，铲取表层10～30mm厚的结皮层备用；2)将采集的生物结皮阴干去除杂物后粉碎，充分搅拌混匀制成生物结皮种源；3)将制备的生物结皮种源与细土以1∶1～2的比例混合后，均匀撒于待接种土表，并覆盖少量细土，完成后充分浇水；4)控制适宜条件促进生物结皮生长，包括浇水、追肥、杀虫以及清除杂草。通过人工接种、培养的方法可在短期内形成高覆盖度的生物结皮，且所形成的生物结皮具有显著的水土保持功能，是治理水蚀荒漠化的一种有效方法。

Description

一种利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法

技术领域

本发明属于荒漠化防治和生态环境修复领域，特别涉及利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法。

背景技术

水蚀荒漠化是由水土流失所造成的土地退化，是一种重要的荒漠化形式，它和风蚀荒漠化、石漠化、冻融荒漠化以及盐渍荒漠化共同构成的土地荒漠化问题是我国当前面临的最为严重的生态环境问题。第四次全国荒漠化和沙化监测结果显示，截止2009年底，我国水蚀荒漠化面积26万平方公里，占荒漠化总面积的10％，主要分布于黄土高原北部、东北西部以及新疆部分地区，其中黄土高原是我国水蚀荒漠化最为严重的地区。严重的水蚀荒漠化致使地力衰退、灾害频发、河库淤积、水质恶化、水资源短缺，极大制约了资源环境的可持续利用与社会经济的可持续发展，是我国当前亟待解决的重要生态环境问题。

干旱少雨、降雨集中以及长期土地不合理利用所导致的植被退化和水土流失是水蚀荒漠化的主要原因，因此通过植树造林恢复地表植被是当前水蚀荒漠化防治的主要手段。然而，多年植树造林的经验表明，由于干旱半干旱地区降水不足、蒸发强烈，该地区土壤水分长期亏缺，因此植树造林的成活率较低，即便成活后也会由于长期水分供给不足而生长不良，最终形成“小老树”。大面积植树造林不仅不能形成有效的植被覆盖，反而会浪费深层土壤水分，形成土壤干层，使土壤水分亏缺和植被退化状况进一步加剧。近年来，相关学者开始认识到这一问题，建议以灌草代替乔木恢复地表植被，并提出了植被承载力(某地区所能承载的最大植被覆盖度)的概念。

植被稀疏是制约荒漠化地区生态恢复的关键因素，然而越来越多的研究者发现，在稀疏植被下或林间空地上，广泛发育着一种由细菌、真菌、苔藓、藻类和地衣等微生物与表层土壤相互复合形成的生物结皮。在黄土高原地区，生物结皮的厚度可达30mm，覆盖度可达70％以上。生物结皮对高温、低温、紫外线以及养分贫瘠、干旱胁迫等逆境有很强的适应性和抵抗能力，普遍存在于干旱和半干旱地区，是荒漠化地区地表植被不可忽略的重要组成部分。生物结皮具有重要的生态功能：一方面，生物结皮可以通过固定碳氮、降低土壤pH、增加土壤微生物及酶活性等作用，提高土壤有机质和部分营养元素的含量与有效性；另一方面，生物结皮还可以改善土壤微结构、增加表层土壤的稳定性和渗透能力，降低土壤随风力和水力的侵蚀。生物结皮优异的适应能力和卓越的生态功能引起了生态学、水文学、水土保持学等相关科学家的关注，他们希望在荒漠化地区通过人工培育生物结皮的方法对裸露地表进行覆盖，为退化裸露土地披上“生物地毯”，从而为荒漠化防治提供一条新方法和新思路。

利用生物结皮防治风蚀荒漠化(专利申请号99116583.7、200510063092.9、200510055383.3)和石漠化(专利申请号200410098476.X、200410098477.4)的方法已有描述，但在水蚀荒漠化的防治领域中还未有生物结皮的应用。一方面，水蚀荒漠化与风蚀荒漠化及石漠化是三种截然不同的荒漠化形式，三者在发生区域、形成原因、危害方式以及防治方法等方面均有本质区别。其中：水蚀荒漠化主要发生在黄土高原地区，是由水蚀作用造成的荒漠化形式；风蚀荒漠化主要发生在西北干旱地区，是以风沙活动为主要特征的荒漠化形式；而石漠化则主要发生在我国广西、贵州、云南等喀斯特岩溶区，是以大片岩石裸露为主要特征的荒漠化形式。另一方面，生物结皮的种类和特征具有明显的区域性，由于受降雨、光照、气温等气候条件以及土壤、植被等地形地貌特征的影响，不同区域内生物结皮的厚度、颜色等形态特征与微生物成分(藻类、苔藓、地衣等)、生物量等生物特征均差异极大，这直接导致了不同地区生物结皮具有显著不同甚至截然相反的作用与功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法。

本发明提供的利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法，其为将生物结皮种源人工接种于水蚀荒漠化区的裸露土表，培育生物结皮，使其覆盖裸露土表。

在本发明提供的利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法，具体包括如下步骤：

1)选择自然发育生物结皮，铲取表层10～30mm厚的结皮层备用；

2)将采集的生物结皮阴干，去除杂物后粉碎，充分搅拌混匀制成生物结皮种源；

3)将制备的生物结皮种源与细土以1∶1～2的质量比混合后，均匀撒于待接种土表，并覆盖细土，完成后充分浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70～80％；

4)控制适宜条件促进生物结皮生长，包括浇水、追肥、杀虫以及清除杂草。

其中，采集的生物结皮优选用发育良好，覆盖度好的生物结皮。

其中，所述的细土优选为过1mm的筛的细土。

在本发明的一个优选的实施方案中，所述的生物结皮种源选自干旱、半干旱地区自然发育的生物结皮。

所述的生物结皮种源采集在雨季且地表较为干燥时进行，采集时应针对不同地形、土壤、植被设多个采集点，分别采集，以保证所采集种源的代表性和适应性。

本发明中，所述生物结皮种源在接种前控制其含水量为4～6％，优选为5％。

本发明中，所述生物结皮种源粉碎后的当量直径为1.0～1.5mm，优选为1.2mm。

本发明的一个实施方案中，所述的生物结皮种源优选与等量的过1mm筛的细土混合后进行撒播接种，接种量为0.5～1.0kg/m²的生物结皮与细土的混合物。

在本发明的一个实施方案中，接种生物结皮种源后保持接种地的湿润，在生长期内每日傍晚浇水一次，待生物结皮大部分成活且土表呈浅绿色时停止浇水。

在本发明的另一个实施方案中，在生长期内，至少追肥一次，施肥量为氮5～8g/m²、磷5～10g/m²、钾6～13g/m²。

在本发明的另一个实施方案中，还包括用农药，如敌敌畏对土壤昆虫进行防治。

本发明在于采集干旱半干旱地区自然发育的生物结皮，以其为种源对水蚀荒漠化地区裸露土地进行人工接种，并创造各种适宜条件促进其生长。这种多点采集的生物结皮种源完全来自于当地自然条件，其中微生物种群结构合理，因此能够完全适应当地的气候和土壤条件。在人工喷水、施肥、禁止干扰等管理措施的配合下，人工接种生物结皮的土表在20天左右即可长出肉眼可见的藻类和苔藓植株，高度可达1～5mm，2个月后土表即可形成斑块状的生物结皮，6～10个月后可形成约1cm厚的生物结皮层。此时，生物结皮的覆盖度可达60％左右，新发育的生物结皮使地表呈明显的深绿色。本发明提供的方法适用于年降水量为400mm左右的水蚀荒漠化地区，对该地区裸露土地覆盖、退化植被恢复、水土流失防治等生态环境修复具有重要价值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

(1)以当地自然发育的生物结皮为种源，种源中微生物种群结构合理，因此适应性强、过渡时间短、能迅速增殖，将种源均匀接种入裸露土表后能迅速形成高覆盖度的生物结皮；

(2)与传统植树造林相比，该方法成本低廉、简便快捷、管理粗放、效果明显、易于推广，同时生长迅速、见效快；

(3)该方法形成的生物结皮对地表的覆盖度高、固土能力强，同时可有效增加雨水入渗，因此能显著减少地表径流和土壤流失，其水土保持效果优于植树造林；

(4)该方法形成的生物结皮能增加入渗、降低蒸发，改善土壤水分状况，进而使地表植被向良性方向演替，即缓慢进入“生物结皮”向“生物结皮+草”向“生物结皮+草+灌”向“生物结皮+草+灌+乔”的演替过程，符合自然植被的演替规律，能从根本上解决水蚀荒漠化地区植被退化的问题。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1室内生物结皮的人工接种培养及其水土保持功能

在黄土高原北部的六道沟流域(陕西省榆林市神木县，110°22′E、38°48′N，多年平均降水量409mm)采集生物结皮种源。该地区的生物结皮以苔藓为主，主要种为土生扭口藓(Barbula vinealis)、极地真藓(Bryum arcticum(R.Brown)B.S.G.)和真藓(Bryum argenteumHedw.)，其它苔藓种较为少见。本实施例共选择了不同坡向、植被、土壤条件下的14个样点，铲取地表约2cm厚的生物结皮层，将所采集种源带回室内阴干，去除枯枝、落叶、砾石等杂物后使用普通粉碎机(筛孔直径1.2mm)将其粉碎，充分搅拌混匀后置于阴凉处备用。

本实施例在位于陕西省杨凌区的中国科学院水土保持研究所人工模拟降雨大厅内，取当地表层40cm耕作土壤(土垫旱耕人为土，其中粘粒积含量32％，粉粒含量29％，砂粒含量39％)，过2mm筛后用喷壶对其施肥(尿素，含氮8g/m²；过磷酸钙，含磷5g/m²；氯化钾，含钾10g/m²)，混匀后装填土槽(1.0m长×0.4m宽×0.4m高，坡度可调)，装填高度为35cm，容重控制为1.3g/cm³。

待土槽装好后，将以上收集的生物结皮种源按1∶1的重量比与过1mm筛的细土混合，以1.0kg/m²的接种量均匀撒于土槽表面，并使用少量细土覆盖。然后使用小喷壶对土表浇水至有轻微积水时停止，浇水过程中避免水流直接冲击土表，同时避免形成地面积水和径流。每三日浇水一次，45天后停止浇水。浇水完毕后将土槽置于遮荫处，并在土槽上覆盖遮阳网，期间定期清除杂草。接种后30天，以含氮5g/m²的量喷施尿素，并以含磷10g/m²的量喷施磷酸二氢钾(同时含钾12.6g/m²)。

上述接种时间为2005年4月17日，至2006年4月28日时(接种后194天，不包括182天的非生长期，下同)，经人工接种培育的生物结皮其覆盖度为40％，至2006年6月5日时(接种后232天)覆盖度为65％，至2006年7月9日时(接种后264天)覆盖度接近100％。该人工接种培养形成的生物结皮主要为苔藓，其主要种与所用生物结皮种源相同，厚度约为5mm，生物量为7.7mg/cm²，苔藓植株密度为15株/cm²。

对上述人工培育形成的生物结皮后进行模拟降雨试验，结果表明：(1)室内人工培育形成的生物结皮可显著增加降雨入渗、减少径流，但其作用程度与生物结皮的覆盖度有关，覆盖度越高则作用越大，生物结皮覆盖度为29％时可减少34％的径流，覆盖度为41％时可减少41％的径流，覆盖度为80％时可减少54％的径流，覆盖度为100％时可减少68％的径流；(2)人工培育的生物结皮覆盖地表后，对土壤有较强的固持作用，基本上可以杜绝土壤流失的发生，即该人工培育生物结皮对土壤流失的降低作用为100％。

本实施例表明，在室内通过人工接种的方法培育生物结皮是可行的，经过约9个月的培育后，生物结皮可基本覆盖地表，覆盖度接近100％，且所培育形成的生物结皮能降低68％的地表径流，并基本杜绝土壤流失，具有显著的水土流失防治功能。

实施例2野外生物结皮的人工接种培养及其水土保持功能

在黄土高原北部的六道沟流域(陕西省榆林市神木县，110°22′E、38°48′N，多年平均降水量为409mm)采集生物结皮种源。该地区的生物结皮以苔藓为主，主要种为土生扭口藓(Barbula vinealis)、极地真藓(Bryum arcticum(R.Brown)B.S.G.)和真藓(Bryum argenteumHedw.)，其它苔藓种较为少见。本实施例共选择了不同坡向、植被、土壤条件下的14个样点，铲取地表约2cm厚的生物结皮层，将所采集种源带回室内阴干，去除枯枝、落叶、砾石等杂物后使用普通粉碎机(筛孔直径1.2mm)将其粉碎，充分搅拌混匀后置于阴凉处备用。

本实施例在六道沟流域，选择具有代表性的退化裸露土地一块作为待接种土地，其土壤质地为砂质壤土，其中粘粒含量12％、粉粒含量16％、砂粒含量72％。对待接种土地进行清理和平整，去除枯枝、落叶、砾石等地表杂物后，填平大坑和沟壑，并对浮土进行压实。

将所采集的生物结皮种源按1∶2的重量比与过1mm筛的细土混合后，以0.5kg/m²的接种量均匀撒于待接种土表，并使用少量细土覆盖，其后小心浇水并进行各种管理措施。具体过程为，2005年8月4日接种，随后每日傍晚浇水，浇水过程中避免水流直接冲击土表，同时避免形成地面积水和径流。其间定期除草，并喷施敌敌畏农药防治土壤动物(蝼蛄等)对地表的破坏，另外于2005年9月12日和2006年6月17日两次喷施尿素(含氮8g/m²)和磷酸二氢钾(含磷5g/m²，含钾6.3g/m²)。至2006年6月生物结皮初步形成后即停止浇水，任其自然发育，期间培育约4个月共120天(2005年10月至2006年4月为冬季，期间未管理)。

接种后生物结皮迅速增殖，尤其是2006年7月进入雨季后生物结皮生长迅速，覆盖度达到约60％，10月进入雨季后期生物结皮生长较为缓慢。由此表明，野外接种后经过短期的人工培育即可形成较高覆盖度的生物结皮，且生物结皮的生长主要集中在雨季。将人工培育的生物结皮与自然发育的生物结皮进行比较，发现二者在组成成分、形态特征等方面基本相同，表明野外培育的生物结皮与自然发育的生物结皮为同类生物结皮，但二者在结皮厚度、苔藓密度等方面差别较大。同时，培养过程中发现，蝼蛄等土壤动物对地表的扰动可严重破坏生物结皮的生长，因此本实例中将0.3ml/m²的敌敌畏(80％乳油)稀释1000倍后喷施地表，以防治土壤动物对生物结皮的破坏。

在自然降雨条件下对上述人工培育生物结皮的水土流失状况进行监测，监测时间为2006年6月23日～10月3日，期间总降雨量为267.7mm，占全年降雨总量(不包括降雪)的80％，共产流13次。计算13次降雨的总径流量可知，人工培育生物结皮的总径流量比无结皮少12％，可见生物结皮可明显减少径流，对降雨入渗有显著促进作用。泥沙方面，与无结皮相比，生物结皮的泥沙量减少了33％，表明生物结皮对土壤侵蚀有明显降低作用。

本实施例表明，在荒漠化地区，通过人工接种的方法在野外实地培育生物结皮是可行的。进行人工接种并经过1个雨季的培育后，生物结皮的覆盖度可达到60％，且所培育形成的生物结皮能降低12％的地表径流和33％的土壤流失，具有显著的水土流失防治功能，是治理水蚀荒漠化的一种有效方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用生物结皮防治水蚀荒漠化的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

在黄土高原北部的六道沟流域即陕西省榆林市神木县，110°22′E、38°48′N，多年平均降水量409mm，采集生物结皮种源；该地区的生物结皮以苔藓为主，主要种为土生扭口藓（Barbulavinealis）、极地真藓（Brvum arcticum(R.Brown)B.S.G）和真藓（Brvumargenteum Hedw.），其它苔藓种较为少见；

共选择了不同坡向、植被、土壤条件下的14个样点，铲取地表约2cm厚的生物结皮层，将所采集种源带回室内阴干，去除枯枝、落叶、砾石杂物后使用筛孔直径为1.2mm普通粉碎机将其粉碎，充分搅拌混匀后置于阴凉处备用；

在位于陕西省杨凌区的中国科学院水土保持研究所人工模拟降雨大厅内，取当地表层40cm耕作土壤，土垫旱耕人为土，其中粘粒积含量32%，粉粒含量29%，砂粒含量39%，过2mm筛后用喷壶对其施肥；混匀后装填1.0m长×0.4m宽×0.4m高，坡度可调的土槽，装填高度为35cm，容重控制为1.3g/cm³；所述肥为尿素，含氮8g/m²；过磷酸钙，含磷5g/m²；氯化钾，含钾10g/m²；

待土槽装好后，将以上收集的生物结皮种源按1：1的重量比与过1mm筛的细土混合，以1.0kg/m²的接种量均匀撒于土槽表面，并使用少量细土覆盖，然后使用小喷壶对土表浇水至有轻微积水时停止，浇水过程中避免水流直接冲击土表，同时避免形成地面积水和径流；每三日浇水一次，45天后停止浇水；浇水完毕后将土槽置于遮荫处，并在土槽上覆盖遮阳网，期间定期清除杂草；接种后30天，以含氮5g/m²的量喷施尿素，并以含磷10g/m²的量喷施磷酸二氢钾，同时含钾12.6g/m²；

上述接种时间为2005年4月17日，至2006年4月28日时，接种后194天，不包括182天的非生长期，下同，经人工接种培育的生物结皮其覆盖度为40%，至2006年6月5日时，即接种后232天覆盖度为65%，至2006年7月9日时，即接种后264天覆盖度接近100%；该人工接种培养形成的生物结皮主要为苔藓，其主要种与所用生物结皮种源相同，厚度约为5mm，生物量为7.7mg/cm²，苔藓植株密度为15株/cm²。