人工藻荒漠生態(tài)修復(fù)技術(shù)

劉永定+李勇+劉旭

摘要 通過介紹藻類連續(xù)培養(yǎng)的理論、種類和裝置，旨在對(duì)荒漠區(qū)退化土地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。本文論述了近年發(fā)展起來的室內(nèi)培養(yǎng)藻類與野外項(xiàng)目區(qū)噴灑研究，認(rèn)為藻類連續(xù)培養(yǎng)并規(guī)?；⑼瑫r(shí)進(jìn)行野外噴灑是一種治理和恢復(fù)荒漠生態(tài)的有效方式。利用藻類噴灑荒漠區(qū)，發(fā)揮其固沙、抑塵、成土、培肥、育草、固碳、修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的作用，可為荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞 人工藻；荒漠；生態(tài)修復(fù)；河北圍場(chǎng)

中圖分類號(hào) S157.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1007-5739（2017）12-0252-03

Abstract Theory，types and equipment of continuous cultivation of algae were introduced in this paper. The research on indoor cultivation algae newly developed and field project area spraying algae was elaborated. Continuous scale culture and field spraying was an effective way to control and restore desert ecosystem. That the algae spraying in desert area can play the roles of sand fixing，dust control，soil forming，fertility increasing，vegetation cultivation，carbon sequestration and ecological system restoration. It can contribute to the ecological environment construction in desert area.

Key words artificial algae；desert；ecological restoration；Weichang Hebei

我國(guó)北方大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，包括水土流失在內(nèi)的土地荒漠化已經(jīng)成為重要的環(huán)境問題[1]。新中國(guó)成立以來，國(guó)家已累計(jì)治理了水土流失面積超過80萬km2，取得了顯著的成績(jī)。但據(jù)1999年遙感普查結(jié)果，全國(guó)亟待治理的水土流失面積仍達(dá)220萬km2，大江大河上游地區(qū)、風(fēng)沙區(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)惡化的趨勢(shì)尚未得到有效控制[2]，按現(xiàn)在的治理速度和治理方法，需要近半個(gè)世紀(jì)才能得到初步治理，而且需要數(shù)千億元資金。因此，轉(zhuǎn)變觀念，依靠生態(tài)修復(fù)防治水土流失已成為中國(guó)水土保持實(shí)踐的迫切需要[3]。

河北壩上地區(qū)位于中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中部，雖然從沙漠化發(fā)生的程度來講，為沙漠化輕度地區(qū)，但從沙漠化發(fā)展速率來看，卻是我國(guó)土地沙漠化發(fā)展最迅速的地區(qū)[4]。壩上地區(qū)在明清時(shí)代原本是水草豐茂的優(yōu)良天然牧場(chǎng)[5]，自清朝末期開始放墾后，農(nóng)民逐漸定居草原，致使草地退化、風(fēng)蝕沙化，水土流失逐漸加劇和擴(kuò)大。為了解決荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題，在20世紀(jì)90年代，武漢水生生物研究所將荒漠藻引入荒漠區(qū)進(jìn)行荒漠治理[6-8]，先后在我國(guó)騰格里沙漠、通古特沙漠、庫布齊沙漠開展了關(guān)于藻類分布、結(jié)皮、固沙成土方面的研究，實(shí)現(xiàn)荒漠藻人工結(jié)皮與傳統(tǒng)植物或工程固沙措施的結(jié)合。從已有文獻(xiàn)報(bào)道來看，多數(shù)荒漠藻結(jié)皮治沙的研究?jī)H局限于小范圍，還未進(jìn)行大范圍的實(shí)際運(yùn)用[9-11]。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在木蘭圍場(chǎng)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行荒漠藻人工培養(yǎng)，并大規(guī)模噴灑藻液恢復(fù)荒漠生態(tài)的技術(shù)屬首創(chuàng)。本文以圍場(chǎng)滿族自治縣項(xiàng)目區(qū)為例，總結(jié)人工荒漠藻修復(fù)荒漠生態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)，為規(guī)?；謴?fù)荒漠化生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 藻類培養(yǎng)

1.1 藻種選擇

人工藻類修復(fù)荒漠藻種的關(guān)鍵是藻類能否在干旱缺水、土壤貧瘠的荒漠區(qū)存活。因此，需要調(diào)查項(xiàng)目區(qū)的藻類結(jié)皮，并分離純化本土藻株（≥3株），并進(jìn)一步篩選出適應(yīng)性強(qiáng)、耐旱、耐寒、耐熱、耐輻射、耐貧瘠，以及既能光合固氮的全自養(yǎng)品系，又適合于規(guī)?；囵B(yǎng)的品種。根據(jù)這些條件，選擇席藻（Phormidium tenu）、偽枝藻（Scytonematales）、具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）進(jìn)行研究。

1.2 培養(yǎng)液選擇

項(xiàng)目采用目前公開的BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)方法，該方法易行、操作方便。采用硝酸鈉、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、氯化鈣、檸檬酸、檸檬酸鐵銨、乙二胺四乙酸二鈉鹽（EDTA）、碳酸鈉，微量元素溶液配制具體配比如表1所示。其中，微量元素溶液A5按比例配制，具體配比如表2所示。

1.3 藻類培養(yǎng)過程

藻類的培養(yǎng)其實(shí)就是讓藻類無限繁殖并多次擴(kuò)繁的過程，一般幾十毫升藻液通過逐步擴(kuò)繁，可連續(xù)擴(kuò)增培養(yǎng)到幾十噸。但為了敘述方便及在擴(kuò)繁過程中不同的技術(shù)需要，把藻類培養(yǎng)分成3個(gè)階段，即一級(jí)培養(yǎng)、二級(jí)培養(yǎng)和三級(jí)培養(yǎng)。一級(jí)培養(yǎng)在專門的培養(yǎng)室進(jìn)行，技術(shù)要求較高，使用不同容量的三角燒瓶；二級(jí)培養(yǎng)在室外塑料大棚進(jìn)行，使用50 L塑料白桶；三級(jí)培養(yǎng)是在二級(jí)培養(yǎng)中分隔出藻類進(jìn)行生產(chǎn)性培養(yǎng)，但由于項(xiàng)目區(qū)干旱缺水，未能進(jìn)行跑道式的藻池培養(yǎng)，利用容量為700 L的臥式塑料大桶進(jìn)行生產(chǎn)性培養(yǎng)。

1.3.1 一級(jí)培養(yǎng)。剛篩選、分離純化的藻類一般需對(duì)環(huán)境有適應(yīng)過程。一級(jí)培養(yǎng)通常在對(duì)光照可控的培養(yǎng)箱或采光較好的房間內(nèi)進(jìn)行，若在房間進(jìn)行，窗口光線可以通過安裝百葉窗進(jìn)行調(diào)控。一級(jí)培養(yǎng)需要的培養(yǎng)基母液應(yīng)該用純水配制，一級(jí)培養(yǎng)必須保證藻種的純度，嚴(yán)防污染，只有這樣才能保證二級(jí)、三級(jí)培養(yǎng)藻類的純度。因此，一級(jí)培養(yǎng)操作人員接藻種前應(yīng)將手洗干凈，并用酒精擦試，或戴一次性塑料薄膜手套，以防止操作過程中因手而造成的污染。三角燒瓶在使用前用洗潔精洗凈后備用。移液管在每次使用前均應(yīng)在酒精中消毒，并將裝有培養(yǎng)基的三角瓶用牛皮紙或?yàn)V紙封口，再用橡皮筋扎牢。在培養(yǎng)過程中，可以根據(jù)地區(qū)的太陽日照時(shí)間，控制好藻類的曝光時(shí)間，并隔一段時(shí)間輕輕搖晃三角瓶保證藻類生長(zhǎng)足夠的氧氣供應(yīng)，在藻液生長(zhǎng)到較高濃度時(shí)，應(yīng)及時(shí)擴(kuò)繁進(jìn)入二級(jí)培養(yǎng)，以防藻類細(xì)胞老化。

1.3.2 二級(jí)培養(yǎng)。把一級(jí)培養(yǎng)的藻液8 000 mL接種分裝到25 L的塑料桶中后，擴(kuò)繁后藻液為200 L，擴(kuò)繁倍數(shù)為25倍，以保證藻液生長(zhǎng)需要的足夠空間。同時(shí)，培養(yǎng)液的配置同樣采用BG11，母液用水可直接采用自來水，但接種時(shí)需曬至恒溫，防止井水的水溫過低影響藻液的活性和生長(zhǎng)。塑料桶用簡(jiǎn)單的塑料棚遮蓋，避免藻類受到陽光直曬，并采用空壓機(jī)進(jìn)行曝氣培養(yǎng)，充氣量不需要太大，6：30左右打開，18：00時(shí)停止曝氣，中午停氣3 h左右。荒漠區(qū)晝夜溫差較大，為了保證藻類合適的生長(zhǎng)溫度，一般將藻液進(jìn)行半密閉處理，即用塑料薄膜將塑料桶遮蓋。在培養(yǎng)過程有時(shí)個(gè)別桶的藻類受到污染，在藻液液面和桶接觸處及充氣管和藻液接觸處出現(xiàn)其他藻類。此時(shí)，應(yīng)對(duì)污染藻液及時(shí)清理，否則不適于進(jìn)入三級(jí)培養(yǎng)。在這種狀況下連續(xù)培養(yǎng)7 d基本可以達(dá)到最高濃度，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行三級(jí)培養(yǎng)。

1.3.3 三級(jí)培養(yǎng)。三級(jí)培養(yǎng)設(shè)施是生產(chǎn)性培養(yǎng)，需要量較大。但根據(jù)荒漠區(qū)缺水少水的實(shí)際，不適合用水泥池進(jìn)行跑道式培養(yǎng)，一般采用容量為700 L的臥式白色塑料桶進(jìn)行擴(kuò)繁培養(yǎng)，這種容器透光性較好、硬度大、培養(yǎng)效果好（圖1）。二級(jí)培養(yǎng)的200 L藻液通過按照1∶30倍的擴(kuò)繁比例擴(kuò)繁，擴(kuò)繁后的藻液總量為6 000 L，分裝在6個(gè)臥式塑料大桶中，采取曝氣式培養(yǎng)方式對(duì)藻液所需的氧氣進(jìn)行供應(yīng)，但三級(jí)的曝氣比二級(jí)大。進(jìn)入三級(jí)培養(yǎng)后，對(duì)藻液的純度要求雖不及前2級(jí)高，但藻液的溫度和光照還是得采取遮光或用加熱棒的方式進(jìn)行調(diào)控，以保證藻類最優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境。三級(jí)培養(yǎng)的過程持續(xù)7 d左右，就可以用于項(xiàng)目區(qū)施工。

2 項(xiàng)目區(qū)噴藻

2.1 前期準(zhǔn)備工作

為了篩選出藻液噴灑后形成的結(jié)皮以保證固沙效果，一般在室內(nèi)進(jìn)行結(jié)皮試驗(yàn)，采用不同的處理方式進(jìn)行結(jié)皮試驗(yàn)，以指導(dǎo)大規(guī)模的噴藻施工。

室內(nèi)試驗(yàn)用的藻液取自三級(jí)培養(yǎng)的大桶，基質(zhì)（沙）采取自未噴藻樣地。首先稱取單位體積的沙重量，算出沙的容重為1.563 g/cm3。在每個(gè)直徑為9 cm培養(yǎng)皿中裝入99.43 g沙且盡量鋪勻，使沙的平均深度為1 cm；按照2 L/m2的噴灑量向培養(yǎng)皿中均勻噴灑藻液及粘合試劑。11個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行樣作為重復(fù)，不同藻液和粘合試劑配比分別為藻液、雙倍藻液、藻液+3%海藻酸鈉、藻液+1%海藻酸鈉、水+3%海藻酸鈉、水+1%海藻酸鈉、藻液+3%殼聚糖、藻液+1%殼聚糖、水+3%殼聚糖、水+1%殼聚糖、水。

將不同處理的樣品放置于光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為70 μE/（m2·s），溫度設(shè)置為25 ℃。當(dāng)沙表面干燥時(shí)，對(duì)所有樣品添加等量的水潤(rùn)濕。15 d后，對(duì)樣品拍照。

從圖2可以看出，噴藻的沙表面藻結(jié)皮已初步形成。對(duì)藻結(jié)皮顏色深度進(jìn)行比較可知：雙倍藻液>藻液；藻液+1%海藻酸鈉>藻液+1%殼聚糖>藻液+2%殼聚糖>藻液>藻液+3%海藻酸鈉。對(duì)結(jié)皮干燥后起皮程度進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，藻液+3%海藻酸鈉>藻液+1%海藻酸鈉。

因此，得出以下結(jié)論：加大藻液施用量可以加快藻結(jié)皮形成；低濃度（1%）海藻酸鈉可促進(jìn)結(jié)皮形成，但較高濃度（3%）則會(huì)抑制藻類生長(zhǎng)，但在干燥狀態(tài)下加入海藻酸鈉的結(jié)皮容易起皮，需進(jìn)一步降低濃度進(jìn)行試驗(yàn)；低濃度（1%）殼聚糖能促進(jìn)結(jié)皮形成，且在干燥狀態(tài)下可以較好地保持結(jié)皮形態(tài)，有望作為促進(jìn)人工藻結(jié)皮形成的添加劑。

2.2 項(xiàng)目噴藻

對(duì)即將施工的項(xiàng)目區(qū)，有平坦和坡地之分。對(duì)于坡度較大的坡地，為了保障噴灑藻液和草籽不被雨水沖走，在坡道中間設(shè)立2道寬度為20～30 m的沙障，沙障材料為樹枝，長(zhǎng)度約60 cm，埋深約20 cm，沙障的布設(shè)施工圖參考如圖3所示。項(xiàng)目區(qū)應(yīng)盡量選好形成路線，避免噴灑施工過程中對(duì)荒漠區(qū)的擾動(dòng)過大，影響恢復(fù)效果。

噴藻所需設(shè)備和機(jī)械有園林綠化用灑水車、柴油水泵、軟管和消防用加壓噴槍。用水泵將藻液抽入灑水車，運(yùn)至項(xiàng)目區(qū)，連接水泵、軟管和加壓噴槍，用水泵將藻液加壓并調(diào)節(jié)加壓噴槍，使藻液呈霧狀從坡面上向坡面下均勻噴灑。

3 荒漠修復(fù)發(fā)展建議

人工藻修復(fù)荒漠生態(tài)技術(shù)應(yīng)用研究與示范工程涉及多領(lǐng)域和多學(xué)科，需要一批具有超強(qiáng)專業(yè)能力和較高綜合素質(zhì)的技術(shù)人才參與人工藻荒漠生態(tài)修復(fù)工作。在開展生態(tài)修復(fù)工作時(shí)，先調(diào)查當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w情況和當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地，對(duì)有放牧的項(xiàng)目區(qū)可以采取一定的圍欄攔擋措施；根據(jù)項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況，評(píng)估該地區(qū)的荒漠承載力，研究符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的修復(fù)方案，并選擇尊重當(dāng)?shù)孛癖娨庠傅纳鷳B(tài)修復(fù)方案，篩選適合當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的藻類；在藻類培養(yǎng)過程中也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況就地取材；建立藻類的基礎(chǔ)培養(yǎng)設(shè)施時(shí)應(yīng)該節(jié)約經(jīng)濟(jì)，防止資源浪費(fèi)及藻類培養(yǎng)過程中發(fā)生藻液污染；在噴藻過程中，應(yīng)提前計(jì)算藻液噴灑濃度和推算噴藻量，合理規(guī)劃噴藻路線。通過在圍場(chǎng)滿族自治縣的規(guī)模化噴藻實(shí)踐，不僅積累了豐富的養(yǎng)藻、噴藻經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)和提高當(dāng)?shù)乩习傩盏纳鷳B(tài)防護(hù)意識(shí)做出了巨大貢獻(xiàn)。此外，還培養(yǎng)了一批專業(yè)實(shí)踐能力強(qiáng)、吃苦耐勞、勤勞肯干的技術(shù)隊(duì)伍，為未來荒漠生態(tài)恢復(fù)工作做了重要準(zhǔn)備。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 郭瑞霞，管曉丹，張艷婷.我國(guó)荒漠化主要研究進(jìn)展[J].干旱氣象，2015（3）：505-513.

[2] 黃文福，劉左軍，單夕文，等.土壤基質(zhì)、濕度及接種量對(duì)荒漠藻結(jié)皮形成的影響[J].中國(guó)沙漠，2014（6）：1503-1508.

[3] 楊光，李慶和.庫布齊沙漠東緣荒漠藻人工生物結(jié)皮的光譜特性[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2014（1）：90-95.

[4] 王占軍，邱新華，唐志海，等.寧夏1999—2009年土地荒漠化演變影響因素分析[J].中國(guó)沙漠，2013（2）：325-333.

[5] 孫建國(guó)，王濤，顏長(zhǎng)珍.氣候變化和人類活動(dòng)在榆林市荒漠化過程中的相對(duì)作用[J].中國(guó)沙漠，2012（3）：625-630.

[6] 閆德仁，薛博，吳麗娜，等.荒漠藻人工生物結(jié)皮固沙成效調(diào)查[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2011（4）：5-7.

[7] 杜宇，李鋼鐵，安小亮，等.藻類生物結(jié)皮人工促進(jìn)技術(shù)的研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（3）：20-23.

[8] 張永民，趙士洞.全球荒漠化的現(xiàn)狀、未來情景及防治對(duì)策[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2008（3）：306-311.

[9] 胡春香.荒漠藻對(duì)細(xì)風(fēng)沙土的固定能力[C]//中國(guó)藻類學(xué)會(huì)第十一次學(xué)術(shù)討論會(huì)論文摘要集.中國(guó)藻類學(xué)會(huì)，2001：1.

[10] 吳波.我國(guó)荒漠化現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)與成因[J].林業(yè)科學(xué)研究，2001（2）：195-202.

[11] 李福興.全球荒漠化現(xiàn)狀和我國(guó)荒漠化研究的動(dòng)向[J].水土保持研究，1996（4）：103-110.