CN115250839A - 高效防风固沙的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效防风固沙的方法，利用微生物、植物和高分子聚合物高效防风固沙，结合微生物诱导碳酸钙沉积防风固沙技术以及高分子聚合物材料的性能特点，实现高效种植耐旱植物，从而实现防风固沙的目的。本发明的方法可固定植物种子，保证种子的成活率，且可使植物与沙土之间形成锚索结构，从而牢牢固定沙土，提高防风固沙的效果。
Description
技术领域
本发明涉及防风固沙技术领域，具体而言涉及一种高效防风固沙的方法。
背景技术
我国是世界上荒漠化最严重的国家之一，我国沙漠及荒漠化土地面积约为264万平方千米，占我国土地面积的27.5％，并且平均每年有610平方千米的土地沙漠化。国内外主要采用的治沙方法有防风林技术、沙障技术、种植灌木技术和防风网技术。
目前，最常用的治沙方法为种植灌木植物固化沙土阻止沙化蔓延，通过植被覆盖部分地表、分解风力以及阻挡输沙等多种途径抑制沙漠化。但是使用该方法时，种子在播撒时受风影响不能固定在沙土之中，成活率很低，从而造成了植物的密度达不到要求，起不到防风固沙效果。
公开号为CN105155509A的中国专利公开了一种防风固沙的方法，其采用是将2-15份聚醋酸乙烯酯与85-98份水混合后喷洒固沙、将2-15份聚乙烯醇与85-98份水混合后喷洒固沙或将2-15份醋酸乙烯酯-乙烯与85-98份水混合后喷洒固沙，通过采用高分子聚合物进行固沙，固沙效果好。但其胶类物质极易老化，不适合永久和大面积固沙，固沙效果有限，并且本身具有毒性会对当地的生态系统造成极大破坏。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种防风固沙的方法，该方法可固定植物种子，保证种子的成活率，且可使植物与沙土之间形成锚索结构，从而牢牢固定沙土，提高防风固沙的效果。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高效防风固沙的方法，具体包括以下步骤：
将抗旱植物的种子浸泡到微生物液体培养基中，直至种子表皮湿润，再将湿润的种子置于高分子聚合物粉末中，使高分子聚合物粉末包裹在种子表面，得到包衣种子；
其中，高分子聚合物为高分子吸水树脂，微生物液体培养基中包含碳、氮、无机盐和生长因子；
将包衣种子播种在需要防风固沙的区域，包衣种子播撒完毕后，将胶结液和能产生脲酶的菌液交替并多次喷洒在播撒了包衣种子的区域，即可。
优选的，菌液和胶结液的喷洒量根据种子埋深和沙土渗透性进行调整，其中，菌液和胶结液的体积比为1:2。
优选的，所述高分子聚合物为聚丙烯酸、聚乙烯醇、共聚类、淀粉类或纤维素。
优选的，所述微生物液体培养基的配置方法为：每升水中添加酪蛋白15g/L、大豆蛋白5g/L、氯化钠5g/L、尿素20g/L，得到液体培养基，并进行灭菌处理。
优选的，所述抗旱植物种子为沙蒿、油蒿、发菜、甘草、麻黄草和梭梭中的至少一种。
优选的，所述菌液的制备过程如下：将含有菌种的液体培养基放置在摇床中，以100-200rpm的转速，25-40℃的环境中培养，直至菌液达到菌体增长的对数期后应立即进行喷洒使用。
优选的，所述菌液中的菌体为碳酸盐矿化菌、巴士芽孢杆菌、变形杆菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌或脲解支原体。
优选的，所述胶结液中包含尿素和钙源。
优选的，所述钙源为CaCl2、Ca(CH3COO)2或Mg(CH3COO)2。
优选的，所述胶结液的制备过程如下：尿素及钙源按1:1的质量配置，溶液浓度在1-3mol/L，搅拌均匀取上层清液即为胶结液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的高效防风固沙的方法，首先将植物种子浸泡液体养基中，之后将高分子聚合物粉末包裹植物种子播撒在沙土中。在喷洒时高分子聚合物遇到液体培养基中的液体后，亲水基和疏水基自动展开形成三维网状结构，增加了高分子聚合物的保水能力，从而有利于种子萌发以及菌体在高分子聚合物中的生长。
包衣种子播入沙土中后，再交替喷洒菌液和胶结液，高分子聚合物吸菌液及胶结液，通过自身吸收的液体培养基繁殖菌体，延长菌落的生长周期使其与胶结液发生反应，菌落产生的脲酶能加快尿素水解反应生成CO3 2-和NH4+，水解的CO3 2-与胶结液中的Ca2+结合生成具有固化作用的碳酸钙，并随着植物不断的生长，植物根系会不断向沙土中蔓，在此过程中根系刺破高分子聚合物，促使碳酸钙释放，从而固化沙土；而MICP反应生成的硬化层能够减少沙土中水分流失，进一步保证了种子萌发以及MICP反应，并且在种子发芽之前为种子提供保护使其免受风沙侵袭，保证种子的成活率。
在植物生长初期，MICP反应为种子提供氮肥促进植物生长，植物在生长至2-3个月后由于需要更多元素，迫使其根系向更深的土层生长，从而使植物与沙土之间形成锚索结构牢牢固定沙土，与MICP反应共同作用，使得防风固沙效果更好。
2、本发明的高效防风固沙的方法，制作包衣种子的过程应采用自动化较高的流水线作业，播撒包衣种子时应采用自动播撒机进行播撒，适用于大型机械操作处理，成本低廉，效率更高，且全程无污染，绿色环保。
附图说明
图1是本发明的高效防风固沙的方法的工艺流程图。
图2是本发明的高效防风固沙的方法的原理示意图。
图3是本发明的无侧限抗压试验的试验图。
图4是本发明的慢剪试验的试验图。
图5是本发明的风蚀试验的试验图。
图6是本发明的干燥条件下包衣种子生长效果对比试验图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。
本发明提供一种高效防风固沙的方法，利用微生物、植物和高分子聚合物高效防风固沙，结合微生物诱导碳酸钙沉积防风固沙技术以及高分子聚合物材料的性能特点，实现高效种植耐旱植物，从而实现防风固沙的目的。
如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种高效防风固沙的方法，具体包括以下步骤：
将抗旱植物的种子浸泡到微生物液体培养基中，直至种子表皮湿润，再将湿润的种子置于高分子聚合物粉末中，使高分子聚合物包裹在种子表面，得到包衣种子。
其中，高分子聚合物为高分子吸水树脂，微生物液体培养基中包含碳、氮、无机盐和生长因子。
将包衣种子播种在需要防风固沙的区域，包衣种子播撒完毕后，将胶结液和能产生脲酶的菌液交替并多次喷洒在播撒了包衣种子的区域，即可。
在优选的实施例中，菌液和胶结液的喷洒量根据种子埋深和沙土渗透性进行调整，其中，菌液和胶结液的体积比为1:2，提高胶结液用量可延长固化时间及效果。
在更为优选的实施例中，菌液每平方米150mL-300mL，胶结液每平方米300mL-600mL，且菌液和胶结液的体积比为1:2，交替喷洒播撒了包衣种子的区域，随着表面沙土失水强度逐渐增加，但用量不易过多防止影响种子发芽，一般重复交替喷洒3-4次。
在优选的实施例中，所述高分子聚合物为聚丙烯酸、聚乙烯醇、共聚类、淀粉类或纤维素。
在优选的实施例中，所述微生物液体培养基的配置方法为：每升水中添加酪蛋白15g/L、大豆蛋白5g/L、氯化钠5g/L、尿素20g/L，得到液体培养基，并进行灭菌处理。
在优选的实施例中，所述抗旱植物种子为沙蒿、油蒿、发菜、甘草、麻黄草和梭梭中的至少一种。
应当理解为，抗旱植物种子包括但不限于上述种类。
在优选的实施例中，所述菌液的制备过程如下：将含有菌种的液体培养基放置在摇床中，以100-200rpm的转速，25-40℃的环境中培养，直至菌液达到菌体增长的对数期后应立即进行喷洒使用。
在其中一个典型的实施例中，菌液的制备过程包括培养基制备、菌活化及扩大培养、菌液浓度测定。
液体培养基制备：每升水中添加酪蛋白5-15g/L、大豆蛋白5-10g/L、氯化钠5-10g/L、尿素20-40g/L，得到液体培养基，之后加热搅拌并且调制pH值在8-9的弱碱性，加热搅拌均匀后分别分倒入容器之中，用棉花塞口放入灭菌锅进行1h的杀菌，目的是防止引入杂菌，杀菌后得到液体培养基。
固体培养基制备过程如下：在上述降温后的液体培养基中加入每升12-15g的琼脂，灭菌后导入培养盘中低温固化，得到固体培养基，备用。
活化及扩大培养过程如下：用接菌环蘸取的之前的巴士芽孢杆菌菌液(直接购买可得)在固体培养基上轻画，并放入25-40℃环境下培养，直至菌落形成。
用接种环挑出固体培养基上的菌落至上述制备好的液体培养基之中，每升挑入菌量在1-3g(挑入越多生长越快，但不宜过多)，将巴士芽孢杆菌菌液放置在转速为100-200rpm，温度为25-40℃的摇床环境中培养。
浓度测定方法如下：利用分光度仪器，测其OD600下数值，菌液达到1.0-1.5Abs时为对数期是喷洒最佳时期，此时单位脲酶活性在7.5-14.5。
在优选的实施例中，所述菌液中的菌体为碳酸盐矿化菌、巴士芽孢杆菌、变形杆菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌或脲解支原体。
应当理解为，菌体的种类包括但不限于上述种类，菌体只需要能后产生脲酶即满足条件。
在优选的实施例中，所述胶结液中包含尿素和钙源。
在优选的实施例中，所述钙源为CaCl2、Ca(CH3COO)2或Mg(CH3COO)2。
在优选的实施例中，所述胶结液的制备过程如下：尿素及钙源按1:1的质量配置，溶液浓度在1-3mol/L，搅拌均匀取上层清液即为胶结液。
结合图2，利用微生物、植物和高分子聚合物高效防风固沙方法原理如下：
一、图中1表示高分子聚合物，干燥的高分子聚合物粉末颗粒该材料具有很强的保水能力，多用于种子包衣材料等。
二、图中2表示包衣种子，用浸泡在液体培养基后种子通过高分子聚合物包裹提高了种子的抗旱能力并缩短了植物在干旱条件下的生长周期。高分子聚合物能够为种子萌发提供水分，且能够吸收喷洒后的菌液及胶结液。通过自身吸收的液体培养基繁殖菌体，延长菌落的生长周期使其与胶结液发生反应固化沙土。制作包衣种子的过程可采用自动化较高的流水线作业，播撒包衣种子时可采用自动播撒机进行播撒。
三、图中3表示能够产生脲酶的菌体，该菌在喷洒之后分布在沙土颗粒表面以及被高分子聚合物吸收进其内部。该菌产生的脲酶能加快尿素水解反应生成CO3 2-和NH4 +，水解的CO3 2-与胶结液中的Ca2+结合生成具有固化作用的碳酸钙。
四、图中4表示由于MICP反应生成的硬化层，硬化层能够减少沙土中水分流失，利于种子萌发以及MICP反应，并且在种子发芽之前为种子提供保护使其免受风沙侵袭。
五、图中5表示高压喷洒装置，该装置能使喷洒出的菌液以及胶结液更加均匀的渗入到沙土中，并且利用的是物力增压法喷洒，对喷洒出的菌液及胶结液自身的性质不会造成影响。喷洒可采用洒水车或洒水型飞机进行喷洒。
六、图中6表示抗旱性植物，随着植物不断的生长，根系会不断向沙土中蔓。在此过程中根系刺破高分子聚合物，促使其内部的菌液及胶结液释放生成具有固化作用的碳酸钙。MICP反应为种子提供氮肥促进植物生长。植物在生长至2-3个月后由于需要更多元素，迫使其根系向更深的土层生长。这更有利植物与沙土之间形成锚索结构牢牢固定沙土，与MICP反应共同作用使得防风固沙效果更好。
下面将结合具体的示例和试验，对前述防风固沙的方法及其效果进行示例性试验和对比。当然本发明的实施例并不以此为限。
下述实施例中所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施方式中所用的材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
【实施例1】
包衣种子的制备
液体培养基：每升水中添加酪蛋白15g/L、大豆蛋白5g/L、氯化钠5g/L、尿素20g/L，并进行灭菌处理
将沙蒿的种子浸泡到微生物液体培养基中，直至种子表皮湿润，再将湿润的种子置于聚丙烯酸粉末中，使聚丙烯酸粉末包裹在种子表面，得到包衣种子。
【实施例2】
喷洒用菌液的制备
每升水中添加酪蛋白5-15g/L、大豆蛋白5-10g/L、氯化钠5-10g/L、尿素20-40g/L，得到液体培养基，之后加热搅拌并且调制pH值在8-9的弱碱性，加热搅拌均匀后分别分倒入容器之中，用棉花塞口放入灭菌锅进行1h的杀菌，目的是防止引入杂菌，杀菌后得到液体培养基。
液体培养基降温处理，加入每升12-15g的琼脂，灭菌后导入培养盘中低温固化得到固体培养基。
用接菌环蘸取巴士芽孢杆菌菌液在固体培养基上轻画，并放入25-40℃环境下培养，直至菌落形成。
用接种环挑出固体培养基上的菌落至制备好的液体培养基之中每升挑入菌量在1-3g，将菌液防止摇床中转速为100-200rpm，温度为25-40℃环境中培养。
利用分光度仪器，测其OD600下数值，巴士芽孢杆菌菌液达到1.0-1.5Abs时为对数期是喷洒最佳时期，此时单位脲酶活性在7.5-14.5。
喷洒用胶结液的制备
尿素及CaCl2按1:1的质量配置，溶液浓度在1-3mol/L，搅拌均匀取上层清液即为胶结液。
【实施例3】
无侧限抗压试验
取风积沙作为试样，用直径为39.1mm，高为80mm的双瓣模具装填。
取400g风积沙、50mL菌液、100mL胶结液(浓度为2mol)、长度小于2cm不同参量的沙蒿根系纤维(0g、4g、8g、12g)。先将风积沙与植物纤维均匀搅拌(模拟植物根系在沙中形态)，再加入实施例2中菌液和胶结液搅拌均匀后装入模具养护，24小时后脱模并将试件放入烘箱105℃烘干。
如图3所示，将试件放入无侧限仪器中，根据《GB/T50123-1999土工试验方法标准》进行无侧限抗压试验。
无侧限试验计算得出长度小于2cm不同参量的植物根系纤维0g、4g、8g、12g依次的峰值应力为0.32Mpa、0.56Mpa、0.78Mpa、0.6Mpa，由此可以看出植物根系会对微生物诱导碳酸钙固化效果，提高抗压强度，植物根系纤维参量为8g效果最佳，在0g-8g时强度明显增高，当大于8g时强度缓慢降低。这是由于植物根系在试件中起到加筋效果增加了试件抗变形能力，用量过大时破坏了原本结构排布反而强度降低。
【实施例4】
慢剪试验
取风积沙作为试样：取400g风积沙，将长度小于2cm不同参量的沙蒿根系纤维(0g、4g、8g、12g)分别拌制装满在长50cm、宽35cm、高2cm的托盘之中(4组)表面用玻璃板刮平，并交替喷洒500mL菌液、1000mL胶结液(2mol)(实施例2中制备所得)无先后顺序交替3次喷洒完毕，待完全干燥后用内径61.8mm，高度20mm环刀取土，每组试件取3个共12个试件。
如图4所示，将试件放入应变控制式直剪仪中根据《GB/T50123-1999土工试验方法标准》进行慢剪试验。
直接剪切试验通过下列算式计算：
其中，τf——土的抗剪强度，kpa；
σ——破裂面上的法向应力，kpa；
c——土的粘聚力，kpa；
得出不同参量的植物根系纤维0g、4g、8g、12g内摩擦角依次为31.61°、32.74°、33.25°、32.13°。粘聚力依次为7.14kpa、12.07kpa、25.22kpa、24.31kpa。
由此可以看出随着参量增加其粘聚力为先增大后缓慢减小的趋势、最佳参量在8g左右，证明了植物根系会对微生物诱导碳酸钙固化效果有所提高，植物根系有着加筋的效果，使沙土强度和粘聚力有所加强放大了微生物诱导碳酸钙固化效果。
【实施例5】
风蚀试验
取风积沙作为试样，用2个长50cm、宽35cm、高2cm的托盘装填。
取风积沙将2个托盘填满，表面用玻璃板刮平。在其中之一的盛满沙托盘上交替喷洒250mL菌液、500mL胶结液(2mol)(实施例2中制备所得)无先后顺序交替3次喷洒完毕，得到试样3-1。
再将另一个托盘喷洒上750mL去离子水，得到试样3-2，作对比试验。在自然状态下晾干后放入风洞仪器中去。
在10m/s风速条件下的输沙量为37kg(m2·min)，风蚀15min后测试样的质量损失率，并观察表面硬壳破损情况，进行比较。
如图5所示，风蚀试验在10m/s风速条件下的输沙量为37kg(m2·min)，风蚀15min后测试样的质量损失率未采用MICP固化的试件(试样3-2)为23％、采用MICP固化的试件(试样3-1)为1.2％，并测得生成的碳酸钙硬壳厚度为4.2mm。
因此明显可以看出MICP在地表生成了碳酸钙硬壳，且具有很好的耐风蚀能力，对种子前期发芽起到了很好的保护作用，提高种子的成活率。
【实施例6】
种子生长试验
取宽65cm、长30cm、高20cm的泡沫箱子培养种子，用土壤填满箱子并在中间加入挡板做左右对比试验。
采用实施例1中得到的包衣种子9颗及对应的原始种子9颗。一边均匀种下9颗未包衣种子(试样4-1)，一洞一颗；一边种植9颗包衣种子(试样4-2)，及得到包衣种子一洞一颗。
之后对试样4-1喷洒750mL水之后不浇任何液体保持干旱状态，对试样4-2交替喷洒250mL菌液、500mL胶结液(2mol)(实施例2中制备所得)无先后顺序交替3次喷洒完毕之后不浇任何液体保持干旱状态。
如图6所示，7天后包衣种子(试样4-2)成功发芽并拱破固化后的碳酸钙硬壳，而未包衣种子(试样4-1)依旧没有发芽。
种子发芽试验结果表明通过包衣后的种子其耐旱能力明显增强，并且种子完全可以在1cm碳酸钙硬壳下破土发芽。证明了本发明方法的可行性。
由上可知，本发明的方法提高了耐旱植物的成活率缩短植物在干旱条件下生长周期，微生物诱导碳酸钙沉淀反应与植物根系共同作用下使防风固沙效果更好。相比于传统防风固沙方法，本方法防风固沙效果更好，操作更加简单高效，节约用料减少成本，且全过程绿色环保无污染。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种高效防风固沙的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将抗旱植物的种子浸泡到微生物液体培养基中，直至种子表皮湿润，再将湿润的种子置于高分子聚合物粉末中，使高分子聚合物粉末包裹在种子表面，得到包衣种子；
其中，高分子聚合物为高分子吸水树脂，微生物液体培养基中包含碳、氮、无机盐和生长因子；
将包衣种子播种在需要防风固沙的区域，包衣种子播撒完毕后，将胶结液和能产生脲酶的菌液交替并多次喷洒在播撒了包衣种子的区域，即可。
2.根据权利要求1所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，菌液和胶结液的喷洒量根据种子埋深和沙土渗透性进行调整，其中，菌液和胶结液的体积比为1:2。
3.根据权利要求1所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，所述高分子聚合物为聚丙烯酸、聚乙烯醇、共聚类、淀粉类或纤维素。
4.根据权利要求1所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，所述微生物液体培养基的配置方法为：每升水中添加酪蛋白15g/L、大豆蛋白5g/L、氯化钠5g/L、尿素20g/L，得到液体培养基，并进行灭菌处理。
5.根据权利要求1所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，所述抗旱植物种子为沙蒿、油蒿、发菜、甘草、梭梭中和抗旱豆科植物等至少一种。
6.根据权利要求1所述的高效防风固沙方法，其特征在于，所述菌液的制备过程如下：将含有菌种的液体培养基放置在摇床中，以100-200rpm的转速，25-40℃的环境中培养，直至菌液达到菌体增长的对数期后应立即进行喷洒使用。
7.根据权利要求1或6所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，所述菌液中的菌体为碳酸盐矿化菌、巴士芽孢杆菌、变形杆菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌或脲解支原体。
8.根据权利要求1所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，所述胶结液中包含尿素和钙源。
9.根据权利要求8所述的高效防风固沙的方法，其特征在于，所述钙源为CaCl2、Ca(CH3COO)2或Mg(CH3COO)2。
10.根据权利要求1所述的高效防风固沙方法，其特征在于，所述胶结液的制备过程如下：尿素及钙源按1:1的质量配置，溶液浓度在1-3mol/L，搅拌均匀取上层清液即为胶结液。
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