离子型稀土废弃矿山土壤形成生物土壤结皮的快速培育方法及其应用与流程

本发明属于环境生物技术领域，尤其涉及一种离子型稀土废弃矿山土壤形成生物土壤结皮的快速培育方法及其应用。

背景技术：

生物土壤结皮技术在沙地及荒漠化地区的防风固沙、防治水土流失等环境治理方面取得了较好成效。生物土壤结皮(biologicalsoilcrusts，bscs)是由隐花植物如蓝藻、荒漠藻、地衣、苔藓类和土壤中微生物，以及相关的其它生物体通过菌丝体、假根和分泌物等与土壤表层颗粒胶结形成的十分复杂的复合体，广泛分布于各类气候和生境条件。组成bscs的藻类、苔藓和地衣是常见的先锋拓殖植物，不仅能在严重干旱缺水、营养贫瘠、极端ph和盐分等生境条件恶劣的环境中生长繁殖，并且能通过其生活代谢方式影响并改变环境，在防风固沙、防止土壤侵蚀、土壤物理过程(团聚)、土壤水文(降雨拦截与降雨入渗)和土壤生态等方面发挥着重要的作用。

国外对bscs的研究始于20世纪50年代，我国自20世纪80年代开始致力于bscs相关研究，主要集中于bscs对旱区生态系统功能修复效果的研究，但应用于离子型稀土废弃矿山的生态修复研究还未见报道。目前，关于bscs培育技术的专利主要有：中国专利(申请)号为201811395757.x的专利提供了一种荒漠苔藓及其生物结皮快速增殖方法。该专利将真菌与蓝藻混合接种于流沙，能较快形成稳定的复合结皮，但在接种前，需要制备真菌和蓝藻培养液，步骤较为繁琐，周期较长。中国专利(申请)号为200810035554.x的专利提供了一种荒漠苔藓及其生物结皮快速增殖方法。该专利主要是采用组织培养、无机培养基的培养方式。中国专利(申请)号为200310125467.0的专利提供一种被培育的苔藓耐干燥性优良、且在苔藓培育其间易形成群落的苔藓培育片，和使用该苔藓培育片的结构绿化方法，采用整个配子体种植在纸张、纤维碎末上，施加肥料后形成一般的苔藓结皮。目前尚未发现有专利对离子型稀土废弃矿山形成生物土壤结皮的快速培育方法及其应用进行报道。当前离子型稀土废弃矿山面积大且水土流失严重，生态修复刻不容缓。构建生物结皮技术，创新发展离子型稀土废弃矿山生态修复技术，在离子型稀土废弃矿山的生态保护方面显得尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物土壤结皮及其人工培育方法和应用。本发明提供的生物土壤结皮能够有效提高离子型稀土废弃矿山生态修复效果。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种生物土壤结皮的人工培育方法，包括以下步骤：

1)选择若干种不同类型的生物土壤结皮，分别除杂、风干、粉碎后获得不同类型的碎皮；

2)将步骤1)中获得的不同类型的碎皮分别接种到土壤表面进行7～9周的恒温光照培育获得不同类型的候选人工培育生物土壤结皮；

3)以结皮覆盖度为第一筛选指标、株高为第二筛选指标，筛选获得最优势的人工培育生物土壤结皮。

优选的，步骤1)中选择的生物土壤结皮的类型为4～8种；所述不同类型的生物土壤结皮以外观形状区别。

优选的，所述碎皮的粒径≤2mm。

优选的，步骤2)中所述接种的方法为碎皮接种法，所述接种的接种量为100～500g/m2。

优选的，步骤2)中所述土壤的厚度为7～9cm；所述土壤为地表0～20cm的土层，风干、过筛后的土壤。

优选的，步骤2)中所述培育过程中，每日浇水一次，浇水量为1.1～1.2l/m2/次。

优选的，步骤2)中所述培育的前两周，每隔3天喷洒一次knop营养液；所述knop营养液的喷洒量为0.5～0.6l/m2/次。

优选的，步骤2)中所述的恒温光照培育的光照强度为2000～4000lx，光照周期为12h光照/12h黑暗；所述恒温光照培育的温度为17～26℃，湿度为50％～70％，所述恒温光照培育的co2浓度为0ppm。

本发明提供了所述的人工培育方法培育获得的人工培育生物土壤结皮。

本发明提供了所述的人工培育生物土壤结皮在离子型稀土废弃矿山的生态修复中的应用。

本发明的有益效果：本发明提供的生物土壤结皮的人工培育方法，通过人工培育生物土壤结皮，显著缩短了生物土壤结皮的产生周期：一块完整的荒野结皮，依靠自然生长条件需要2～3年才能形成；而通过本发明所述的人工培育方法，仅需要2～3个月时间就能够形成一片初始生物结皮，加速了生物结皮的培育，为人工生物土壤结皮在离子型稀土矿山生态修复中的应用提供了基础。

本发明提供的人工生物土壤结皮对离子型稀土废弃矿山土壤具有良好的改良及防治水土流失作用。与对照相比，本发明提供的人工生物土壤结皮提高了所述离子型稀土废弃矿山土壤的ph值，从5.88提高至6.28，使得土壤酸性减弱；同时，土壤中的有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾等养分，分别提高了294％、21.6％、81.8％、100％、260％、8.9％、52.4％；本发明提供的人工生物土壤结皮还具有粘化土壤作用；本发明所述的人工生物土壤结皮修复后的土壤，抗侵蚀能力和保水性能显著提高。

附图说明

图1为人工生物土壤结皮组和对照组的坡面水土流失状况对比；

图2为人工生物土壤结皮组和对照组的土壤含水量变化曲线；

图3为人工生物土壤结皮对土壤养分的影响；

图4为人工生物土壤结皮对土壤机械组成的影响。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

本发明提供了一种生物土壤结皮的人工培育方法，包括以下步骤：1)选择若干种不同类型的生物土壤结皮，分别除杂、风干、粉碎后获得不同类型的碎皮；2)将步骤1)中获得的不同类型的碎皮分别接种到土壤表面进行7～9周的恒温光照培育获得不同类型的候选人工培育生物土壤结皮；3)以结皮覆盖度为第一筛选指标、株高为第二筛选指标，筛选获得最优势的人工培育生物土壤结皮。

在本发明中，选择若干种不同类型的生物土壤结皮，分别除杂、风干、粉碎后获得不同类型的碎皮。在本发明中，选择的生物土壤结皮的类型优选为4～8种，在本发明具体实施过程中选择6种。在本发明中，所述不同类型的生物土壤结皮以外观形状区别，包括苔藓结皮、藻结皮和混合结皮。本发明对所述生物土壤结皮的来源没有特殊限定，优选的采用离子型稀土废弃矿山生境类似的生物土壤结皮。在本发明中，所述生物土壤结皮优选的采用铲子从环境中铲取；所述生物土壤结皮铲取过程中，优选的连同所述生物土壤结皮下1cm厚度以内的土壤一同铲取。在本发明中，所述生物土壤结皮铲取后，优选的装于塑料密封袋中保存。在本发明中，所述除杂优选的包括人工挑出肉眼可见的植物残渣、土块、石子等杂物。在本发明中，所述除杂后进行风干，所述风干优选为自然风干。本发明对所述粉碎的方法没有特殊限定，采用本领域常规的粉碎方法即可。在本发明中，所述粉碎后获得的碎皮的粒度优选的≤2mm。

本发明在获得不同类型的碎皮后，将获得的不同类型的碎皮分别接种到土壤表面进行7～9周的恒温光照培育，获得不同类型的候选人工培育生物土壤结皮。在本发明中，所述接种的方法优选为碎皮接种法，本发明对所述碎皮接种法的具体步骤没有特殊要求，具体参见参考文献(肖波,赵允格,邵明安.黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应[j].草地学报,2008,16(1):28-33.)记载。在本发明中，所述接种的接种量优选为100～500g/m2，更优选为200～400g/m2，最优选为300g/m2。在本发明中，所述土壤优选为地表0～20cm的土层，风干、过筛后的土壤。在本发明中，所述土壤更优选的选取离子型稀土废弃矿山土壤或与其生境类似的土壤。在本发明中，所述风干优选为自然风干，所述过筛后的土壤粒径优选的≤2mm。

在本发明中，所述土壤优选的放置于培养盘中，所述土壤的厚度优选为7～9cm，更优选为8cm。在本发明中，所述培养盘的底部优选的平铺无纺布，所述无纺布的作用是透气保湿。在本发明中，所述培养盘的规格优选为42cm×42cm×10cm。

在本发明中，所述恒温光照培育过程中，优选的，每日浇水一次，浇水量优选为1.1～1.2l/m2/次，在本发明具体实施过程中，优选的每一个培养盘每次浇水180～220ml，更优选为200ml。本发明中所述浇水的作用是保证培养基土壤充分湿润。本发明中在所述培育的前两周，每隔3天喷洒一次knop营养液；所述knop营养液的喷洒量优选为0.5～0.6l/m2/次。在本发明具体实施过程中，优选的每一个培养盘每次喷洒knop营养液90～110ml，更优选为100ml。在本发明中，所述knop培养液，以水为溶剂，优选的包括以下组分：1.0g/lca(no3)2·4h2o、0.25g/lmgso4·7h2o、0.25g/lkno3、0.25g/lkh2po4和0.003g/lznso4·7h2o。

在本发明中，所述的恒温光照培育的光照强度优选为2000～4000lx，更优选为2500～3500lx；光照周期优选为12h光照/12h黑暗；所述恒温光照培育的温度优选为17～26℃，湿度优选为50％～70％，更优选为55％～65％；所述恒温光照培育的co2浓度优选为0ppm。

本发明在所述恒温光照培育后，以结皮覆盖度为第一筛选指标、株高为第二筛选指标，筛选获得最优势的人工培育生物土壤结皮。在本发明中，对于不同类型的生物土壤结皮培育的人工生物土壤结皮进行筛选，选取结皮覆盖度最高的人工生物土壤结皮，当两个以上结皮覆盖度相同时，再以株高为指标进行筛选。本发明在筛选获得所述人工培育生物土壤结皮后，继续培养240～260d，研究人工培育生物土壤结皮的发育对离子型稀土废弃矿山土壤理化和水文性质的影响。在本发明中，所述继续培养的光照强度、光照周期、温度、湿度、co2浓度和浇水量优选的与所述恒温光照培育过程保持一致。在本发明中，所述继续培养的时间优选为241～249d，更优选为244d。

本发明提供了所述的人工培育方法培育获得的人工培育生物土壤结皮。

本发明还提供了所述的人工培育生物土壤结皮在离子型稀土废弃矿山的生态修复中的应用。本发明提供的人工培育土壤结皮对离子型稀土废弃矿山土壤具有良好的改良及防治水土流失作用。本发明提供的人工生物土壤结皮能够改善土壤的理化性质，提高土壤的抗侵蚀能力和保水性能。

实施例1

本实施例研究所用原料采自于国家离子型稀土资源高效开发利用工程技术研究中心的矿山生态修复和环境保护试验基地(以下简称试验基地)，一座经硫铵堆浸后的离子型稀土废弃矿山，位于江西省赣州市定南县岭北镇茶坑村(东经115°6′3″，北纬24°57′35″)，但不作为本发明应用范围上的限定。

人工生物土壤结皮培育步骤如下：

步骤1：采集生物土壤结皮。在试验基地选择发育良好的6种不同类型的生物土壤结皮，利用小平铲，铲取结皮连同结皮下1cm厚的土层，装入塑料密封袋中。人工挑出肉眼可见的植物残渣，剔除土块、石子等杂质后，自然风干、粉碎至2mm粒径，备用。

步骤2：采集培养基土壤。在试验基地，除去土壤表面零星的杂草、石块等后，掘取0～20cm的土层，带回实验室自然风干后，过筛(2mm)备用。

步骤3：安装土槽：在培养盘(规格42cm×42cm×10cm)底部平铺无纺布，起到透气保湿效果。然后将培养基土壤装入培养盘内，保持高度为8cm。

步骤4：培育人工生物土壤结皮。采用碎皮接种法(步骤参考文献：肖波,赵允格,邵明安.黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应[j].草地学报,2008,16(1):28-33.)将bscs接种至土槽表面，接种量为200g/m2然后放置于恒温光照培养室内进行培养。在接种后2周内，每个培养盘，每日浇水1次，水量为200ml，保证培养基土壤充分湿润，每隔3日喷洒一次100mlknop营养液；两周后，继续每日浇水1次，保证培养基土壤充分湿润，直至结皮覆盖度达到90％以上。

恒温光照培养室的培养条件为：光照强度2500lx，光照周期为12h，温度25℃、湿度60％，co2浓度0ppm。

knop培养液，以水为溶剂，组成为1.0g/lca(no3)2·4h2o、0.25g/lmgso4·7h2o、0.25g/lkno3、0.25g/lkh2po4以及0.003g/lznso4·7h2o。

步骤5：筛选优势生物土壤结皮种类。培育8周后，以结皮覆盖度和株高为指标(优先看覆盖度)，从6组生物土壤结皮中筛选出优势候选人工培育生物土壤结皮。

步骤6：优势候选人工培育生物土壤结皮组，每日浇水1次，保证培养基土壤充分湿润，继续培养244天获得人工培育生物土壤结皮。

实施例2

对实施例1中获得的人工培育生物土壤结皮进行土壤侵蚀试验

步骤如下：

采用侧喷式人工模拟降雨装置进行。该装置由2组单喷头对喷，降雨高度为1m。土槽坡度设置为15°，土槽下端设集流装置收集径流泥沙样，底部安装收集桶，用于降雨侵蚀泥沙和地表径流的收集观测。在模拟人工降雨前，确保试验土壤均饱和含水。试验处理包括人工生物土壤结皮组(bscs)和空白对照组(ck)2种处理。根据导致土壤流失的主要降雨类型为短历时、高强度降雨，降雨时间多在1h左右，试验设计3种降雨强度，60mm/h模拟大雨条件，90mm/h模拟暴雨条件，120mm/h模拟特大暴雨条件，分别历时1h。监测降雨侵蚀泥沙量和地表径流量，研究人工培育生物土壤结皮的发育对坡面产流产沙过程的影响。

通过室内模拟人工降雨进行土壤侵蚀试验，计算坡面的产流时间、坡面径流量、侵蚀产沙量，分析人工培育生物土壤结皮的发育对土壤坡面侵蚀作用的影响。在土壤侵蚀试验中，bscs组和ck组均以面蚀为主，没有出现明显的沟侵蚀现象。bscs组的土壤坡面产流早于ck组的坡面。ck组土槽在产流后即伴随有一定量的泥沙，而bscs土槽的径流自始至终仅略为混浊。试验结果(图1)显示，在降雨强度为60、90、120mm/h条件下，经1h人工降雨试验后，bscs组的产沙量分别为2.64、6.81、18.72g/m2，相比同等降雨条件下ck组的产沙量，分别减少了97％、94％、90％；坡面径流量变化不显著，bscs组的坡面径流量相比ck组分别增加了12％、5％、3％。结果表明，人工培育生物土壤结皮的形成提高了坡面径流量，但影响不显著；大幅度降低了坡面产沙量，具有抑制产沙作用，显著地提高了土壤抗侵蚀能力。同时，降雨强度越小，结皮坡面不易被冲破，不易出现沟侵蚀现象，能被径流冲刷的松散物质越少，坡面产沙量越少，人工培育生物土壤结皮相对减蚀效应更强。

对实施例1中获得的人工培育生物土壤结皮进行保水性试验。

在完成上述土壤侵蚀试验后，土壤均达到饱和含水率。接着置于阳光温室中进行保水性能试验，间隔4h、8h、18h、24h、32h，持续监测土壤含水率变化，以探究人工培育生物土壤结皮的发育对土槽含水率变化特征的影响。

保水试验结果(图2)显示，ck组土壤含水率迅速下降，经过32h后，含水率从33.14％下降至16.26％，下降了50.9％；而经过32h后，接种结皮的bscs组土壤含水率缓慢地从33.42％下降至28.92％，仅下降了13.5％。结果表明，人工培育生物土壤结皮的发育显著提高了土壤保水性能。

实施例1中获得的人工培育生物土壤结皮对离子型稀土废弃矿山土壤的改良效果试验

取结皮下层0～1cm土样进行理化性质分析，研究人工培育生物土壤结皮的发育对离子型稀土废弃矿山土壤的改良效果。有机质测定采用重铬酸钾法；容重测定采用环刀法；全氮测定采用凯氏法；速效氮测定采用蒸馏法；全磷测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；速效磷测定采用碳酸氢钠浸取-电感耦合等离子体发射光谱法；全钾测定采用氢氧化钠熔融-原子吸收分光光度法；速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度计法；ph测定采用玻璃电极法；机械组成测定使用激光粒度分析仪进行测定。

人工培育生物土壤结皮培育300天后，取结皮下层0～1cm土样进行理化性质测定分析，测定结果见表1和图3。结果表明，人工培育生物土壤结皮的发育对离子型稀土废弃矿山表层土壤的理化性质具有显著的影响，具有较好的土壤改良作用。相比未接种结皮的ck组，bscs组酸性土壤的ph提高了6.8％，土壤酸性减弱；容重下降了11.6％；土壤养分均有不同程度的提高：有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾含量分别提高了294％、21.6％、81.8％、100％、260％、8.9％、52.4％。

表1结皮对土壤理化性质影响

机械组成是土壤分类的基本依据，对土壤孔隙度、容重、含水率、渗透率、粘结性等有直接影响。根据土壤颗粒分类标准(gb7845--1987)，将试验土壤按粒径大小分为5个级别：黏粒(<0.002mm)、粉(砂)粒(0.002～0.02mm)、细砂粒(0.02～0.25mm)、粗砂粒(0.25～1mm)和极粗砂(1～2mm)。试验土壤组成以细砂粒、粗砂粒和粉粒为主。bscs组和ck组的表层0～1cm土壤机械组成测定结果(图4)显示，与ck组相比，bscs组土壤的粗砂粒和极粗砂的含量几乎没有变化，细砂粒含量有所降低，粘粒和粉粒含量有一定的增加。试验结果表明人工生物土壤结皮发育具有一定的成土作用，其物理、化学以及生物过程粘化了表层土壤质地，一定程度上，提高了土壤粉粒和粘粒的组成，降低了细砂粒的组成。

由上述实施例可知，本发明提供的人工培育生物土壤结皮的发育对离子型稀土废弃矿山土壤具有改良及防治水土流失作用。具体表现为(与对照相比)：(1)ph从5.88提高至6.28，提高了6.8％，土壤酸性减弱；(2)容重降低了11.6％，有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾分别提高了294％、21.6％、81.8％、100％、260％、8.9％、52.4％；(3)粉粒和粘粒的组成有少量提高，土壤被粘化；(4)抗侵蚀能力和保水性能显著提高。

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。

技术特征：

1.一种生物土壤结皮的人工培育方法，包括以下步骤：

1)选择若干种不同类型的生物土壤结皮，分别除杂、风干、粉碎后获得不同类型的碎皮；

2)将步骤1)中获得的不同类型的碎皮分别接种到土壤表面进行7～9周的恒温光照培育，获得不同类型的候选人工培育生物土壤结皮；

3)以结皮覆盖度为第一筛选指标、株高为第二筛选指标，筛选获得最优势的人工培育生物土壤结皮。

2.根据权利要求1所述的人工培育方法，其特征在于，步骤1)中选择的生物土壤结皮的类型为4～8种；所述不同类型的生物土壤结皮以外观形状区别。

3.根据权利要求1或2所述的培育方法，其特征在于，所述碎皮的粒径≤2mm。

4.根据权利要求1所述的人工培育方法，其特征在于，步骤2)中所述接种的方法为碎皮接种法，所述接种的接种量为100～500g/m2。

5.根据权利要求1所述的人工培育方法，其特征在于，步骤2)中所述土壤的厚度为7～9cm；所述土壤为地表0～20cm的土层，风干、过筛后的土壤。

6.根据权利要求1所述的人工培育方法，其特征在于，步骤2)中所述培育过程中，每日浇水一次，浇水量为1.1～1.2l/m2/次。

7.根据权利要求1或6所述的人工培育方法，其特征在于，步骤2)中所述培育的前两周，每隔3天喷洒一次knop营养液；所述knop营养液的喷洒量为0.5～0.6l/m2/次。

8.根据权利要求1所述的人工培育方法，其特征在于，步骤2)中所述的恒温光照培育的光照强度为2000～4000lx，光照周期为12h光照/12h黑暗；所述恒温光照培育的温度为17～26℃，湿度为50％～70％，所述恒温光照培育的co2浓度为0ppm。

9.权利要求1～8任意一项所述的人工培育方法培育获得的人工培育生物土壤结皮。

10.权利要求9所述的人工培育生物土壤结皮在离子型稀土废弃矿山的生态修复中的应用。

技术总结

本发明提供了一种离子型稀土废弃矿山土壤形成生物土壤结皮的快速培育方法及其应用，属于环境生物技术领域，所述人工培育方法，包括以下步骤：1)选择若干种不同类型的生物土壤结皮，分别除杂、风干、粉碎后获得不同类型的碎皮；2)将步骤1)中获得的不同类型的碎皮分别接种到土壤表面进行7～9周的恒温光照培育获得不同类型的候选人工培育生物土壤结皮；3)以结皮覆盖度为第一筛选指标、株高为第二筛选指标，筛选获得最优势的人工培育生物土壤结皮。继续培养240～260d，研究人工培育生物土壤结皮的发育对离子型稀土废弃矿山土壤理化和水文性质的影响。本发明提供的人工生物土壤结皮对离子型稀土废弃矿山土壤具有良好的改良及防治水土流失作用。

技术研发人员：邓扬悟;汪江萍;黄金;王慧娟;陈国梁;唐纯

受保护的技术使用者：江西离子型稀土工程技术研究有限公司

技术研发日：2020.04.29

技术公布日：2020.08.07