CN102612953B - 一种荒漠环境中人工藻结皮的构建模式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荒漠环境中人工藻结皮的构建模式，通过利用新疆古尔班通古特沙漠环境中自然藻结皮中的混合藻类经液体培养后，转入大棚中经过扩繁，驯化，最后将驯化的藻种再接入野外沙漠环境中形成人工藻结皮；每升液体培养基组分为：(NH₄)₂HPO₄ 2.5g MgSO₄·7H₂O 0.07g，CaCl₂·2H₂O 0.036g，柠檬酸0.006g，柠檬酸铁胺0.006g，乙二胺四乙酸钠盐0.001g，CaCO₃ 0.02g，微量元素A₅溶液1mL，土壤提取液40mL。本发明利用混合藻种接种，省去了纯化分离的过程，而且培养速度快，节省了人力物力，具有重要的实用价值。

Description

一种荒漠环境中人工藻结皮的构建模式

发明领域

本发明涉及生物技术应用领域，具体的说，本发明涉及到新疆古尔班通古特荒漠环境中人工藻结皮的构建模式技术领域。

背景技术

目前，传统的防风固沙措施如植树造林、草方格沙障和粘土沙障表面上看是有效的，但不能从根本上解决沙化和沙漠化土地的治理问题。主要是因为高等植物生长缓慢，生长周期长，难以在短时间内起到防风固沙的作用。另外，每棵高等植物因其巨大的抽水作用使本已贫乏的地下水更加贫乏。

生物结皮作为干旱荒漠地区特殊环境的产物，是由微生物、藻类、真菌、地衣、苔藓与土壤颗粒形成的有机复合体。生物结皮在其发育过程中，积极参与土壤的形成，对于增加土壤养分和盐分，提高抗侵蚀性能、促进种子植物的植入发挥着重要的生态与地学效应。生物结皮对于荒漠干旱半干旱地区具有诸多功能：固氮作用，为荒漠植物和土壤微生态系统提供氮素；把金属螯合态转变为植物可吸收形态；提高土壤积聚能力，降低风蚀和沙土流失；构建一个粗糙表面，从而可以捕获水分或者养分含量丰富颗粒。这些功能决定了其在沙漠修复和植被管理中的重要作用。但沙漠生物结皮极易遭受破坏，一旦遭到破坏，会加速沙漠化进程。根据结皮大小，一块完整结皮自然恢复时间从几年到十几年不等，周期漫长。国内外生态学家在对生物结皮研究基础上，不断地探索生物结皮的人工培育及大量繁殖，开展其应用研究，为荒漠化地区的防沙治沙提供了低成本、高效益的新途径。

藻结皮是生物结皮的早期阶段，也是沙漠固定的首要标志。利用荒漠藻类构建藻结皮是人工生物结皮的关键。刘永定、胡春香等人利用荒漠藻在人工藻结皮的应用做了一系列研究(1999，2006，2007)，(胡春香，1999，荒漠藻类及其结皮机理研究[D].中国科学院武汉水生生物研究所；胡春香、刘永定等，1999，荒漠藻类对流沙的固定方法；Chen et al.，Journal of Arid Environments，2006，521-527；Xie et al.，Soil Biology&Biochemistry，2007，567-572)提出荒漠藻对流沙的固定方法。其方法主要是对生物结皮中的藻类纯化分离，然后将主要藻类进行扩大培养，将其按一定比例搭配组合，在野外进行喷施，并施水施肥，形成生物结皮。此方法在有条件的地区具有一定的应用价值，但对于条件恶略的地区有一定的局限性。

古尔班通古特沙漠位于新疆北部准噶尔盆地腹地，范围在44011′～46020′N和84031′～90000′E之间，面积约4.88×104km²，是中国面积最大的固定和半固定沙漠。在沙漠腹地，多数沙丘的形态主要以沙垄所组成，占固定半固定沙漠总面积的80％。古沙漠年平均降水量不超过150mm，在沙漠腹地仅有70～100mm，且主要集中在春季。年平均蒸发量在2000mm以上，无地下径流补给。年均温为6～10℃，极端温度为40℃以上，空气相对湿度平均为50％～60％，其中5～8月通常在45％以下[32，33]。沙丘表层以发育不完全、质地均以的风沙土为主，地表基质松散，养分贫瘠，在春夏之交起风沙多。与我国北部的其它沙漠相比，该沙漠植被主要以小半乔木、灌木、小半灌木、多年生草本、一年生营养植物和短命植物6种生活型。由白梭梭(Haloxylon persicum)和梭梭(H.ammodendron)以及其它沙生植物构成的灌木和小乔木群落广泛分布，同时由于冬春季节有一定的融雪和降水，短命和类短命植物群落春末夏初获得一定发育，除此以外，该沙漠地表还发育有良好的生物土壤结皮。但是，近年来，随着在古尔班通古特沙漠中农田开垦、放牧和石油开采等人为活动的日益加剧，对沙漠中生物结皮破坏严重，这势必会对沙漠地表稳定性、土壤肥力和地表植被产生重要影响，使沙漠化进一步加剧，危及周围绿洲和农田。所以，在古尔班通古特沙漠开展生物结皮人工恢复的应用研究具有重要意义。

我国对新疆古尔班通古特沙漠生物结皮的研究主要是对理论的研究，包括生物结皮的分布特征(Zhang et al.，2007，Journal of Arid Environments，68，599-610；张丙昌等，2011，中国沙漠，31，919-926；张丙昌等，2008，植物生态学报，32，456-464；吴楠等，2005，应用与环境生物学报，11，349-353)、物种组成(Zhang et al.2011，Arid Land Research and Management，25，275-293；Zhang et al.，2009，Biology and Fertility of Soils，45，539-547；)、理化特性(张元明等，2005，生态学报，25，3420-3425；李卫红等，2005，冰川冻土，27，619-626；杨海峰等，中国沙漠，30，319-325)、土壤酶活性(吴楠等，2007，生态学报，27，3785-3793；Wu et al.，Journal of Arid Environments，73，828-833)、生物结皮活性物质的培养(Zheng et al.，2011，Arid Land Research and Management，25，郑云普等，2010，生态学报，30，1655-1664；郑云普等，2009，河北师范大学学报，33，379-386；张丙昌等，2007，干旱区研究，45，641-646)、空气动力学特征(Wanget al.，2005，Science in China，48，778-785盖世广等，2008，水土保持学报，22，30-34)、沙丘尺度分异规律(王雪芹等，2004，中国科学，34，763-768)Wang et al.2005，Chinese Science Bulletin，110-116，王雪芹等，2006，中国沙漠26，711-716)、生物结皮水文学(Zhang et al.，2009，Journal of Hydrology，379，220-228；张静等，2009，生态学报，29，1-9；蒋超等，2009，干旱区研究，26，519-525；张静等，2007，干旱区研究，661-668；王雪芹等，2006，冰川冻土，28，262-268；)、生物结皮与种子植物的关系(Wang et al.2005，Chinese Science Bulletin，110-116；陈荣毅等，2008，干旱区研究，107-113；陈荣毅等，2008，中国沙漠，28，868-873)等方面的研究。对于人工生物结皮在沙漠规模化应用的研究还未有突破性进展。本发明是在发明人近年来在生物结皮荒漠藻类的相关研究，提出一种在荒漠环境中人工藻结皮的构建模式。

发明内容

针对国内外未见有关新疆古尔班通古特沙漠环境中人工藻结皮构建成功模式的技术现状，本发明针对新疆古尔班通古特沙漠地区在夏季极端干旱，冬季具有稳定积雪期地区，根据生物多样性能够维持生态系统的稳定性原理，生物结皮中丰富的藻类物种多样性是维持荒漠地表生态系统稳定性的重要基础。

本发明的目的在于提供一种新疆古尔班通古特沙漠环境中人工藻结皮的构建模式，通过利用自然藻结皮中的混合藻类经液体培养后，转入大棚中经过扩繁，驯化，最后在8月份接入野外沙漠环境中。其具体构建步骤如下：

(1)在野外采集发育良好的自然藻结皮土样，风干后研磨，然后将土样收集。

(2)将裸沙过0.2mm筛后按照每升培养基加入100g裸沙，置于培养架上，然后将上述步骤制备的研磨结皮土样加入液体培养基进行培养，接种量是50g干土/升培养基，培养温度是室温，光照强度80μE·m^-2·s^-1，3周后将藻种和所固着的沙粒一并收集，自然风干。

(3)将自然风干的藻种及其沙粒破碎成小块，利用石磨手动研磨呈藻粉，藻粉颗粒大小为0.1mm，在冰箱内-20℃保存。

(4)大棚中扩繁与炼苗，在沙漠边缘选择质地较细的裸沙区域修建大棚，大棚内安装滴灌设备；四月中下旬将上述步骤(3)藻粉接入大棚，接种量是80g·m^-2，前两周内每天在上午10:00-11:00阳光充裕阶段定量施水，施水量是3L·m^-2，第三周每3天施水一次，第四周共施水一次，第5周末收取藻种，以此方式可在大棚中连续扩繁2-3次，扩大藻种量；同时，在大棚中提高藻种对干旱、高温、强紫外辐射等恶劣环境条件，即在月降水量在25-35mm，气温在20-30℃，地表温度在20-50℃；紫外辐射强度：UV-A，1.0·1.5mW·cm^-2，UV-B，0.3-0.5mW·cm^-2条件下提高其适应能力。

(5)8月初收集大棚中藻结皮，充分干燥，利用石磨将藻种制成藻粉，低温保存。

(6)选择次年积雪开始融化后进行接种：依照土壤有充足的水分，气温升高阶段，利用喷粉机接种，接种量是80g·m^-2，并覆盖塑料薄膜来增温保湿；利用天然的水热条件促使藻结皮的形成，进入5月份，除去塑料薄膜，藻结皮逐渐适应外界环境的变化。

本发明中，液体培养基每升培养基组分如下：：(NH₄)₂HPO₄ 2.5g MgSO₄·7H₂O 0.07g，CaCl₂·2H₂O 0.036g，柠檬酸0.006g，柠檬酸铁胺0.006g，乙二胺四乙酸钠盐0.001g，CaCO₃ 0.02g，微量元素A₅溶液1mL，土壤提取液40mL。其中，A₅溶液组分：每升重蒸水中加入H₃BO₃ 2.86g，MnCl₂·4H₂O 1.86g，ZnSO₄·7H2O 0.22g，Na₂MoO₄·2H₂O 0.39g，CuSO₄·5H₂O 0.08g，Co(NO₃)₂·6H₂O0.05g。

土壤提取液配制方法：取肥沃耕作土(未施过肥)200g置于烧杯或三角瓶中，加入蒸馏水1000毫升，瓶口用透气塞封口，在水浴中沸水加热3小时，冷却，沉淀24小时，此过程连续进行3次，然后过滤，取上清液，稀释至1L，于高压灭菌锅中灭菌后于4℃冰箱中保存备用。

通过实施本发明具体的技术内容，可以达到以下有益效果。

1.本发明提供的该技术可以迅速扩繁藻种，从野外收集的自然藻结皮，其平均生物量是0.016±0.005mg叶绿素a/g^-1干土，在BG₁₁液体培养基中经室内培养2-3周后，藻种及沙粒经收集干燥后，藻类生物量是0.229±0.078叶绿素a/g-1干土，其生物量扩大了43倍之多；当接种到大棚中，培养一个月后藻类生物量是0.0085±0.0016mg叶绿素a/g^-1干土，藻种生物量进一步扩大到158多倍。1m²的自然藻结皮土样，经过液体培养和大棚扩大培养后，其藻种可以接种154亩左右的荒漠面积，相当可观。利用混合藻种接种，省去了纯化分离的过程，而且培养速度快，节省了人力物力。

2.本发明通过才采用新疆古尔班通古特沙漠环境中培养的混合藻种通过在大棚中扩繁、驯化后，可以在较短时间内提高藻种对干旱、高温和紫外线等恶略环境条件的适应能力，并能够在次年4月份在沙漠环境接种，充分利用了春季积雪融水和气温回升的有利条件，有助于接种藻类利用现有条件成功定植形成藻结皮，基本上省去了人工施水的环节。

附图说明

图1为自然藻结皮图；

图2为液体培养藻种的图；

图3为在大棚中形成藻结皮的图；

图4在野外环境接种后6个月形成藻结皮的图。

具体实施方式

下面，举实施例说明本发明，但是，本发明并不限于下述的实施例。

本发明中选用的所有原辅材料、试剂和仪器都为本领域熟知的，其他本领域熟知的一些试剂和设备都可适用于本发明以下实施方式的实施。

实施例一：新疆古尔班通古特沙漠荒漠环境中人工藻结皮的构建模式

本发明具体提供了一种新疆古尔班通古特沙漠荒漠环境中人工藻结皮的构建模式，其具体构建步骤如下：

(1)藻种选择：在野外采集发育良好的自然藻结皮土样，参见附图1，风干后研磨，然后将土样收集。

(2)液体培养：将裸沙过0.2mm筛后按照每升培养基加入100g裸沙，置于培养架上，然后将上述步骤制备的研磨结皮土样加入液体培养基进行培养，接种量是50g干土/升培养基，培养温度是室温，光照强度80μE·m^-2·s^-1，参见附图2，3周后将藻种和所固着的沙粒一并收集，自然风干。

(3)藻粉制作：将自然风干的藻种及其沙粒破碎成小块，利用石磨手动研磨呈藻粉，藻粉颗粒大小为0.1mm，在冰箱内-20℃保存。

(4)大棚中扩繁与炼苗，在沙漠边缘选择质地较细的裸沙区域修建大棚，大棚内安装滴灌设备；四月中下旬将上述步骤(3)藻粉接入大棚，接种量是80g·m^-2，前两周内每天在上午10:00-11:00阳光充裕阶段定量施水，施水量是3L·m^-2，第三周每3天施水一次，第四周共施水一次，第5周末收取藻种，以此方式可在大棚中连续扩繁2-3次，扩大藻种量；同时，在大棚中提高藻种对干旱、高温、强紫外辐射等恶略条件的适应能力，即在月降水量在25-35mm，气温在20-30℃，地表温度在20-50℃，紫外辐射强度：UV-A，1.0-1.5mW·cm^-2，UV-B，0.3-0.5mW·cm^-2条件下提高其适应能力。

(5)藻种收取：8月初收集大棚中的藻结皮，参见附图3，充分干燥，利用石磨将藻种制成藻粉，低温保存。

(6)野外接种：选择次年积雪开始融化后进行接种。依照土壤有充足的水分，气温升高阶段，利用喷粉机接种，接种量是80g·m^-2，并覆盖塑料薄膜来增温保湿；利用天然的水热条件促使藻结皮的形成，参见附图4，进入5月份，除去塑料薄膜，藻结皮逐渐适应外界环境的变化。

本发明中，液体培养基在BG₁₁培养基基础上经改良的培养基，其每升培养基组分如下：(NH₄)₂HPO₄ 2.5g MgSO₄·7H₂O 0.07g，CaCl₂·2H₂O 0.036g，柠檬酸0.006g，柠檬酸铁胺0.006g，乙二胺四乙酸钠盐0.001g，CaCO₃ 0.02g，微量元素A₅溶液1mL，土壤提取液40mL。其中，A₅溶液组分：每升重蒸水中加入H₃BO₃ 2.86g，MnCl₂·4H₂O 1.86g，ZnSO₄·7H2O 0.22g，Na₂MoO₄·2H₂O 0.39g，CuSO₄·5H₂O 0.08g，Co(NO₃)₂·6H₂O 0.05g。

土壤提取液配制方法：取肥沃耕作土(未施过肥)200g置于烧杯或三角瓶中，加入蒸馏水1000毫升，瓶口用透气塞封口，在水浴中沸水加热3小时，冷却，沉淀24小时，此过程连续进行3次，然后过滤，取上清液，稀释至1L，于高压灭菌锅中灭菌后于4℃冰箱中保存备用。

实施例二：新疆古尔班通古特沙漠荒漠环境人工藻结皮的构建模式的效果试验

具体实验方法：利用土壤中叶绿素a的含量表示藻类生物量，测定方法参见文献(Xie et al.，2007，Soil Biology&Biochemistry，567-572)，根据接种量和土壤中藻类生物量含量，计算出接种的藻类总生物量，收获藻种生物量是藻种生物量含量与收获藻种土壤重量的乘积。

通过上述提供的新疆古尔班通古特沙漠荒漠环境人工藻结皮的构建模式可以迅速扩繁藻种。具体分析如下：

1)从野外收集的自然藻结皮，取样深度为1cm，其容重1.744±0.068g cm^-3，即在深度为1cm，1cm^-2面积的藻结皮重量是1.744±0.068g。藻结皮内平均藻类生物量是0.016±0.005mg叶绿素a·g^-1干土，1m²的自然藻结皮土壤重量约是1.744×(1×104)＝17440g，所含藻生物量是17440×0.016＝279.04g。

2)每升改良后的液体培养基加入100g裸沙，需要接种为50g藻结皮土样，那么1m²可以约接种348(17440÷50＝348)升液体培养基，在液体培养基中经室内培养2-3周后，藻种及沙粒经收集干燥后，藻种生物量是0.229±0.078mg叶绿素a·g^-1干土，1升液体培养基收获的藻种及沙粒约重150g，其生物量扩大了近43倍 $(\frac{0.229\×(50+100)}{0.016\×50}=42.9).$

3)当接种到大棚中，接种量是80g·m^-2，接种后在大棚培养40天左右，藻种平均生物量是0.0085±0.0016mg叶绿素a·g^-1干土。培养后收获藻种，取样深度为1cm，如按土壤容重1.744±0.068g cm^-3计算，1m²人工藻结皮所含藻类生物量17440×0.0085＝148.24mg，藻种生物量扩大约158倍(148.24÷(80×0.016)≈158)。

4)348升液体培养基扩繁的藻种大约可在大棚内接种的面积(150×348)/80＝652m²，经大棚扩繁后藻种进一步扩大158倍。那么1m²的自然藻结皮经过液体培养和大棚扩大培养后，其收获的藻种可以接种的面积约154亩(652×158＝103016m2≈154亩)左右的荒漠面积，相当可观。利用混合藻种接种，省去了纯化分离的过程，而且培养速度快，节省了人力物力。

本发明通过才采用新疆古尔班通古特沙漠荒漠环境中培养的混合藻种通过在大棚中扩繁、驯化后，可以在较短时间内提高藻种对干旱、高温和紫外线等恶略环境条件的适应能力，并能够在次年4月份在沙漠环境接种，充分利用了春季积雪融水和气温回升的有利条件，有助于接种藻类利用现有条件成功定植形成藻结皮，基本上省去了人工施水的环节。

Claims (1)

1.一种新疆古尔班通古特沙漠环境中人工藻结皮的构建方法，通过利用自然藻结皮中的混合藻类经液体培养后，转入大棚中经过扩繁，驯化，最后接入野外沙漠环境中，其特征在于，具体构建步骤如下：

(1)在野外采集发育良好的自然藻结皮土样，风干后研磨，然后将土样收集；

(2)将裸沙过0.2mm筛后按照每升液体培养基加入100g裸沙，置于培养架上，然后将上述步骤制备的研磨结皮土样加入液体培养基进行培养，接种量是50g干土／升培养基，培养温度是室温，光照强度80μE·m^-2·s^-1，3周后将藻种和所固着的沙粒一并收集，自然风干；每升液体培养基组分为：(NH₄)₂HPO₄2.5g，MgSO₄·7H₂O0.07g，CaCl₂·2H₂O0.036g，柠檬酸0.006g，柠檬酸铁胺0.006g，乙二胺四乙酸钠盐0.001g，CaCO₃0.02g，微量元素A₅溶液1mL，土壤提取液40mL；其中，A₅溶液按每升重蒸水中加入H₃BO₃2.86g，MnCl₂·4H₂O1.86g，ZnSO₄·7H₂O0.22g，Na₂MoO₄·2H₂O0.39g，CuSO₄·5H₂O0.08g，Co(NO₃)₂·6H₂O0.05g；

(3)将自然风干的藻种及其沙粒破碎成小块，利用石磨手动研磨呈藻粉，藻粉颗粒大小为0.1mm，在冰箱内-20℃保存；

(4)大棚中扩繁与炼苗，在沙漠边缘选择质地较细的裸沙区域修建大棚，大棚内安装滴灌设备；四月中下旬将上述步骤(3)藻粉接入大棚，接种量是80g·m^-2，前两周内每天在上午10：00-11：00阳光充裕阶段定量施水，施水量是3L·m^-2，第三周每3天施水一次，第四周共施水一次，第5周末收取藻种，以此方式在大棚中连续扩繁2-3次，扩大藻种量；同时，在大棚中对干旱、高温、强紫外辐射恶劣环境条件下的藻种，在月降水量在25-35mm，气温在20-30℃，地表温度在20-50℃；紫外辐射强度：UV-A，1.0-1.5mW·cm^-2，UV-B，0.3-0.5mW·cm^-2条件下提高其适应能力；

(5)8月初收集大棚中藻结皮，充分干燥，利用石磨将藻种制成藻粉，低温保存；

(6)选择次年积雪开始融化后进行接种：当土壤有充足的水分，气温升高阶段，利用喷粉机接种，接种量是80g·m^-2，并覆盖塑料薄膜来增温保湿；利用天然的水热条件促使藻结皮的形成，进入5月份，除去塑料薄膜，藻结皮逐渐适应外界环境的变化。

Images