人工藻荒漠生态修复技术

刘永定+李勇+刘旭

摘要 通过介绍藻类连续培养的理论、种类和装置，旨在对荒漠区退化土地进行生态修复。本文论述了近年发展起来的室内培养藻类与野外项目区喷洒研究，认为藻类连续培养并规模化、同时进行野外喷洒是一种治理和恢复荒漠生态的有效方式。利用藻类喷洒荒漠区，发挥其固沙、抑尘、成土、培肥、育草、固碳、修复生态系统的作用，可为荒漠区生态环境建设做出贡献。

关键词 人工藻；荒漠；生态修复；河北围场

中图分类号 S157.2 文献标识码 B 文章编号 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

我国北方大部分地区生态环境脆弱，包括水土流失在内的土地荒漠化已经成为重要的环境问题[1]。新中国成立以来，国家已累计治理了水土流失面积超过80万km2，取得了显著的成绩。但据1999年遥感普查结果，全国亟待治理的水土流失面积仍达220万km2，大江大河上游地区、风沙区水土流失严重，生态恶化的趋势尚未得到有效控制[2]，按现在的治理速度和治理方法，需要近半个世纪才能得到初步治理，而且需要数千亿元资金。因此，转变观念，依靠生态修复防治水土流失已成为中国水土保持实践的迫切需要[3]。

河北坝上地区位于中国北方农牧交错带中部，虽然从沙漠化发生的程度来讲，为沙漠化轻度地区，但从沙漠化发展速率来看，却是我国土地沙漠化发展最迅速的地区[4]。坝上地区在明清时代原本是水草丰茂的优良天然牧场[5]，自清朝末期开始放垦后，农民逐渐定居草原，致使草地退化、风蚀沙化，水土流失逐渐加剧和扩大。为了解决荒漠区的生态环境问题，在20世纪90年代，武汉水生生物研究所将荒漠藻引入荒漠区进行荒漠治理[6-8]，先后在我国腾格里沙漠、通古特沙漠、库布齐沙漠开展了关于藻类分布、结皮、固沙成土方面的研究，实现荒漠藻人工结皮与传统植物或工程固沙措施的结合。从已有文献报道来看，多数荒漠藻结皮治沙的研究仅局限于小范围，还未进行大范围的实际运用[9-11]。研发团队在木兰围场项目区进行荒漠藻人工培养，并大规模喷洒藻液恢复荒漠生态的技术属首创。本文以围场满族自治县项目区为例，总结人工荒漠藻修复荒漠生态的关键技术，为规模化恢复荒漠化生态修复提供依据。

1 藻类培养

1.1 藻种选择

人工藻类修复荒漠藻种的关键是藻类能否在干旱缺水、土壤贫瘠的荒漠区存活。因此，需要调查项目区的藻类结皮，并分离纯化本土藻株（≥3株），并进一步筛选出适应性强、耐旱、耐寒、耐热、耐辐射、耐贫瘠，以及既能光合固氮的全自养品系，又适合于规模化培养的品种。根据这些条件，选择席藻（Phormidium tenu）、伪枝藻（Scytonematales）、具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）进行研究。

1.2 培养液选择

项目采用目前公开的BG11培养基培养方法，该方法易行、操作方便。采用硝酸钠、磷酸氢二钾、硫酸镁、氯化钙、柠檬酸、柠檬酸铁铵、乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）、碳酸钠，微量元素溶液配制具体配比如表1所示。其中，微量元素溶液A5按比例配制，具体配比如表2所示。

1.3 藻类培养过程

藻类的培养其实就是让藻类无限繁殖并多次扩繁的过程，一般几十毫升藻液通过逐步扩繁，可连续扩增培养到几十吨。但为了叙述方便及在扩繁过程中不同的技术需要，把藻类培养分成3个阶段，即一级培养、二级培养和三级培养。一级培养在专门的培养室进行，技术要求较高，使用不同容量的三角烧瓶；二级培养在室外塑料大棚进行，使用50 L塑料白桶；三级培养是在二级培养中分隔出藻类进行生产性培养，但由于项目区干旱缺水，未能进行跑道式的藻池培养，利用容量为700 L的卧式塑料大桶进行生产性培养。

1.3.1 一级培养。刚筛选、分离纯化的藻类一般需对环境有适应过程。一级培养通常在对光照可控的培养箱或采光较好的房间内进行，若在房间进行，窗口光线可以通过安装百叶窗进行调控。一级培养需要的培养基母液应该用纯水配制，一级培养必须保证藻种的纯度，严防污染，只有这样才能保证二级、三级培养藻类的纯度。因此，一级培养操作人员接藻种前应将手洗干净，并用酒精擦试，或戴一次性塑料薄膜手套，以防止操作过程中因手而造成的污染。三角烧瓶在使用前用洗洁精洗净后备用。移液管在每次使用前均应在酒精中消毒，并将装有培养基的三角瓶用牛皮纸或滤纸封口，再用橡皮筋扎牢。在培养过程中，可以根据地区的太阳日照时间，控制好藻类的曝光时间，并隔一段时间轻轻摇晃三角瓶保證藻类生长足够的氧气供应，在藻液生长到较高浓度时，应及时扩繁进入二级培养，以防藻类细胞老化。

1.3.2 二级培养。把一级培养的藻液8 000 mL接种分装到25 L的塑料桶中后，扩繁后藻液为200 L，扩繁倍数为25倍，以保证藻液生长需要的足够空间。同时，培养液的配置同样采用BG11，母液用水可直接采用自来水，但接种时需晒至恒温，防止井水的水温过低影响藻液的活性和生长。塑料桶用简单的塑料棚遮盖，避免藻类受到阳光直晒，并采用空压机进行曝气培养，充气量不需要太大，6：30左右打开，18：00时停止曝气，中午停气3 h左右。荒漠区昼夜温差较大，为了保证藻类合适的生长温度，一般将藻液进行半密闭处理，即用塑料薄膜将塑料桶遮盖。在培养过程有时个别桶的藻类受到污染，在藻液液面和桶接触处及充气管和藻液接触处出现其他藻类。此时，应对污染藻液及时清理，否则不适于进入三级培养。在这种状况下连续培养7 d基本可以达到最高浓度，此时应进行三级培养。

1.3.3 三级培养。三级培养设施是生产性培养，需要量较大。但根据荒漠区缺水少水的实际，不适合用水泥池进行跑道式培养，一般采用容量為700 L的卧式白色塑料桶进行扩繁培养，这种容器透光性较好、硬度大、培养效果好（图1）。二级培养的200 L藻液通过按照1∶30倍的扩繁比例扩繁，扩繁后的藻液总量为6 000 L，分装在6个卧式塑料大桶中，采取曝气式培养方式对藻液所需的氧气进行供应，但三级的曝气比二级大。进入三级培养后，对藻液的纯度要求虽不及前2级高，但藻液的温度和光照还是得采取遮光或用加热棒的方式进行调控，以保证藻类最优的生长环境。三级培养的过程持续7 d左右，就可以用于项目区施工。

2 项目区喷藻

2.1 前期准备工作

为了筛选出藻液喷洒后形成的结皮以保证固沙效果，一般在室内进行结皮试验，采用不同的处理方式进行结皮试验，以指导大规模的喷藻施工。

室内试验用的藻液取自三级培养的大桶，基质（沙）采取自未喷藻样地。首先称取单位体积的沙重量，算出沙的容重为1.563 g/cm3。在每个直径为9 cm培养皿中装入99.43 g沙且尽量铺匀，使沙的平均深度为1 cm；按照2 L/m2的喷洒量向培养皿中均匀喷洒藻液及粘合试剂。11个处理设置3个平行样作为重复，不同藻液和粘合试剂配比分别为藻液、双倍藻液、藻液+3%海藻酸钠、藻液+1%海藻酸钠、水+3%海藻酸钠、水+1%海藻酸钠、藻液+3%壳聚糖、藻液+1%壳聚糖、水+3%壳聚糖、水+1%壳聚糖、水。

将不同处理的样品放置于光照培养箱中进行培养，培养条件为70 μE/（m2·s），温度设置为25 ℃。当沙表面干燥时，对所有样品添加等量的水润湿。15 d后，对样品拍照。

从图2可以看出，喷藻的沙表面藻结皮已初步形成。对藻结皮颜色深度进行比较可知：双倍藻液>藻液；藻液+1%海藻酸钠>藻液+1%壳聚糖>藻液+2%壳聚糖>藻液>藻液+3%海藻酸钠。对结皮干燥后起皮程度进行比较发现，藻液+3%海藻酸钠>藻液+1%海藻酸钠。

因此，得出以下结论：加大藻液施用量可以加快藻结皮形成；低浓度（1%）海藻酸钠可促进结皮形成，但较高浓度（3%）则会抑制藻类生长，但在干燥状态下加入海藻酸钠的结皮容易起皮，需进一步降低浓度进行试验；低浓度（1%）壳聚糖能促进结皮形成，且在干燥状态下可以较好地保持结皮形态，有望作为促进人工藻结皮形成的添加剂。

2.2 项目喷藻

对即将施工的项目区，有平坦和坡地之分。对于坡度较大的坡地，为了保障喷洒藻液和草籽不被雨水冲走，在坡道中间设立2道宽度为20～30 m的沙障，沙障材料为树枝，长度约60 cm，埋深约20 cm，沙障的布设施工图参考如图3所示。项目区应尽量选好形成路线，避免喷洒施工过程中对荒漠区的扰动过大，影响恢复效果。

喷藻所需设备和机械有园林绿化用洒水车、柴油水泵、软管和消防用加压喷枪。用水泵将藻液抽入洒水车，运至项目区，连接水泵、软管和加压喷枪，用水泵将藻液加压并调节加压喷枪，使藻液呈雾状从坡面上向坡面下均匀喷洒。

3 荒漠修复发展建议

人工藻修复荒漠生态技术应用研究与示范工程涉及多领域和多学科，需要一批具有超强专业能力和较高综合素质的技术人才参与人工藻荒漠生态修复工作。在开展生态修复工作时，先调查当地的植被覆盖情况和当地土壤质地，对有放牧的项目区可以采取一定的围栏拦挡措施；根据项目区现场情况，评估该地区的荒漠承载力，研究符合当地生态环境的修复方案，并选择尊重当地民众意愿的生态修复方案，筛选适合当地生长的藻类；在藻类培养过程中也应根据当地的实际情况就地取材；建立藻类的基础培养设施时应该节约经济，防止资源浪费及藻类培养过程中发生藻液污染；在喷藻过程中，应提前计算藻液喷洒浓度和推算喷藻量，合理规划喷藻路线。通过在围场满族自治县的规模化喷藻实践，不仅积累了丰富的养藻、喷藻经验，同时也为当地生态恢复和提高当地老百姓的生态防护意识做出了巨大贡献。此外，还培养了一批专业实践能力强、吃苦耐劳、勤劳肯干的技术队伍，为未来荒漠生态恢复工作做了重要准备。

4 参考文献

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