CN103004417A - 一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法，步骤是：A、在植物难以生长的矿山复垦区，选取沙，将沙运至待修复的区域，铺设；B 、种草绿化：选择矿山生长的草本植物种植；C 、灌绿化：使用在耐旱地区生长的沙柳、沙蒿、柠条、沙打旺；乔木，选择白杨、沙枣、松树和柏树；把灌木如沙柳，种植；D、人工结皮：a、藻种选择；b、藻类培养液的配制；c 、藻种培养：⑴一级培养；⑵二级培养；⑶三级培养；⑷跑道式叶轮搅拌循环培养池培养；⑸藻类生物量收集；⑹微藻人工生物结皮接种；E、浇水养护；F、微藻生物结皮的检验。方法易行,操作方便,为矿山复垦生态修复、改善生态环境提供有效方法。

Description

一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法

技术领域

本发明涉及矿山复垦生态修复、改善生态环境技术领域,更具体涉及一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法。适用于对难以适合植物生长的矿山基质进行修复以及在矿山复垦后的基质上进行人工接种微藻，使其表面产生生物结皮，抑制扬尘，种植草、灌（乔）植物进行绿化，对矿山复垦后进行生态修复。

背景技术

中国矿产资源丰富矿种齐全是世界上第三大矿业大国,矿产资源储量总值占全世界的14.64%。截至2005年全国共有各类非油气矿山企业126695处，其中能源矿山企业23901处，金属矿山企业10116处，非金属矿山企业92678处，开采矿种193种，原矿量52.47亿t，矿山企业工业总产值5588.48亿元。矿产资源在中国国民经济建设中起着重要的基础性作用。95%左右的一次性能源及80%以上的工业原料大部分农业生产资料和1/3的饮用水都取自于矿产资源。然而由于体制管理和历史等方面的原因矿产资源的开发利用在为人类社会经济发展做出巨大贡献的同时，频繁的不合理的矿业活动破坏了矿区土地资源，诱发了地质灾害污染了矿区环境。严重的矿山环境地质问题不但影响着中国矿产资源开发经济发展环境保护的协调发展，而且严重危及地区社会的和谐与稳定。

矿产资源是重要的自然资源。然而，由于多年的矿产开采，各地普遍出现了“青山露白骨”的现象，金属矿开采造成的地面塌陷、水土环境污染，非金属矿开发产生的土地压占与破坏、泥石流、滑坡等是区内的主要环境地质问题。因此，研究废弃矿山生态修复营造技术，可为矿山生态修复工程提供理论依据和工程措施；并对改善城市环境空气质量及防治区域性生态系统退化、国土整治和绿化有重要的理论价值和实践意义。

近半个世纪以来，世界发达国家对废弃矿山的治理非常重视。为了保证废弃矿山生态环境恢复的工作顺利进行，许多国家如美国、加拿大、德国、澳大利亚及东欧一些国家都先后制定了有关法律、法令、规章来约束采矿业对土地的破坏。此外，这些国家为了搞好生态恢复工作建立了一些机构，并对矿山生态恢复的施工技术和植物选择技术进行了大量的研究。我国废弃矿山生态恢复工作起步于20世纪50年代末，但是由于社会、经济和技术等方面的原因，直到80年代基本上还处于零星、分散、小规模、低水平的状态。1988年《土地复垦规定》的出台，使该项工作步入了法制轨道，但总的绿化质量远不如国外。我国有关废弃矿山生态恢复理论的研究起步于80年代，90年代以后才初步形成一定规模，研究领域主要集中在煤矿废弃地和有色金属矿尾矿上恢复植被等。目前，我国的废弃矿山的恢复正从较低层次上的复垦向较高层次上的生态恢复过渡。然而目前在矿山绿化过程中，仍然存在着一些问题，首先矿山绿化主要是采用客土喷播，挂网，固定，喷播的办法，这种技术很好，但是比较单一，并不是所有矿山都适合这种方法，而且这种方法造价高，每平方米有100元。同时这种方法还有一定的缺点，因为矿山的土质颗粒都比较大，土质比较松散，保水性很差，单独种植草类和灌木，矿山改变的过程比较慢

在植被恢复过程中，草、灌、乔的比例也很有讲究。现在的施工方式中，一般是将草、灌、乔的种子同时播种，但是这三类植物的发芽时间是不一样的，草本植物四五天就能出苗，如果草种加入太多，草长得过密，就没有灌木的生态位了，同样也会影响到灌木乔木种子的萌芽。本发明的目的主要是提供一种快速，高效，造价低的新微藻生物结皮的矿山生态修复和绿化方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和对复垦矿山进行绿化的方法,方法易行,操作方便,通过铺设沙层或土层对矿山地区进行基质修复，在修复过的基质上进行微藻的人工生物结皮，通过种植草、灌木、乔木恢复生复垦矿山的态环境,本方法具有可操作性，对环境较劣矿山复垦的基质进行修复，增加绿化面积。为矿山复垦生态修复、改善生态环境提供有效方法。

为了实现上述的目的,本发明采用以下技术措施:

一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法,其步骤是：

A、在植物难以生长条件差的矿山复垦区，就近选取沙或土的来源地，采用运输工具将沙或土运至待修复的区域，用人工方式进行铺设，沙层或土层的铺设厚度5-10cm左右。

B、种草绿化：基质修复好后，选择适合矿山生长的草本植物种植，植物的选择中要特别注意抗性的选择，一年生黑麦草、羊草、苇状羊茅、碱茅草、披肩草等都可以是很好的抗性先锋植物。

C、灌(乔)绿化：矿山绿化需要的是长期的效果，使用适合在耐旱地区生长的沙柳、沙蒿、柠条、沙打旺；乔木，选择白杨、沙枣、松树和柏树；把灌木如沙柳，按株距10-20cm和行距种植，间距为1-3米；沙打旺进行绿化时，第一年的覆盖率只有20%，但是第二年几乎能达到100%，因为沙打旺根系能达到2米长，抗性好，非常适合条件恶劣的弃矿。

D、人工结皮：

a、藻种选择，选择具鞘微鞘藻（Micrcoleus aginatus）、爪哇伪枝藻(Scytonema javanicumBorn et Flah)和纤细席藻(Phormidium.tenue)为优良藻种进行培养；三种藻种来源于中国科学院水生生物研究所。

b、藻类培养液的配制：按每升水加入硝酸钠1.5g、磷酸氢二钾0.04g、硫酸镁0.075g、氯化钙0.036g、柠檬酸0.006g、柠檬酸铁铵0.006g、乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）0.001g、碳酸钠0.02g，微量元素溶液A₅1ml（微量元素溶液A₅的配制：按每1000ml蒸馏水中加入0.061g硼酸，0.169g硫酸锰，0.287g硫酸锌，0.0025g硫酸铜和0.0125g钼酸铵的浓度配制）。

c、藻种培养：

⑴一级培养：由试管原种接入三角瓶（150-200ml），静止培养或通气培养，通气培养，调节气流大小在2.5l/min，气流经过棉花球进行无菌处理，光强控制在70μE.m^-2.s^-1,温度控制在30℃。当培养7-10天后，转入到二级培养。

⑵二级培养：将一级培养所得的培养物接入到培养瓶（500-1000ml），通气培养，调节气流大小在3l/min，光强控制在80μΕ.m^-2.s^-1，温度控制在30℃。当培养7-10天后，转入到三级培养。

⑶三级培养：将二级培养所得的培养物接入5-10升到培养瓶（一般采用血清瓶），通气培养，调节气流大小在5L.min^-1，无菌处理，光强控制在90μE.m^-2.s^-1，温度控制在30℃。当培养7-10天后，为继续培养的接种种源，进行培养。

⑷跑道式叶轮搅拌循环培养池培养：

①室外藻种扩大培养：采用三级培养后所得的藻种，鞘微鞘藻、爪哇伪枝藻和纤细席藻按照5:3:2的比例混合后，接入培养面积为5m²小型跑道式叶轮搅拌循环培养池，培养液深度为25cm，每个小循环培养池的有效容积为1.25m³，按每升培养液0.5g鲜重的比例接入。采用玻璃温棚控制温度在30℃，利用自然光进行光照，采用遮荫网控制光照强度在120-180μΕ.m^-2.s^-1，搅拌器速度控制在24转/分钟；②室外藻种大规模培养：采用大型跑道式叶轮搅拌循环大池培养：将室外藻种扩大培养10天的藻种转接到跑道式叶轮搅拌循环大池中培养，每个培养池的面积为600m²，培养液深度为25cm，有效容积为150m³，培养液的体积比按1:20进行扩大。其他培养条件与小型循环培养池的培养条件相同。培养10天后进行收集。

⑸藻类生物量收集：大循环培养池培养的藻生长好后，采用沉淀和筛绢过滤收集，得到藻浆，为微藻人工生物结皮的种源。

⑹微藻人工生物结皮接种：将收获的微藻藻浆放置在绿化洒水车内，采用高压水枪将藻浆喷洒在修复后的基质上，微藻喷施量为140kg藻浆/亩（折合干重约为1g/m²）。

E、浇水养护：选择微喷设施对接种的藻和播种的草进行养护，选择其喷洒半径为1-3米，间距为1-3米的微喷设施放置并固定，每天浇水量为20mm，时间为早上9:00开始，浇水20分钟，下午16:00开始，浇水20分钟，30天后停水。

F、微藻生物结皮的检验:微藻生物结皮检测可以用叶绿素a（Chl a）表示。用90％（V:V）丙酮提取，用单位面积叶绿素a表示。（Chl a测定方法见：章宗涉，黄祥飞主编，淡水浮游生物研究方法，北京：科学出版社，1991:345—347。），测定微藻结皮的生物量达到15-20μgChla/cm²土壤，表明结皮成功。

G、绿化效果检验:草本和灌木以覆盖度表示，覆盖度达70％—80％表明绿化成功，土地的生态恢复过程完成。

本发明与现有技术相比,具有以下优点和效果:

1、本发明突破了矿山绿化过程中单一的绿化模式，提供了一种采用人工结皮技术对矿山进行绿化的模式，在矿山土壤固定与生态修复方面开辟了新的途径，丰富了矿山绿化的手段和技术，具有好的推广和应用前景。

2、土壤的生态演替过程，往往是组成物种由低等到高等，群落多样性和种群丰度从少到多的过程。藻类本身的生长为土壤提供氮源和能源，如固氮蓝藻的生长为土壤提供氮源，而藻类在生长过程中分泌的多糖不仅提供能源，而且在固沙中有重要的作用。藻类可以改变荒漠土壤中的物质循环，增加其中的碳、氮、磷的含量，促进土壤异养微生物的生长，改变荒漠中的生物多样性，改变其土壤结构和水分布状况，从而促进土壤的发育。采用这种结皮的方式，能促进矿物质的矿化过程，通过产生的多糖养分，加速养分使矿山土壤改良，为其他微生物提供营养，促使其他生物的生长，从而改善矿山生态环境中的生物多样性。在这种原始的演递中，矿山土壤被固定下来，矿渣变成了土壤。

3、微藻藻适应荒漠地区的干旱、强辐射、大幅温度变化以及高盐碱等恶劣条件，具有建立先锋群落的特殊能力和生态对策。因此在矿山条件下能良好的进行生长，用分离出荒漠藻类进行大量培养，并通过人为措施强化其在矿山绿化过程中的作用，可以在短时间内完成自然过程需要十多年才能完成的生物结皮过程，为矿山土壤的固定与生态修复提供较好的行间条件。

4、该发明以具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻为主要藻种，经工程化培养后接种到矿山表面形成人工生物结皮，并以规模化人工培植生物结皮与草-灌植被营造相结合用以矿山绿化，实现矿山的生态修复。

具体实施方式

一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法,其步骤是：

1基质修复：在内蒙古自治区霍林河150亩条件较差的矿山复垦基质表层表层铺设5cm厚度的沙土进行基质修复。

2种草绿化：基质修复好后，立即种草绿化，种植羊草和黑麦草各15kg/亩。

3灌(乔)绿化：藻类接种前让其在沙层或土层上生长，播种柠条10kg/亩和栽种沙柳，按株距20cm和行距2m

4微藻人工生物结皮：

A藻种选择，，按照耐受干旱、盐碱和紫外辐射性能的强弱，和对人工大量培养的适应性，筛选出具鞘微鞘藻、爪哇伪枝藻和纤细席藻为结皮藻种，1-3级种子分开培养，跑道式循环培养池中鞘微鞘藻、爪哇伪枝藻和纤细席藻的搭配比例为5:3:2。

B藻类培养液的配制：按每升水加入硝酸钠1.5g、磷酸氢二钾0.04g、硫酸镁0.075g、氯化钙0.036g、柠檬酸0.006g、柠檬酸铁铵0.006g、乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）0.001g、碳酸钠0.02g，微量元素溶液A₅1ml（其中微量元素溶液A₅的配制为：按每1000ml蒸馏水中加入0.061g硼酸，0.169g硫酸锰，0.287g硫酸锌，0.0025g硫酸铜和0.0125g钼酸铵）。

C藻种培养：

⑴一级培养：由试管原种接入500ml三角瓶（内装200ml培养液），静止培养或通气培养，接种量按0.5g鲜重/升培养液的比例接种，通气培养，调节气流大小在2.5l/min，气流经过棉花球进行无菌处理，光强控制在70μE.m^-2.s^-1,温度控制在30℃。培养7天后，转入到二级培养。

⑵二级培养：将一级培养所得的培养物接入1000ml三角瓶（内装800ml培养液）内，通气培养，调节气流大小在3l/min，光强控制在80μΕ.m^-2.s^-1，温度控制在30℃。培养7天后，转入到三级培养。

⑶三级培养：将二级培养所得的培养物接入到10升的血清瓶（内装9升培养液），通气培养，调节气流大小在5L.min^-1，无菌处理，光强控制在90μΕ.m^-2.s^-1，温度控制在30℃。当培养10天后，为继续培养的接种种源，进行培养。

⑷跑道式叶轮搅拌循环培养池培养：

①室外藻种扩大培养：采用三级培养后所得的藻种，鞘微鞘藻、爪哇伪枝藻和纤细席藻按照5:3:2的比例混合后，接入培养面积为5m²跑道式叶轮搅拌循环培养池，培养液深度为25cm，每个小循环培养池的有效容积为1.25m³，按每升培养液0.5g鲜重的比例接入。采用玻璃温棚控制温度在30℃，利用自然光进行光照，采用遮荫网控制光照强度在120-180μΕ.m^-2.s^-1，搅拌器速度控制在24转/分钟；②室外藻种大规模培养：采用跑道式叶轮搅拌循环大池培养，将室外藻种扩大培养10天的藻种转接到跑道式叶轮搅拌循环大池中培养，每个培养池的面积为600m²，培养液深度为25cm，有效容积为150m³左右，循环培养池中微藻培养液的体积比为1:20进行扩大。其他培养条件与小循环培养池的培养条件相同。培养10天后进行收集。

⑸藻类生物量收集：大循环培养池培养的藻生长好后，采用300目筛绢网过滤收集，得到藻浆，为微藻人工生物结皮的种源。

⑹微藻人工生物结皮接种：在内蒙古霍林河矿山复垦地将收集的微藻藻浆制剂放置在绿化洒水车内，采用高压水枪将藻浆喷洒在修复后的基质上，喷施量为700g（干重）/亩。

5浇水养护：选择微喷设施对藻、草进行养护，选择其喷洒半径为1-3米，间距为1-3米的微喷设施放置并固定，每天浇水量为20mm，时间为早上9:00开始，浇水20分钟，下午16:00开始，浇水20分钟，30天后停水。

6微藻生物结皮的检验:接种90天后取表层2mm生长的微藻,检测微藻生物结皮，用叶绿素a/cm²含量表示。每个点取5cm²，重复5次，用90％（V:V）丙酮提取，（叶绿素a测定方法见：章宗涉，黄祥飞主编，淡水浮游生物研究方法，北京：科学出版社，1991:345—347。），微藻结皮的生物量达到27μgChla/cm²土壤。

7绿化效果检验:草本和灌木以覆盖度表示，覆盖度达85％以上，表明土地的绿化过程完成，则表明绿化成功。

Claims (1)

1.一种利用微藻人工生物结皮修复矿山基质和绿化的方法,其步骤是：

A、在植物难以生长的矿山复垦区，选取沙或土，将沙或土运至待修复的区域，用人工方式进行铺设，沙层或土层的铺设厚度5—10cm；

B、种草绿化：选择矿山生长的草本植物种植，植物的选择，一年生黑麦草、羊草、苇状羊茅、碱茅草、披肩草；

C、灌绿化：矿山绿化的是长期的效果，使用在耐旱地区生长的沙柳、沙蒿、柠条、沙打旺；乔木，选择白杨、沙枣、松树和柏树；把灌木如沙柳，按株距10-20cm和行距种植，间距为1-3米； 

D、人工结皮：

a、藻种选择，选择鞘微鞘藻、爪哇伪枝藻和纤细席藻为藻种进行培养；

b、藻类培养液的配制：按每升水加入硝酸钠1.5g、磷酸氢二钾0.04g、硫酸镁0.075g、氯化钙0.036g、柠檬酸0.006g、柠檬酸铁铵0.006g、乙二胺四乙酸二钠盐0.001g、碳酸钠0.02g，微量元素溶液A₅1ml：微量元素溶液A₅的配制：按每1000ml蒸馏水中加入0.061g硼酸，0.169g硫酸锰，0.287g硫酸锌，0.0025g硫酸铜和0.0125g钼酸铵的浓度配制；

c、藻种培养：

    ⑴ 一级培养：由试管原种接入三角瓶150-200ml，静止培养或通气培养，

      通气培养，调节气流大小在2.5 l/min，气流经过棉花球进行无菌处理，光

      强控制在70μΕ.m^-2.s^-1,温度控制在30℃，培养7-10天后，转入到二级培养；

⑵ 二级培养：将一级培养所得的培养物接入到培养瓶500-1000ml，通气培养，调节气流大小在3L/min，光强控制在80μΕ.m^-2.s^-1，温度控制在30℃，培养7-10天后，转入到三级培养；

⑶ 三级培养：将二级培养所得的培养物接入5-10升到培养瓶，通气培养，调节气流大小在5L.min^-1，无菌处理，光强控制在90μΕ.m^-2.s^-1，温度控制在30℃，培养7-10天后，为继续培养的接种种源，进行培养；

 跑道式叶轮搅拌循环培养池培养：

a、外藻种扩大培养：采用三级培养后所得的藻种，鞘微鞘藻、爪哇伪枝藻和纤细席藻按照5:3:2的比例混合后，接入培养面积为5m²小型跑道式叶轮搅拌循环培养池，培养液深度为25cm，每个小循环培养池的有效容积为1.25m³，按每升培养液0.5g鲜重的比例接入，采用玻璃温棚控制温度在30℃，利用自然光进行光照，采用遮荫网控制光照强度在120-180μΕ.m^-2.s^-1，搅拌器速度控制在24转/分钟；b、室外藻种大规模培养：采用跑道式叶轮搅拌循环池培养：将室外藻种扩大培养10天的藻种转接到跑道式叶轮搅拌循环池中培养，每个培养池的面积为600 m²，培养液深度为25cm，有效容积为150m³，培养液的体积比按1:20进行扩大，培养10天后进行收集；

   ⑸ 藻类生物量收集：循环培养池培养的藻生长后，采用沉淀和筛绢过滤收集，得到藻浆，为微藻人工生物结皮的种源；

   ⑹ 微藻人工生物结皮接种：将收获的微藻藻浆放置在绿化洒水车内，采用高压水枪将藻浆喷洒在修复后的基质上，微藻喷施量为140kg藻浆/亩；

E、浇水养护：选择微喷设施对接种的藻和播种的草进行养护，选择其喷洒半径为1-3米，间距为1-3 米的微喷设施放置并固定，每天浇水量为10-20mm，时间为早上9:00开始，浇水20分钟，下午16:00开始，浇水20分钟，30天后停水；   

F、微藻生物结皮的检验: 微藻生物结皮检测用叶绿素a表示，用90％（V:V）丙酮提取，用单位面积叶绿素a表示，测定微藻结皮的生物量达到15-20μgChla/cm²土壤，表明结皮成功；

G、绿化效果检验: 草本和灌木以覆盖度表示，覆盖度达70％—80％表明绿化成功，土地的生态恢复过程完成。