沙漠种植结构及在沙漠中种植植物的方法与流程

本发明涉及一种种植结构及种植方法，尤其涉及一种沙漠种植结构及在沙漠中种植植物的方法，属于沙漠治理技术领域。

背景技术：

沙漠化是一个世界性的生态环境问题。据不完全统计，荒漠和荒漠化土地在非洲占55％，北美和中美占19％，南美占10％，亚洲占34％，澳大利亚占75％，欧洲占2％。中国荒漠化土地面积为262.2万平方公里，占国土面积的27.4％，近4亿人口受到荒漠化的影响，同时，每年因荒漠化危害造成的直接经济损失达1200亿元。

目前，学者对荒漠化的研究主要集中在土地沙质荒漠化方面。常用的治理沙漠的手段有植物造林，沙障，草方格等。但是单纯的植树难度很大，植物埋入深度需要很大，植物存活率很低，见效慢，需要投入大量的人力和物力。沙障、草方格见效快，但是投入也比较大，很难大面积使用。新出现的手段还有土壤表面结皮技术，有化学、物理和生物结皮，单纯的物理和化学结皮很脆弱且不稳定，同时化学结皮对周围环境也有一定的污染。而生物结皮是通过细菌、真菌、蓝绿藻等的生长中产生大量粘液，这些具有粘性附属物的菌体和粘性液体通过与藻类物质的交联结合成结皮，但此方法对环境有一定的要求，且结皮生长缓慢，见效慢。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中沙漠治理存在的难题，本发明的第一目的是提供一种利用自然环境中天然存在的微生物反应固结沙土结构，为植物提供良好生态环境的沙漠种植结构；本发明的第二目的是提供在该沙漠中种植植物的方法。

技术方案：本发明所述的沙漠种植结构，从沙漠表面向下开设种植坑，并在该种植坑的部分表面设防渗层，然后在种植坑内种植植物后回填沙漠土并在其表面设地表防风层，其中，沙漠中粒径≤0.075mm的砂土含量≥50％，防渗层和地表防风层由微生物防渗加固液处理得到，且该微生物防渗加固液中的微生物为兼性厌氧菌，防渗层与未设防渗层沙漠的渗透系数之比小于5％，地表防风层在最大风速为20m/s的情况下不被吹散。

本发明的沙漠种植结构适用于细颗粒沙漠，沙漠砂土的透水透气性差，对应采用兼性厌氧菌制备的微生物防固液，其在无氧条件下也能发挥作用。从效果和效率方面考虑，上述微生物可以为反硝化细菌，其在还原硝酸盐的过程中产生碳酸根，在碱性条件下和钙盐产生碳酸钙沉淀，同时可以为植物的生长提供氮源，促进植物生长。

进一步地，反硝化细菌可以但不限于假单胞菌属或产碱杆菌属的细菌，例如可以为硝基还原假单胞菌，CGMCCNo.1.2343，或荧光假单胞菌，CGMCCNo.1.3893。

本发明微生物防渗加固液包括以下成分：反硝化细菌10⁷-10⁹个/L、硝酸盐0.01-1mol/L、钙盐0.02-3mol/L、碳源0.03-1.5mol/L、氮源0.002-0.2mol/L及氯化钠0-15g/L。

上述钙盐为可溶性钙盐，可以但不限于硝酸钙、氯化钙、醋酸钙中的一种或几种。碳源可以但不限于醋酸盐、葡萄糖、玉米秸秆等，氮源可以但不限于氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、尿素、麸皮、玉米秆等，硝酸盐可以但不限于硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸铵等

微生物的增殖方式可以为：将反硝化菌种放入到液体培养基中，在25-35℃的环境温度下，以50-150rad/min的转速培养24-48h，其中，液体培养基包括硝酸盐0.01-1mol/L、氯化钙0.02-3g/L、碳源0.01-1mol/L、氯化铵0.05-0.5g/L，硫酸亚铁0.01-0.03g/L，并将pH调制7-8。

进一步地，防渗层可以全部或部分设于种植坑的表面。还可以在种植坑的底部表面设防渗层形成坑底防渗层。其中，坑底防渗层的直径为植树坑深度的0.9-1.2倍。

上述地表防风层的四周向植物种植位置倾斜，具有良好的集水作用；优选的倾斜角度为1-3％，其中，建筑上常用％表示斜率，等于高差/长度。

上述地表防风层上设有灌溉孔，其中，灌溉孔可以距离植物种植位置2-5cm。

上述种植坑内种植的植物多为多年生耐寒耐旱灌木；种植坑的深度可以为0.3-1.5m；种植坑在沙漠上间隔设置，其间距为树冠直径的1.5-3倍。

本发明所述在沙漠中种植植物的方法，包括如下步骤：在沙漠中开挖种植坑，利用微生物防渗加固液对种植坑的部分表面进行处理形成防渗层；在种植坑内种植植物并回填沙漠土；利用微生物防渗加固液对沙漠地表进行处理形成地表防风层；其中，沙漠中粒径≤0.075mm的砂土含量≥50％，微生物防渗加固液中的微生物为兼性厌氧菌，防渗层与未设防渗层沙漠的渗透系数之比小于5％，地表防风层在最高风速为20m/s的情况下不被吹散。

优选的，利用所述微生物防渗加固液分别处理种植坑部分表面和沙漠地表3-5次，其中，处理3次就有效果，处理5次效果很明显，能够结成至少3cm厚的硬壳层。进一步地，利用所述微生物防渗加固液每次的处理量为1-5L/m²，处理量控制在该范围内可以获得较好的效果，而且节省时间和成本。然后覆盖覆盖层，以防止阳光暴晒导致细菌死亡。相邻处理次数之间间隔3-6h，用于细菌反应，如果间隔时间太短，会对前一次的处理造成一定程度的破坏，因为喷洒时的冲击力会对短时间内形成的硬壳层造成破坏；如果处理时间太长会增加施工时间成本。最后一次处理后至少72h撤掉覆盖层，这里的覆盖层为黑色土工布或稻草席。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明的绿色沙漠种植结构依赖的微生物反应过程是自然界，尤其是土体的生态环境中本身存在的过程，相比单纯的物理结皮和化学结皮较稳定，且不会对环境造成污染；(2)本发明采用的微生物-植物联合治沙技术，相比单纯的种植植物存活率要高；(3)本发明主要依赖的是“生物水泥”技术，相比利用其他细菌、真菌和蓝藻等产生的生物结皮见效快，且对环境基本没要求；(4)本发明操作简单，处理期短且耐久性好，不需要大量的人力和物力投入。

附图说明

图1为本发明沙漠种植结构的示意图；

图2为本发明沙漠种植结构渗流量随时间变化图；

图3-1和3-2分别为本发明风蚀试验风速和气温的变化状态图；

图4-1～4-6分别为本发明风蚀试验的现场图片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的沙漠种植结构，沙漠中粒径≤0.075mm的砂土含量≥50％，从沙漠1表面向下开设一定深度的梯形的种植坑2，种植坑2间隔布置，并在该种植坑的底部设防渗层3，然后在种植坑2内种植植物后回填沙漠土，在沙漠土的表面设地表防风层4，其中，所述防渗层3和地表防风层4由微生物防渗加固液处理得到，该微生物防固液中的微生物选用兼性厌氧菌，防渗层与未设防渗层沙漠的渗透系数之比小于5％，地表防风层4在最大风速为20m/s的情况下不被吹散；上述地表防风层的四周向植物种植位置倾斜，且在地表防风层周围设有灌溉孔5。

1.防渗层渗透实验

1.1配制试样：

采用保藏编号为CGMCCNo.1.2343的硝基还原假单胞菌进行增殖培养，将生长到对数期的微生物10⁸个/L、硝酸盐0.05mol/L、硝酸钙0.08mol/L、碳源0.03mol/L、氮源0.005mol/L、氯化钠9mol/L混合于水溶液中，得到微生物防渗加固液的试样。

1.2变水头试验：

试样截面直径50mm，高度100mm，打开水阀，使水自下而上流经试样，记录25mm水头变化需要的时间差，计算得到渗透系数。

1.3实验结果：

没有经过处理的试样的渗透系数为5.3*10^-4，处理3次后试样的渗透系数为2.5*10^-6，处理5次后试样的渗透系数为1.5*10^-7。

此外，通过测定单位时间的渗流量可反映采用本发明微生物防渗加固液处理和未经处理的沙漠土的渗透性能强弱，并将测得的数据绘制斜线，如图2所示，横轴表示渗透时间，纵轴表示渗流量，未处理的斜线斜率大，说明其渗透性很大；而经过渗透液处理过一次的斜线斜率已经很小了，说明其渗透性改善很多，事实上，采用本发明防渗液处理过的防渗层，防渗液渗透完需要的时间是未处理过的3.5倍以上。

2.地表防风层抗风蚀能力实验

2.1配制试样：

采用1.1中配制的试样。

2.2实验方法：将盛有试样的盘子放在风洞试验洞室中，并将试样表面处理平整，用一定风速吹蚀试样，10min后，试验结束称量损失量，并计算单位面积损失量。

2.3实验条件及其结果：

(1)在8.8m/s风速下，对于未处理砂土的损失量1.2g/cm²。

A.采用本发明0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M处理液分别处理沙漠地表，每次的处理量为4L/m²，损失分别为1.17g/cm²、0.6g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

B.采用本发明0.05M处理液分别处理沙漠地表3次、4次、5次，每次的处理量为4L/m²，损失分别为0.2g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

其中，上述处理液的浓度是指其中钙离子的浓度，上述用斜体表示的处理液浓度为对照实验，下同。

(2)在风速15m/s时，未处理的砂土的损失量为1.6g/cm²。

A.采用本发明0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M处理液分别处理沙漠地表，每次的处理量为4L/m²，损失分别为1.6g/cm²、0.7g/cm²、0.4g/cm²、0.1g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

B.采用本发明0.05M处理液分别处理沙漠地表3次、4次、5次，每次的处理量为4L/m²，损失分别为0.4g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²。

C.采用本发明0.05M处理液处理沙漠地表3次，每次的处理量分别为0.5L/m²、1.0L/m²、2.0L/m²、3.0L/m²、4.0L/m²、5.0L/m²，损失分别为1.6g/cm²、1.3g/cm²、1.0g/cm²、0.7g/cm²、0.4g/cm²、0.2g/cm²。

(3)在风速为20m/s时，未处理砂土的损失量为3g/cm²。

A.采用本发明0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M处理液分别处理沙漠地表，每次的处理量为4L/m²，损失分别为3.0g/cm²、1.7g/cm²、1.3g/cm²、1.0g/cm²、0.7g/cm²、0.3g/cm²；

B.采用本发明0.1M处理液分别处理沙漠地表3次、4次、5次，每次的处理量为4L/m²，损失分别为1.0g/cm²、0.8g/cm²、0g/cm²。

本实验说明本发明沙漠种植结构中的地表防风层的防风作用植物的降风和绿化作用，达到治理沙漠的目的。本发明中的地表防风层还具有防蒸发作用，降水经斜坡汇聚到树干周围的灌溉孔，具有很好的集水作用，渗入地表后不易蒸发，再配合以人工灌溉，植物存活率高、生长良好。所用微生物反应过程的剩余产物是植物生长所需氮源，有利于植物生长。形成的地表防风层相比单纯的物理结皮和化学结皮较稳定，且不会对环境造成污染。

3.现场验证风蚀试验

每块试验场地尺寸为2*2m，每块场地四周设置高度为5cm的沙障，进行对比试验，一块为完全没有经过处理的对比组，一块为经过本发明微生物防渗加固液处理的实验组(实验试样参见1.1)。处理后在自然条件下进行试验，观察变化过程。

图3-1、3-2分别记录试验期间的风速和气温变化情况。

图4-1和4-4为试验第1天的现场图片，图4-2和4-5为试验第3天的现场图片，图4-3和4-6为试验第7天的现场图片，其中，图4-1～4-3没有经过处理，图4-4～4-6采用本发明防渗液0.05M处理过3次，用量为4L/m²。可以明显看出，第7天的时候，没有经过处理的场地已经看不到沙障了，基本全部被风蚀掉了，可是仅处理过一次的试验地仍然保持5cm沙障的高度不变，充分说明了本发明的可行性和有效性。

实施例1

本实施例在沙漠中种植植物的方法，包括如下步骤：

第1步，准备微生物防渗加固液：采用保藏编号为CGMCCNo.1.2343的硝基还原假单胞菌进行增殖培养，将生长到对数期的微生物10⁸个/L、硝酸钠0.05mol/L、硝酸钙0.08mol/L、葡萄糖0.03mol/L、硝酸铵0.005mol/L、氯化钠9mol/L混合于水溶液中；

第2步，选择带有细颗粒砂土的沙漠，根据要种植植物要求的行距列距以及种植坑的大小布置种植植物所需要的空间并进行种植坑的开挖；

第3步，利用微生物防渗加固液对种植坑表面进行处理，处理3次，每次处理的微生物防渗加固液的喷洒量为3L/m²，喷后覆盖一层覆盖层，如黑色土工布、稻草席等，最后一次喷洒后72h撤掉覆盖层，从而形成防渗层；

第4步，将植物苗放入种植坑中，并回填混有肥料的砂土；

第5步，将种植坑范围内的地面整理成向树干倾斜的斜坡，斜坡坡度为2％，并利用微生物防渗加固液对地表进行防渗加固处理形成地表防风层，处理时在树干周围预留灌溉孔，灌溉孔距离树干3cm。

实施例2

本实施例在沙漠中种植植物的方法，包括如下步骤：

第1步，准备微生物防渗加固液：采用保藏编号为CGMCCNo.1.3893的荧光假单胞菌进行增殖培养，将生长到对数期的微生物10⁷个/L、硝酸钾0.01mol/L、醋酸钙0.02mol/L、玉米秸秆0.1mol/L、硫酸铵0.002mol/L混合于水溶液中；

第2步，选择带有细颗粒砂土的沙漠，根据要种植植物要求的行距列距以及种植坑的大小布置种植植物所需要的空间并进行种植坑的开挖；

第3步，利用微生物防渗加固液对种植坑表面进行处理，处理4次，每次处理的微生物防渗加固液的喷洒量为1L/m²，喷后覆盖一层覆盖层，如黑色土工布、稻草席等，最后一次喷洒后80h撤掉覆盖层，从而形成防渗层；

第4步，将植物苗放入种植坑中，并回填混有肥料的砂土；

第5步，将种植坑范围内的地面整理成向树干倾斜的斜坡，斜坡坡度为1％，并利用微生物防渗加固液对地表进行防渗加固处理形成地表防风层，处理时在树干周围预留灌溉孔，灌溉孔距离树干2cm。

实施例3

本实施例在沙漠中种植植物的方法，包括如下步骤：

第1步，准备微生物防渗加固液：采用保藏编号为CGMCCNo.1.3893的荧光假单胞菌进行增殖培养，将生长到对数期的微生物10⁹个/L、硝酸铵1mol/L、氯化钙3mol/L、醋酸盐1.5mol/L、氯化铵0.2mol/L、氯化钠15mol/L混合于水溶液中；

第2步，选择带有细颗粒砂土的沙漠，根据要种植植物要求的行距列距以及种植坑的大小布置种植植物所需要的空间并进行种植坑的开挖；

第3步，利用微生物防渗加固液对种植坑表面进行处理，处理5次，每次处理的微生物防渗加固液的喷洒量为5L/m²，喷后覆盖一层覆盖层，如黑色土工布、稻草席等，最后一次喷洒后72h撤掉覆盖层，从而形成防渗层；

第4步，将植物苗放入种植坑中，并回填混有肥料的砂土；

第5步，将种植坑范围内的地面整理成向树干倾斜的斜坡，斜坡坡度为3％，并利用微生物防渗加固液对地表进行防渗加固处理形成地表防风层，处理时在树干周围预留灌溉孔，灌溉孔距离树干5cm。