人工藻荒漠生態修復技術

劉永定+李勇+劉旭

摘要 通過介紹藻類連續培養的理論、種類和裝置，旨在對荒漠區退化土地進行生態修復。本文論述了近年發展起來的室內培養藻類與野外項目區噴灑研究，認為藻類連續培養并規模化、同時進行野外噴灑是一種治理和恢復荒漠生態的有效方式。利用藻類噴灑荒漠區，發揮其固沙、抑塵、成土、培肥、育草、固碳、修復生態系統的作用，可為荒漠區生態環境建設做出貢獻。

關鍵詞 人工藻；荒漠；生態修復；河北圍場

中圖分類號 S157.2 文獻標識碼 B 文章編號 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

我國北方大部分地區生態環境脆弱，包括水土流失在內的土地荒漠化已經成為重要的環境問題[1]。新中國成立以來，國家已累計治理了水土流失面積超過80萬km2，取得了顯著的成績。但據1999年遙感普查結果，全國亟待治理的水土流失面積仍達220萬km2，大江大河上游地區、風沙區水土流失嚴重，生態惡化的趨勢尚未得到有效控制[2]，按現在的治理速度和治理方法，需要近半個世紀才能得到初步治理，而且需要數千億元資金。因此，轉變觀念，依靠生態修復防治水土流失已成為中國水土保持實踐的迫切需要[3]。

河北壩上地區位于中國北方農牧交錯帶中部，雖然從沙漠化發生的程度來講，為沙漠化輕度地區，但從沙漠化發展速率來看，卻是我國土地沙漠化發展最迅速的地區[4]。壩上地區在明清時代原本是水草豐茂的優良天然牧場[5]，自清朝末期開始放墾后，農民逐漸定居草原，致使草地退化、風蝕沙化，水土流失逐漸加劇和擴大。為了解決荒漠區的生態環境問題，在20世紀90年代，武漢水生生物研究所將荒漠藻引入荒漠區進行荒漠治理[6-8]，先后在我國騰格里沙漠、通古特沙漠、庫布齊沙漠開展了關于藻類分布、結皮、固沙成土方面的研究，實現荒漠藻人工結皮與傳統植物或工程固沙措施的結合。從已有文獻報道來看，多數荒漠藻結皮治沙的研究僅局限于小范圍，還未進行大范圍的實際運用[9-11]。研發團隊在木蘭圍場項目區進行荒漠藻人工培養，并大規模噴灑藻液恢復荒漠生態的技術屬首創。本文以圍場滿族自治縣項目區為例，總結人工荒漠藻修復荒漠生態的關鍵技術，為規模化恢復荒漠化生態修復提供依據。

1 藻類培養

1.1 藻種選擇

人工藻類修復荒漠藻種的關鍵是藻類能否在干旱缺水、土壤貧瘠的荒漠區存活。因此，需要調查項目區的藻類結皮，并分離純化本土藻株（≥3株），并進一步篩選出適應性強、耐旱、耐寒、耐熱、耐輻射、耐貧瘠，以及既能光合固氮的全自養品系，又適合于規模化培養的品種。根據這些條件，選擇席藻（Phormidium tenu）、偽枝藻（Scytonematales）、具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）進行研究。

1.2 培養液選擇

項目采用目前公開的BG11培養基培養方法，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 藻類培養過程

藻類的培養其實就是讓藻類無限繁殖并多次擴繁的過程，一般幾十毫升藻液通過逐步擴繁，可連續擴增培養到幾十噸。但為了敘述方便及在擴繁過程中不同的技術需要，把藻類培養分成3個階段，即一級培養、二級培養和三級培養。一級培養在專門的培養室進行，技術要求較高，使用不同容量的三角燒瓶；二級培養在室外塑料大棚進行，使用50 L塑料白桶；三級培養是在二級培養中分隔出藻類進行生產性培養，但由于項目區干旱缺水，未能進行跑道式的藻池培養，利用容量為700 L的臥式塑料大桶進行生產性培養。

1.3.1 一級培養。剛篩選、分離純化的藻類一般需對環境有適應過程。一級培養通常在對光照可控的培養箱或采光較好的房間內進行，若在房間進行，窗口光線可以通過安裝百葉窗進行調控。一級培養需要的培養基母液應該用純水配制，一級培養必須保證藻種的純度，嚴防污染，只有這樣才能保證二級、三級培養藻類的純度。因此，一級培養操作人員接藻種前應將手洗干凈，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在酒精中消毒，并將裝有培養基的三角瓶用牛皮紙或濾紙封口，再用橡皮筋扎牢。在培養過程中，可以根據地區的太陽日照時間，控制好藻類的曝光時間，并隔一段時間輕輕搖晃三角瓶保證藻類生長足夠的氧氣供應，在藻液生長到較高濃度時，應及時擴繁進入二級培養，以防藻類細胞老化。

1.3.2 二級培養。把一級培養的藻液8 000 mL接種分裝到25 L的塑料桶中后，擴繁后藻液為200 L，擴繁倍數為25倍，以保證藻液生長需要的足夠空間。同時，培養液的配置同樣采用BG11，母液用水可直接采用自來水，但接種時需曬至恒溫，防止井水的水溫過低影響藻液的活性和生長。塑料桶用簡單的塑料棚遮蓋，避免藻類受到陽光直曬，并采用空壓機進行曝氣培養，充氣量不需要太大，6：30左右打開，18：00時停止曝氣，中午停氣3 h左右。荒漠區晝夜溫差較大，為了保證藻類合適的生長溫度，一般將藻液進行半密閉處理，即用塑料薄膜將塑料桶遮蓋。在培養過程有時個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其他藻類。此時，應對污染藻液及時清理，否則不適于進入三級培養。在這種狀況下連續培養7 d基本可以達到最高濃度，此時應進行三級培養。

1.3.3 三級培養。三級培養設施是生產性培養，需要量較大。但根據荒漠區缺水少水的實際，不適合用水泥池進行跑道式培養，一般采用容量為700 L的臥式白色塑料桶進行擴繁培養，這種容器透光性較好、硬度大、培養效果好（圖1）。二級培養的200 L藻液通過按照1∶30倍的擴繁比例擴繁，擴繁后的藻液總量為6 000 L，分裝在6個臥式塑料大桶中，采取曝氣式培養方式對藻液所需的氧氣進行供應，但三級的曝氣比二級大。進入三級培養后，對藻液的純度要求雖不及前2級高，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行調控，以保證藻類最優的生長環境。三級培養的過程持續7 d左右，就可以用于項目區施工。

2 項目區噴藻

2.1 前期準備工作

為了篩選出藻液噴灑后形成的結皮以保證固沙效果，一般在室內進行結皮試驗，采用不同的處理方式進行結皮試驗，以指導大規模的噴藻施工。

室內試驗用的藻液取自三級培養的大桶，基質（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。在每個直徑為9 cm培養皿中裝入99.43 g沙且盡量鋪勻，使沙的平均深度為1 cm；按照2 L/m2的噴灑量向培養皿中均勻噴灑藻液及粘合試劑。11個處理設置3個平行樣作為重復，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箱中進行培養，培養條件為70 μE/（m2·s），溫度設置為25 ℃。當沙表面干燥時，對所有樣品添加等量的水潤濕。15 d后，對樣品拍照。

從圖2可以看出，噴藻的沙表面藻結皮已初步形成。對藻結皮顏色深度進行比較可知：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。對結皮干燥后起皮程度進行比較發現，藻液+3%海藻酸鈉>藻液+1%海藻酸鈉。

因此，得出以下結論：加大藻液施用量可以加快藻結皮形成；低濃度（1%）海藻酸鈉可促進結皮形成，但較高濃度（3%）則會抑制藻類生長，但在干燥狀態下加入海藻酸鈉的結皮容易起皮，需進一步降低濃度進行試驗；低濃度（1%）殼聚糖能促進結皮形成，且在干燥狀態下可以較好地保持結皮形態，有望作為促進人工藻結皮形成的添加劑。

2.2 項目噴藻

對即將施工的項目區，有平坦和坡地之分。對于坡度較大的坡地，為了保障噴灑藻液和草籽不被雨水沖走，在坡道中間設立2道寬度為20～30 m的沙障，沙障材料為樹枝，長度約60 cm，埋深約20 cm，沙障的布設施工圖參考如圖3所示。項目區應盡量選好形成路線，避免噴灑施工過程中對荒漠區的擾動過大，影響恢復效果。

噴藻所需設備和機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，運至項目區，連接水泵、軟管和加壓噴槍，用水泵將藻液加壓并調節加壓噴槍，使藻液呈霧狀從坡面上向坡面下均勻噴灑。

3 荒漠修復發展建議

人工藻修復荒漠生態技術應用研究與示范工程涉及多領域和多學科，需要一批具有超強專業能力和較高綜合素質的技術人才參與人工藻荒漠生態修復工作。在開展生態修復工作時，先調查當地的植被覆蓋情況和當地土壤質地，對有放牧的項目區可以采取一定的圍欄攔擋措施；根據項目區現場情況，評估該地區的荒漠承載力，研究符合當地生態環境的修復方案，并選擇尊重當地民眾意愿的生態修復方案，篩選適合當地生長的藻類；在藻類培養過程中也應根據當地的實際情況就地取材；建立藻類的基礎培養設施時應該節約經濟，防止資源浪費及藻類培養過程中發生藻液污染；在噴藻過程中，應提前計算藻液噴灑濃度和推算噴藻量，合理規劃噴藻路線。通過在圍場滿族自治縣的規模化噴藻實踐，不僅積累了豐富的養藻、噴藻經驗，同時也為當地生態恢復和提高當地老百姓的生態防護意識做出了巨大貢獻。此外，還培養了一批專業實踐能力強、吃苦耐勞、勤勞肯干的技術隊伍，為未來荒漠生態恢復工作做了重要準備。

4 參考文獻

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