CN113287382B

CN113287382B - 一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法

Info

Publication number: CN113287382B
Application number: CN202110552650.7A
Authority: CN
Inventors: 张偲; 王琳; 李洁
Original assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Current assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: CN113287382A

Abstract

本发明公开了一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法。本发明直接对原位藻菌结皮进行扩繁和驯化，并利用培育好的藻菌结皮直接进行野外接种，省去了分离纯化的过程，而且培养速度较快，节约了材料的使用量并提高了人工培育藻菌结皮的野外适应能力，对南海珊瑚岛礁的生态系统修复具有重要的应用价值。

Description

一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法

技术领域

本发明属于钙质砂土壤藻菌结皮人工培育技术领域，具体涉及一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法。

背景技术

生物土壤结皮(生物结皮)是土壤表层微小颗粒被那些生存在浅层里(或有时生活在土壤表层)，甚至到高出土表几毫米处的细菌、蓝藻、硅藻或绿藻、微小真菌、地衣和苔藓植物，以及许多景观中常见的非维管束植物成分利用菌丝体、假根和分泌物“胶结”所形成的复杂的复合体。生物结皮在荒漠生态系统中的作用和功能，如土壤生态过程、生物地球化学循环过程、生态过程和水文过程等所展现出来的生态作用，在近年来的研究中逐渐获得广泛认可，并在荒漠生态修复实践中得到具体的应用。藻菌结皮是生物结皮的演替初级阶段，主要优势种是蓝细菌，南海典型热带珊瑚岛礁的生物结皮均为演替的初级阶段。

钙质砂广泛分布于南、北回归线之间的热带海洋环境中，在澳大利亚西北部海域、菲律宾海域、中国南海海域、红海海域、阿拉伯湾南部海域、印度洋海域、佛罗里达海域、己斯海峡和中美洲海域等地都有分布，主要是由珊瑚、贝壳及藻类等多种钙质生物的遗骸，海洋中碳酸盐类物质以及古老灰岩等碎屑物经过一系列的物理、生物和化学作用过程形成，矿物组成主要是文石和方解石，化学成分主要是碳酸盐沉积物，CaCO₃含量达95％以上。由钙质砂所构成的土壤与自然形成的土壤存在较大的不同，又因其常年高温、高盐、高湿、强风的独特地理环境，不利于植被的自然定植。而被誉为“荒漠生态系统工程师”的生物土壤结皮，可以有效改变土壤养分循环、促进养分积累，改善土壤微环境，增强土壤保水率与径流滞留，从而为植物的自然演替以及生态系统的健康发展奠定良好的物质基础。

我国在人工培育藻菌结皮的研究和实践应用方面处于世界领先水平。自上个世纪50年代以来，中国的科研人员便开始以蓝藻为研究对象，从事改良稻田的研究。随后，他们将研究领域扩展至荒漠地区，并将藻类的研究与防治荒漠化联系起来，先后在许多荒漠地区(如腾格里沙漠、古尔班通古特沙漠和库布齐沙漠)开展藻类结皮形成和固沙成土方面的研究。通过长期的室内研究和户外实验，我国科研人员提出利用荒漠藻类进行防风固沙的理念并制定了“藻-草-灌-乔”综合治沙的方式，将荒漠藻引入荒漠化治理及农田管理的研究中，构建了荒漠藻人工藻结皮技术体系。此项技术在我国北方的荒漠地区得到大力推广，如今推广应用面积已达5万亩。然而，人工培育藻菌结皮的研究多见于荒漠生态系统，而其在南海典型热带珊瑚岛礁环境中的钙质砂土壤的研究至今仍为空白。同时，在自然条件下生物土壤结皮的形成过程极为缓慢，需要几十年，甚至上百年的时间才能形成稳定的生物结皮层。因此，实现生物结皮的人工快速培育对促砂成土具有重要的生态学意义。

发明内容

针对国内外未见有关南海典型热带珊瑚岛礁环境中人工藻菌结皮成功培育的技术现状，本发明针对南海典型热带珊瑚岛礁在夏季极度炎热且多雨水、春冬季干旱且较炎热的情况，并依据生物多样性能较大限度保持生态系统稳定性的原理，生物结皮中藻菌物种的多样性是保证生物结皮在人工钙质砂土壤上健康发育的重要基础。

本发明的目的是提供一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法，该方法能够确保来源于南海典型热带珊瑚岛礁的藻菌结皮种子土在模拟南海珊瑚岛礁自然环境下，接种于钙质砂土壤，并在室内培养获得高生物量的人工培育藻菌结皮的方法。

本发明的适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法，包括以下步骤：

a.在南海典型热带珊瑚岛礁采集藻菌结皮，风干后粉碎，制成种子土；将种子土与钙质砂混匀稀释，制成接种材料；

b.在待需要生长出生物结皮的南海珊瑚岛礁钙质砂区域，将接种材料均匀撒播接种于钙质砂上，进行培育，在开始培育后喷洒至少一次培养液，其余时间定期洒水，维持钙质砂含水率为10％–15％。

优选，所述的步骤a中，将种子土与钙质砂按重量比1：3混匀稀释，制成接种材料。

优选，所述的步骤b中接种材料以种子土计的接种量为240g/m²。

优选，所述的步骤b中的培养液含有：葡萄糖50g/L、磷酸二氢钠0.075g/L、氯化钾1.0g/L、氯化镁0.15g/L、硝酸钠0.1g/L和氯化亚铁0.0025g/L，余量为水。

优选，所述的步骤b中接种材料的培育条件：温度、相对空气湿度、光周期、光照强度分别设定为31/28.5℃、65％/77％、12/12h、12000/0lux。

优选，所述的步骤b中，在培育使种子土生长固定后喷洒一次培养液

本发明的人工培育藻菌结皮的方法，利用从南海典型热带珊瑚岛礁采集所获得的藻菌结皮，将其人工粉碎，制成种子土。选择对藻菌结皮生长具有促进作用的营养物质(包括碳、氮、磷元素)和微量矿质元素(包括钾、镁、铁元素)作为培养液，并将单位接种量也考虑进影响因素中，力求以最小接种量获得最大的生物量，从而达到最佳的培养效果。

本发明在人工气候培养室内开展。根据南海典型热带珊瑚岛礁相关环境背景记录，将人工气候室内温度、相对空气湿度、光周期、光照强度分别设定为31/28.5℃、65％/77％、12/12h、12000/0lux。同时将培育盒中表层土壤含水率维持在10％–15％。将培养材料放置在人工气候室培养架上。通过控制调整培养室内灯照强度来实现不同光照强度。每隔12h洒水40mL/次，在26s内完成，以维持表层含水率。

将已粉碎好的南海典型热带珊瑚岛礁来源藻菌结皮种子土均匀播撒在钙质砂土壤上，然后再添加相对应的营养液。培养液含有：葡萄糖50g/L、磷酸二氢钠0.075g/L、氯化钾1.0g/L、氯化镁0.15g/L、硝酸钠0.1g/L和氯化亚铁0.0025g/L，余量为水。接种材料的接种量为240g/m²。

经过140天的室内培养，发现所有培育盒的钙质砂上均有明显的藻菌结皮生成(图1)。未添加培养液的藻菌结皮种子土经过140天的培养后，其生物量平均增长了0.742μg/g，而添加了培养液的藻菌结皮种子土，生物量平均增量为5.816μg/g，增量扩大了将近8倍之多。

因此，本发明的第二个目的是提供一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的生物土壤结皮的培养液，其含有：葡萄糖50g/L、磷酸二氢钠0.075g/L、氯化钾1.0g/L、氯化镁0.15g/L、硝酸钠0.1g/L和氯化亚铁0.0025g/L，余量为水。

本发明的第三个目的是提供所述的适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的生物土壤结皮的培养液在固沙和/或快速培育生物土壤结皮中应用。

本发明的主要优点：1、本发明中利用南海典型热带珊瑚岛礁来源的藻菌结皮在模拟南海热带珊瑚岛礁环境下进行培养，发现藻菌结皮对钙质砂土壤的适应力极好；2、所选取的材料用量较少，可减少对环境的破坏和增加对环境的适应力；3、由于直接将原位采集的藻菌结皮制成种子土进行扩大培养，且培养环境按照接种地的环境进行设定，可最大保留藻菌结皮微生物多样性，从而增加培养出来的新藻菌结皮对环境的适应能力，生物结皮快速生长且大大提高生物量；4、相较于其他培养方法，本发明将影响结皮发育的主要营养物质和矿质元素均考虑在内，并获得较为理想的培养液配方，可最大化的为结皮发育提供最需的营养物质和矿质元素，从而减少不必要的其他物质的添加，节约培养成本；5、构建南海典型热带珊瑚岛礁人工藻菌结皮培育技术，填补该领域的技术空白。

本发明直接对原位藻菌结皮进行扩繁和驯化，并利用培育好的藻菌结皮直接进行野外接种，省去了分离纯化的过程，而且培养速度较快，节约了材料的使用量并提高了人工培育藻菌结皮的野外适应能力，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是人工培育的藻菌结皮分别在培养第1天、45天、90天和140天的表观变化特征。

图2是各营养配方和接种量的组合在培育结束时的叶绿素a含量。

图3是人工藻菌结皮进行野外培育的效果，其中图A为原位新鲜的藻菌结皮种子土形成的生物结皮，图B和C为人工培育的藻菌结皮种子土形成的生物结皮，图D为混合种子土形成的生物结皮。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：南海典型热带珊瑚岛礁环境藻菌结皮的人工培育条件优化与技术构建

本发明的一种能够保证来源于南海典型热带珊瑚岛礁藻菌结皮种子土在模拟南海岛礁自然环境下，利用碳源、氮源、磷源、以及钾、镁和铁元素的不同浓度配比并结合最适接种量从而在室内培养获得高生物量的人工培育藻菌结皮的方法。具体操作按下列步骤进行：

1、考虑接种量、葡萄糖、硝酸钠、磷酸氢二钠、氯化钾、氯化镁以及氯化亚铁7个因素，每个因素设置4水平，然后利用七因素四水平正交表，共得到32个不同的营养配比和接种量组合，具体浓度和营养组合分别见表1和表2。

表1营养物质、矿质元素种类及其对应的不同浓度和不同的接种量

表2利用正交表形成的营养成分和接种量组合

2、种子土采集与处理：在南海典型热带珊瑚岛礁采集发育良好的自然藻菌结皮样品，然后将其放在实验室进行自然风干；

3、将自然风干后的原状结皮样品使用微型植物粉碎机粉碎120s，制成实验用种子土，以备后续实验使用。将需接种的种子土与钙质砂按重量比例为1：3配比混匀，制成接种材料；

4、在培育盒(长、宽、高：245、170、75mm)中，将晒干并过2mm筛网后的南海典型热带珊瑚岛礁采集的钙质砂装入培育盒，砂土的净重为1320g(干重)，厚度为35mm；经前期的实验测定，南海典型热带珊瑚岛礁表层砂土的平均含水率约为10％–15％，故初始添加的水量为180g；然后，将接种材料按照设计方法将接种材料均匀平铺至钙质砂基质上，即利用沙漏瓶均匀的将接种材料均匀播撒于培育盒内的南海典型热带珊瑚岛礁钙质砂上，接种量为240g/m²，开始进行培育；

5、根据南海典型热带珊瑚岛礁相关环境背景记录(国家海洋局南海环境监测中心)，将人工气候室内温度、相对空气湿度、光周期、光照强度分别设定为31/28.5℃、65％/77％、12/12h、12000/0lux。同时将培育盒中表层土壤含水率维持在10％–15％。将培养材料放置在人工气候室培养架上。通过控制调整培养室内灯照强度来实现不同光照强度。按照预定方案，每隔12h洒水40mL/次，在26s内完成，以维持表层含水率；实验开始24h后，将事先准备好的40mL营养物质和矿质元素混合培养液均匀播撒于基质土上，培养液具体的营养浓度和接种量(接种量均以接种材料中的种子土的量计算)详见于表2；

6、人工培育过程中，培育盒在培育台上的位置会随机更换。当藻菌结皮盖度趋于稳定时实验结束，整个实验周期为140天。整个实验过程，有且仅喷洒一次营养物质和矿质元素混合培养液。经过140天的室内培养，发现所有培育盒的钙质砂上均有明显的藻菌结皮生成(图1)。

实施例2：南海热带珊瑚岛礁环境藻菌结皮的人工培育技术的效果室内检验

实验过程中，分别于实验开始时和结束时测定藻菌结皮样品的生物量。具体的测定方法为：

1)测定前将其放入冻干机中去除水分(48h)；

2)取出结皮，除去松散的沙粒，并用游标卡尺记录下结皮的厚度(统一厚度标准，约为0.1cm)，然后在暗处用研钵研磨,以使藻体与沙粒分离,并使藻体分散；

3)分别称取2g(±0.02g)样品装于具塞刻度试管中，用丙酮萃取测定其中的叶绿素a的含量(用每克干结皮土样中叶绿素a的含量表示)，设3个重复；

4)在称有样品具塞刻度的试管中分别加入10mL 80％丙酮，摇匀后置于4℃的冰箱中黑暗静置20h，之后以离心力为3220rcf离心10min；同时在另外的空试管中，也加入10mL丙酮，处理过程一样，只是没有样品，让其当作萃取试剂的空白样；

5)取上清液于波长665nm和750nm处测吸光值,然后加5滴1mol/L盐酸酸化，10min后于波长665nm和750nm处再测吸光值。结果计算公式为：

Chl a(丙酮)＝27.3×[(E₆₆₅-E₇₅₀)-(A₆₆₅-A₇₅₀)]×V/M

其中,Chl a(丙酮)为丙酮萃取法测定的叶绿素a含量(μg/g)；E₆₆₅和E₇₅₀分别为丙酮萃取液酸化前于波长665nm和750nm处的吸光值；A₆₆₅和A₇₅₀分别为丙酮萃取液酸化后于波长665nm和750nm处的吸光值；V为萃取液的体积(mL)；M为称取结皮样品的质量(g)。

对藻菌结皮生物量的测定结果表明，南海典型热带珊瑚岛礁来源的藻菌结皮种子土通过140天的人工培养后，组合3(营养液和接种量的组合：葡萄糖50g/L+磷酸二氢钠0.075g/L+氯化钾1.0g/L+氯化镁0.15g/L+硝酸钠0.1g/L+氯化亚铁0.0025g/L+接种量240g/m²)的藻菌结皮生物量最高(图2)，为6.362±0.084μg/g，比未添加培养液的藻菌结皮生物量多了5.074±0.084μg/g，比实验开始时的藻菌结皮种子土生物量多了5.816±0.084μg/g；比未添加培养液的藻菌结皮生物量增量扩大了将近8倍之多，而且所采用的接种量最少，仅为240g/m²。

实施例3：南海热带珊瑚岛礁环境藻菌结皮的人工培育技术的效果野外检验

利用实施例1组合3方法人工培育的藻菌结皮，以及在南海热带珊瑚岛礁采集的新鲜藻菌结皮样品，分别制成种子土，并将两者接种到热带珊瑚岛礁环境中，开展人工培育的藻菌结皮在野外的适应能力检验。具体操作方法如下：

1)利用土壤粉碎机将实验室培育好的藻菌结皮以及采集的新鲜藻菌结皮分别均匀粉碎，制成3类结皮种子土，分别为：人工藻菌结皮种子土、原位新鲜藻菌结皮种子土以及两者按1:1比例均匀混合的混合种子土；

2)将3类种子土分别均匀接种在热带珊瑚岛礁的实验样地里，接种量为240g/m²，然后喷洒水分将种子土进行“固定”，并定期进行土壤补水；

3)在接入种子土后的第7天，将配置好的营养液(葡萄糖50g/L+磷酸二氢钠0.075g/L+氯化钾1.0g/L+氯化镁0.15g/L+硝酸钠0.1g/L+氯化亚铁0.0025g/L)均匀喷洒在种子土上，营养液的量为0.5L/m²；

4)实验周期为30天，每天定时补水(下雨期间停止补水)，每3天进行一次样品采集，然后按照实施例2中的方法进行样品生物量的检测。

对3类藻菌结皮种子土所生成的藻菌结皮生物量进行测定(图3)，结果显示通过30天野外接种培育，3类种子土的生物量分别为2.88±0.12μg/g(人工藻菌结皮种子土)、3.42±0.11(原位新鲜藻菌结皮种子土)、2.98±0.11μg/g(混合种子土)。3类种子土的培育效果差别不大，说明人工培育的藻菌结皮种子土在南海热带珊瑚岛礁环境中具有很强的适应能力。

本发明通过采用在南海典型热带珊瑚岛礁采集发育良好的自然藻菌结皮样品，通过在人工气候培养室中扩繁、驯化后，将培育好的人工藻菌结皮再接入野外珊瑚岛礁环境中的钙质砂土壤上形成人工藻菌结皮；可以迅速提高人工培育的藻菌结皮对南海珊瑚岛礁环境(夏季极度炎热且多雨水、春冬季干旱且炎热)的适应能力，从而起到防风固沙、改善土壤性质的效果，可以应用于南海典型热带珊瑚礁藻菌结皮的生态构建。

Claims

1.一种适用于南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法，其特征在于，包括以下步骤：

a. 在南海典型热带珊瑚岛礁采集藻菌结皮，风干后粉碎，制成种子土；将种子土与钙质砂混匀稀释，制成接种材料；

b. 在待需要生长出生物结皮的南海珊瑚岛礁钙质砂区域，将接种材料均匀撒播接种于钙质砂上，进行培育，在开始培育后喷洒至少一次培养液，其余时间定期洒水，维持钙质砂含水率为10%–15%；所述的培养液含有：葡萄糖50 g/L、磷酸二氢钠0.075 g/L、氯化钾1.0g/L、氯化镁0.15 g/L、硝酸钠0.1 g/L和氯化亚铁0.0025 g/L，余量为水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤a中，将种子土与钙质砂按重量比1：3混匀稀释，制成接种材料。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤b中接种材料以种子土计的接种量为240 g/m²。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤b中接种材料的培育条件：温度、相对空气湿度、光周期、光照强度分别设定为31/28.5℃、65%/77%、12/12 h、12000/0lux。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤b中，在培育使种子土生长固定后喷洒一次培养液。

6. 一种适用于权利要求1所述的南海珊瑚岛礁钙质砂土壤的藻菌结皮培育方法的培养液，其特征在于，含有葡萄糖50 g/L、磷酸二氢钠0.075 g/L、氯化钾1.0 g/L、氯化镁0.15g/L、硝酸钠0.1 g/L和氯化亚铁0.0025 g/L，余量为水。

7.权利要求6所述的培养液在固沙和/或快速培育生物土壤结皮中应用。