CN107286941B - 一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料及其制备方法 - Google Patents

一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料及其制备方法，属于土壤生物改良技术领域。本发明通过分离自江苏海涂盐碱土壤的微生物菌株高大毛霉，在其生长过程中形成的菌丝对生物质材料进行固结，形成气密性良好的毡状覆盖物，能够增加表层水分传导，有效增加滩涂盐碱地光滩降水入渗和减少土壤蒸发，降低土壤返盐速度。其降水入渗量增加达2倍，土壤水分蒸发量减少达63％，土壤有机质增加达5倍，栽种耐盐植物田菁的成活率提高了12倍。

Description

一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材 料及其制备方法
技术领域
本发明涉一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料及其制备方法，属于盐碱土壤改良生物技术领域。
背景技术
我国大陆海岸线北起中朝边境的鸭绿江口，经辽宁、河北、天津、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西等省、市、自治区，到中越边境的北仑河口，全长约18 000公里，拥有大量滩涂面积。如江苏滩涂面积1031多万亩，海岸线长954km，占全国1/4以上，而且每年继续以3万-5万亩的速度淤涨。山东海涂面积约3000平方公里，其中大量滩涂围垦为农业用地。
当前滩涂土壤改良主要是利用农业水利工程的措施，淡水淋洗和降低地下水水位，包括开沟，暗管、暗沟排水等技术。江苏滩涂区土壤多为粉砂质潮盐土，土壤板结透水性差，降水难以入渗，盐分不易被淋洗；土壤持水能力较差，同时海边防风林地较少，风力较大，滩涂土壤水分十分容易蒸发，表层土壤非常容易返盐。沿海地区降雨量较大，但是降雨容易在地面汇集，形成地表径流，入渗困难，因此，如果能够有效的加大降水入渗速度，减少土壤水分的蒸发，对于加速滩涂盐碱土壤的改良十分有益。
通过土壤添加有机肥、石膏等物质，能够改良土壤物理结构，增加水分入渗，但是部分沿海地区高强度降水的冲击力，表层孔隙会很快崩塌，土壤再次板结，造成降水入渗困难，降低改良效果。土壤覆盖植被或者植物秸秆利于降水入渗和减少地表水分蒸发，但是部分滩涂盐碱地由于含盐量较高，绝大部分植物无法生长，滩涂海风较大，少量的人为覆盖物，很难抵御强风造成的蒸发，导致沿海光滩部分土壤更难改良。
本发明开发出一种通过微生物作用将生物质材料缚成具有毡状整体、减少风力对覆盖物干扰、能够自然降解不会污染环境的滩涂盐碱土壤覆盖材料，加速降水入渗和减少土壤水分蒸发，对于滩涂盐碱土壤的农业用地改良十分重要，所制成的产品将会有很好的应用前景。
迄今为止，没有发现涉及本发明主题的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料及其制备方法，供滩涂土壤农业开发利用，发展高效、环保滩涂土壤改良技术。
本发明的功能微生物菌株通过以下方案实现：通过高盐PDA培养基对滩涂贫瘠盐碱地中微生物进行分离，得到一株高效功能微生物菌株。
本发明提出了一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料，其特征在于，其通过一株高产菌丝的菌株，利用其菌丝固结作用，固结纤维素类生物质材料形成毡状覆盖材料，实现加速降水入渗和减少土壤蒸发，加速盐碱地土壤的脱盐改良。
优选地，所述菌株的分类命名为高大毛霉Mucor mucedo(简写M.mucedo)，于2015年1月20日，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种保藏编号CGMCC10380，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。该菌株通过加盐PDA培养基对滩涂贫瘠盐碱地中微生物进行分离，为一株高效功能微生物菌株。
具体地，通过采集江苏海涂裸露滩涂中、零星生长的植株根际周围土壤，低温保存，采用高盐的PDA培养基分离功能菌株，其培养基配制按照1L量配制方法为：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、氯化钠50g，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min，分离出菌丝丰茂、对纤维质物质具有固结作用的菌株。该菌株主要生物学特性为：菌丛黄褐色，孢囊梗5～40mm×20～40μm，孢子囊球形，直径100～200μm，膜遇水溶解，囊球球形，长15～50μm，孢子球形或者短椭圆形。鉴定结果显示为为高大毛霉(Mucor mucedo)。
优选地，所述生物基覆盖材料在制备过程中使用的高大毛霉2802培养物中高大毛霉含量≥0.2×107cfu g-1。
本发明进一步公开了上述生物基覆盖材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将高产菌丝和高产纤维素酶的菌株接种到PDA培养液中，进行液体种子发酵生产，得到种子液；
2)将种子液接种到培养液中，进行液体发酵生产，得到发酵液；
3)将发酵液接种到固体培养基堆置发酵，得到固体菌种；
4)固体菌种和生物质材料按照1～10∶100(w∶w)比例接种，均匀撒布于滩涂土壤表层，覆盖物厚约5～10cm，采用农用机械压实，在外界降雨或者土壤水分条件下，3～10天后覆盖材料产生白色菌丝，形成稳定的毡状，获得的覆盖在土壤上的材料即为海涂土壤生物基覆盖材料。
优选地，所述菌株为高大毛霉Mucor mucedo，于2015年1月20日，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种保藏编号CGMCC10380，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。
优选地，液体种子发酵生产的条件为：培养温度25～28℃，150～170rpm，发酵培养3～5天；所用PDA培养液配制方法为(以配制1L培养基为例)：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、氯化钠30g，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
液体发酵的条件为：初始pH范围为6.0～6.7，培养温度25℃，溶氧：通气量范围为30～100％，170rpm，发酵中后期形成菌丝片段，发酵液菌株的菌落形成单位≥1×108cfuml-1；所用培养液配制方法为(以配制1L培养基为例)：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、1.5g KH2PO4、0.5g MgSO4，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
固体发酵的条件为：温度25℃，通气量为3～5m3·m-3·h-1，堆置总高度10～25cm，发酵时间为36～40小时，固体培养物含菌量＞2×108cfu g-1。所用固体发酵培养基配制方法为：麦麸150g，玉米秸秆粉550g，棉籽壳350g，豆粉25g，KH2PO4 2g，水1560ml，pH值自然，115℃灭菌50min。
通过上述方法制备得到的海涂土壤生物基覆盖材料也在本发明的保护范围内。
本发明进一步提出了上述海涂土壤生物基覆盖材料在滩涂土壤中的应用。
本发明生物基覆盖材料可用于滩涂盐碱土壤改良，增加土壤降水入渗，减少土壤水分蒸发，提高淡水水资源淋洗土壤的效率，提高降水利用效率，降低表层土壤的返盐速率，增加土壤改良速度。
有益效果：本发明提供一种增加降水入渗和减少地表水分蒸发的生物基覆盖材料，通过自滩涂盐碱土壤中分离出菌丝具有固结作用的微生物菌株，利用该菌株和生物质材料进行生产，制成具有较高气密性的毡状物，能够自然降解不会污染环境的滩涂土壤覆盖材料，该覆盖材料具有以下优点：
1)该菌株具有适应干旱、耐盐和耐贫瘠土壤环境的能力，试验结果表明，该菌株在土壤含盐量20‰的环境，菌丝生长不受抑制；
2)该覆盖材料能够显著增加降水入渗，同时减少土壤水分蒸发，相较于不覆盖土壤，生物基覆盖材料降水入渗量增加2倍，土壤水分蒸发量减少63％，土壤有机质增加5倍，栽种耐盐植物田菁的成活率提高了12倍；
3)由于是生物基产品，完全没有化学产品使用所带来的一系列问题，有利于提高滩涂土壤资源的可持续开发。
附图说明
图1是高大毛霉2802培养照片；
图2是土壤含水量的示意图；
图3是土壤含盐量的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并结合附图对本发明进行详细描述，然而本发明的范围并不以具体实施方式为限。
菌株的分离和鉴定
采集江苏海涂裸露滩涂中、零星生长的植株根际周围土壤，低温保存，采用高渗的PDA培养基分离功能菌株，其培养基配制按照1L量配制方法为：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、氯化钠50g，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
分离出菌丝丰茂、对纤维质物质具有固结作用的菌株，鉴定显示：菌株主要生物学特性为：菌丛黄褐色，孢囊梗5～40mm×20～40μm，孢子囊球形，直径100～200μm，膜遇水溶解，囊球球形，长15～50μm，孢子球形或者短椭圆形。鉴定结果显示为为高大毛霉(Mucormucedo)。
于2015年1月20日，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种保藏编号CGMCC10380，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。
菌剂生产
将高大毛霉2802接种到PDA培养液中，进行液体种子发酵生产，其发酵生产的条件为：培养温度25～28℃，170rpm，发酵培养3天；所用PDA培养液配制方法为(以配制1L培养基为例)：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
将高大毛霉2802种子液接种到培养液中，进行液体发酵生产，其发酵生产的条件为：初始pH范围为6.0～6.7，培养温度25℃，溶氧：通气量范围为30～100％，170rpm，发酵中后期形成菌丝片段，发酵液菌株的菌落形成单位≥1×108cfu ml-1；所用培养液配制方法为(以配制1L培养基为例)：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、1.5g KH2PO4、0.5g MgSO4，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
将高大毛霉2802发酵液接种到固体培养基堆置发酵，发酵条件为：温度25℃，通气量为3～5m3·m-3·h-1，堆置总高度10～25cm，发酵时间为36～40小时，固体培养物含菌量＞5×107cfu g-1。所用固体发酵培养基配制方法为：麦麸150g，玉米秸秆粉550g，棉籽壳350g，豆粉25g，KH2PO4 2g，水1560ml，pH值自然，115℃灭菌50min。
生物基覆盖材料生产
将高大毛霉2802固体菌种和生物质材料按照10∶100(w∶w)比例接种，均匀撒布于滩涂盐碱地表层，覆盖厚约5～10cm，采用农用机械压实，在外界降雨或者土壤水分条件下，3～10天后覆盖材料产生白色菌丝，形成稳定的片状，获得的覆盖在土壤上的材料即为海涂土壤生物基覆盖材料。
增加降水入渗和减少地表水分蒸发验证试验
供试土壤为滩涂盐碱地，粉砂质土壤，地下水位埋深0.8～1.2m，土壤含盐20‰，土壤的pH8.35，土壤电导率4.66μS cm-1。
试验设置处理如下：
对照，666m2滩涂盐碱地，采用旋耕机翻耕土壤，翻耕土层厚度20cm，土壤表层覆盖厚度5cm水稻秸秆和醋糟混合物，试验时间2014年2月～9月；7月份29日种植田菁，每亩用种量5kg。
生物基覆盖，666m2滩涂盐碱地，采用旋耕机翻耕土壤，翻耕土层厚度20cm，按照10％接种量，在土壤表层覆盖厚度5cm厚、接种了了高大毛霉2802固体菌剂的水稻秸秆和醋糟混合物，试验时间2014年2月～9月；7月份29日种植田菁，每亩用种量5kg。
测定0～10cm土层土壤含水量和含盐量变化结果分别如图2和图3所示。在试验的3个月内，覆盖材料的土壤的含水量高于对照处理，含盐量低于对照处理。第1月、第3月、第6月测定的土壤含水量分别比对照高18.7％、28.6％和35.1％，土壤的含盐量分别比对照低22.7％、20.9％和39.8％。
整个试验周期内，相较于对照处理，生物基覆盖材料处理降水入渗量增加2倍，土壤水分蒸发量减少63％，土壤有机质增加5倍，栽种耐盐植物田菁的成活率提高了12倍。
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 (6)

1.一种海涂土壤增加降水入渗和减少地表蒸发的生物基覆盖材料，其特征在于，其通过一株高产菌丝菌株，利用其菌丝固结作用，固结纤维素类生物质材料形成毡状覆盖材料，实现加速降水入渗和减少土壤蒸发，加速盐碱地土壤的脱盐改良，所述菌株的分类命名为高大毛霉Mucor mucedo，于2015年1月20日，保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种保藏编号CGMCC10380，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，所述高大毛霉2802菌株，在PDA培养基上，28℃培养5天后菌丝长度为90～150mm；所述生物基覆盖材料具体通过如下步骤制备：
1)将高产菌丝的菌株接种到PDA培养液中，进行液体种子发酵生产，得到种子液；
2)将种子液接种到培养液中，进行液体发酵生产，得到发酵液；
3)将发酵液接种到固体培养基堆置发酵，得到固体菌种；
4)固体菌种和生物质材料按照1～10:100w:w比例接种，均匀撒布于滩涂土壤表层，覆盖物厚约5～10cm，采用农用机械压实，在外界降雨或者土壤水分条件下，3～10天后覆盖材料产生白色菌丝，形成稳定的毡状，获得的覆盖在土壤上的材料即为海涂土壤生物基覆盖材料。
2.根据权利要求1所述的生物基覆盖材料，其特征在于，所述生物基覆盖材料在制备过程中使用的高大毛霉培养物中高大毛霉含量≥0.2×107cfu g-1。
3.根据权利要求1所述的生物基覆盖材料，其特征在于，液体种子发酵生产的条件为：培养温度25～28℃，150～170rpm，发酵培养3～5天；所用PDA培养液配制方法为，以配制1L培养基为例：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、氯化钠30g，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
4.根据权利要求1所述的生物基覆盖材料，其特征在于，液体发酵的条件为：初始pH范围为6.0～6.7，培养温度25℃，溶氧：通气量范围为30～100％，170rpm，发酵中后期形成菌丝片段，发酵液菌株的菌落形成单位≥1×108cfu ml-1；所用培养液配制方法为，以配制1L培养基为例：用200g土豆削皮后切成小块放到水里煮，沸腾后煮30min，用纱布过滤后，滤液加20g普通蔗糖、1.5g KH2PO4、0.5g MgSO4，定容至1000ml，pH值自然，115℃灭菌30min。
5.根据权利要求1所述的生物基覆盖材料，其特征在于，固体发酵的条件为：温度25℃，通气量为3～5m3m-3h-1，堆置总高度10～25cm，发酵时间为36～40小时，固体培养物含菌量>2×108cfu g-1，所用固体发酵培养基配制方法为：麦麸150g，玉米秸秆粉550g，棉籽壳350g，豆粉25g，KH2PO4 2g，水1560ml，pH值自然，115℃灭菌50min。
6.权利要求1所述的海涂土壤生物基覆盖材料在滩涂土壤中的应用。
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