用于减少耕地土壤侵蚀的生物结皮及其应用

本发明涉及农业种植，尤其涉及一种用于减少耕地土壤侵蚀的生物结皮及其应用。

背景技术：

1、旱作耕地是我国耕地的主要类型，约占全国耕地面积的50％，并主要分布于北方地区。受地形、气候和土壤条件影响，我国北方地区极易发生土壤侵蚀，其中东北黑土区、北方风沙区、北方土石山区和西北黄土高原区是我国水土流失最为严重的地区，也是开展水土保持工作的重点区域。在自然环境条件和人为耕作活动的综合影响下，我国旱作耕地的土壤侵蚀态势十分严峻。其中，水蚀和风蚀是旱作耕地的主要侵蚀类型。在降雨集中的夏秋季节，雨滴击溅和径流冲刷易引发水蚀，其可破坏土壤表面结构、阻塞土壤孔隙，从而造成坡面汇流和土壤流失；在干燥多风的冬春季节，大风作用下极易发生风蚀，并进一步导致浮尘、沙尘暴等风沙灾害。因此，亟需通过有效措施防治耕地土壤侵蚀，从而提升土壤肥力、改善耕地质量、保护农田生态环境，并进一步推动经济社会可持续发展、促进人与自然和谐共生。

2、当前，耕地土壤侵蚀防治主要包括工程措施、耕作措施和生物措施。其中，工程措施是通过工程建设改造区域微地形，以削减坡度、拦蓄径流、促进排水、降低风速，主要包括坡改梯、排水工程、机械沙障等；耕作措施是通过耕作改善地表条件、增加地表覆盖、提升土壤抗蚀性，具体包括高耕作、残茬地面覆盖、增施有机肥等；生物措施则是利用植被的生态功能保持水土、减少侵蚀，主要措施为等高植物篱和防风林带等。然而，现有的各类耕地水土保持措施仍存在一定缺陷，突出表现为营造难度大、管护成本高、效果可持续性差、易导致次生环境问题等。因此，资源节约、生态友好、可持续性强的新方法有望成为防治耕地侵蚀的新方案。

3、生物结皮是我国北方干旱、半干旱和半湿润地区广泛发育的活性地被物，它是苔藓、地衣、绿藻等隐花植物和细菌、真菌等微生物与表层土壤颗粒胶结形成的生物富集层。作为具有多重生态环境功能的土壤关键层，生物结皮可有效覆盖裸露土壤、改变地表水土过程、重塑退化生态系统。在水蚀风蚀区，生物结皮覆盖可显著削弱侵蚀营力、提升土壤抗蚀性，从而减少水土流失。目前，生物结皮的抗侵蚀功能已成为土壤学、水土保持学和生态学等多学科的交叉前沿和研究热点，其有望为防治旱作耕地侵蚀提供一种基于自然的新材料、新方法。

4、迄今，尽管利用生物结皮防治土壤侵蚀的方法已有描述，但现有方法主要针对沙漠或沙地治理，还尚被应用于防治旱作耕地的水蚀风蚀。在不同生态系统和土地利用类型中，土壤侵蚀的成因、过程和机理截然不同，因此生物结皮的抗侵蚀作用机制及效果也存在本质区别。同时，现有方法在制备人工生物结皮时，大多仅针对种源采集、室内扩繁、野外接种、维持管护等个别环节进行改进和创新，而缺少系统、全局地考虑和设计从种源采集到野外恢复的全过程。因此，亟需提出一种系统的新方法以提供用于覆盖裸露耕地并防止水蚀和风蚀的生物结皮。

5、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于减少耕地土壤侵蚀的生物结皮及其应用。

2、具体的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种用于减少耕地土壤侵蚀的生物结皮，由自然采集的厚度≤1cm的藻结皮和厚度≤2cm的藓结皮经人工扩繁和田间接种培养得到；其中，藻结皮的人工扩繁采用液体培养，培养至生物量干重≥0.15g/l；藓结皮的人工扩繁采用固体培养，培养基选用结皮层下2～20cm土壤，培养至生物量干重≥5mg/m2；藻结皮经人工扩繁后的田间接种量为4-10l/m2；藓结皮经人工扩繁后的田间接种量为600-3000g/m2。

4、本发明将藻、藓两种结皮共同作为培养对象，使用液体培养和固体培养方法，分别扩繁藻结皮和藓结皮。

5、在其中一种较为具体的实施方式中：

6、优选地，藻结皮的人工扩繁选用bg11培养液；培养的环境条件包括：昼/夜空气温度为30±2/10±2℃；和/或，空气湿度为55％-65％；和/或，co2浓度为350-450ppm；和/或，光照强度为2800-3200lux；和/或，光照/黑暗周期为15/9～17/7；

7、优选地，藓结皮的人工扩繁选用其采集处结皮层下2-20cm土壤为基础培养基，土壤粒径为1.0-2.0mm，表面喷施80-120g/m2的knop-琼脂培养基；培养的环境条件包括：昼/夜空气温度为30±2/10±2℃；和/或，空气湿度为55％-65％；和/或，co2浓度为350-450ppm；和/或，光照强度为2800-3200lux；和/或，光照/黑暗周期为15/9～17/7；和/或，土壤含水率为20％-30％。

8、优选地，藻结皮经人工扩繁后的田间接种量为4-6l/m2；藓结皮经人工扩繁后的田间接种量为600-800g/m2。

9、在另一种较为具体的实施方式中：

10、优选地，藻结皮的人工扩繁选用bg11培养液；培养的环境条件包括：空气温度为25±2℃；和/或，空气湿度为50％-60％；和/或，co2浓度为350-450ppm；光照强度为1800-2200lux；和/或，光照/黑暗周期为11/13～13/11；

11、优选地，藓结皮的人工扩繁选用其采集处结皮层下2-20cm土壤为基础培养基，土壤粒径为1.0-2.0mm；培养的环境条件包括：空气温度为15-25℃；和/或，空气湿度为60％-90％；和/或，co2浓度为350-450ppm；和/或，光照强度为1800-2200lux；和/或，光照/黑暗周期为11/13～13/11；和/或，土壤含水率为20％-30％。

12、优选地，藻结皮经人工扩繁后的田间接种量为6-10l/m2；藓结皮经人工扩繁后的田间接种量为2000-3000g/m2。

13、本发明将液体法和固体法分别用于扩繁藻、藓两种不同类型生物结皮，可实现对空气温度、湿度、co2浓度和光照强度等生物结皮发育关键影响因子的精细化调控。

14、在本发明提供的更为具体的实施方式中：

15、优选地，藻结皮和藓结皮在人工扩繁后，先经抗性锻炼，再进行田间接种；所述抗性锻炼的方法包括光照锻炼和温度锻炼；所述光照锻炼共持续5-10天，每天采用1000-50000lux不断增强的全谱光照射13-15h；所述温度锻炼的温度梯度依次为25±2℃、20±2℃、30±2℃、15±2℃、35±2℃、10±2℃、40±2℃，每个温度梯度持续11-13h。

16、更优选地，藻结皮在人工扩繁后，先经复壮，再进行田间接种；所述复壮的方法为：向人工扩繁后的藻悬浮液中添加8-12mg/l的复苏促进因子，所述复苏促进因子选用rpf蛋白，rpf蛋白是一种对蓝藻等细菌具有复苏和促生作用的溶菌酶活性蛋白。本发明对所述rpf蛋白的来源不作特别限定，本领域市售渠道获得即可。

17、本发明在生物结皮种源接种前进行人工复壮和抗性锻炼，能显著增强接种后人工结皮对野外环境的适应性和抗逆性。

18、更优选地，田间接种后，施加人工促生长剂，所述人工促生长剂选自高岭石、蒙脱石、tks7、海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇中的至少两种。

19、第二方面，本发明提供了所述生物结皮在减少耕地土壤侵蚀中的应用。

20、本发明提供的生物结皮可通过自然发育的方式大面积覆盖裸露耕地，从而有效防止耕地水蚀风蚀、提高农田土壤肥力。

21、第三方面，本发明提供了一种减少耕地土壤侵蚀的方法，即在裸露耕地表面接种培养所述生物结皮。

22、目前生物结皮人工培育技术大多是将结皮接种至自然生境，因而无需考虑人为活动的影响。耕地由于存在耕作、灌溉等农事活动，生物结皮的人工培育模式也必须因地制宜进行创新，与当地的耕作模式相互协调、有机结合。本发明利用人工培育的生物结皮防治耕地土壤侵蚀，是对耕地水土保持措施和生物结皮应用场景的重要创新。

23、有益效果：

24、本发明提供了一种用于减少耕地土壤侵蚀的生物结皮及其应用。所述生物结皮由自然采集的厚度≤1cm的藻结皮和厚度≤2cm的藓结皮经人工扩繁和田间接种培养得到，适合用于裸露耕地，通过自然发育可大面积覆盖裸露耕地，从而有效防止耕地水蚀风蚀、提高农田土壤肥力。