本發明涉及一種沙漠種植結構及在沙漠中的種植方法，尤其涉及一種綠色沙漠種植結構及在沙漠中種植植物的方法，屬于沙漠治理技術領域。

背景技術：

沙漠化是一個世界性的生態環境問題。據不完全統計，荒漠和荒漠化土地在非洲占55％，北美和中美占19％，南美占10％，亞洲占34％，澳大利亞占75％，歐洲占2％。中國荒漠化土地面積為262.2萬平方公里，占國土面積的27.4％，近4億人口受到荒漠化的影響，同時，每年因荒漠化危害造成的直接經濟損失達1200億元。

目前，學者對荒漠化的研究主要集中在土地沙質荒漠化方面。常用的治理沙漠的手段有植物造林，沙障，草方格等。但是單純的植樹難度很大，植物埋入深度需要很大，植物存活率很低，見效慢，需要投入大量的人力和物力。沙障、草方格見效快，但是投入也比較大，很難大面積使用。新出現的手段還有土壤表面結皮技術，有化學、物理和生物結皮，單純的物理和化學結皮很脆弱且不穩定，同時化學結皮對周圍環境也有一定的污染。而生物結皮是通過細菌、真菌、藍綠藻等的生長中產生大量粘液，這些具有粘性附屬物的菌體和粘性液體通過與藻類物質的交聯結合成結皮，但此方法對環境有一定的要求，且結皮生長緩慢，見效慢。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中沙漠治理存在的難題，本發明的第一目的是提供一種利用自然環境中天然存在的微生物反應固結沙土結構，為植物提供良好生態環境的綠色沙漠種植結構；本發明的第二目的是提供在該沙漠中種植植物的方法。

技術方案：本發明所述的綠色沙漠種植結構，從沙漠表面向下開設種植坑，并在該種植坑的表面設防漏保水層，然后在種植坑內種植植物后回填沙漠土并在其表面設地表防風層，其中，沙漠砂土粒徑為0.075-60mm的含量大于50％，所述防漏保水層和地表防風層由微生物防滲加固液處理得到，且防固液中的微生物為好養型細菌，防漏保水層與未設防漏保水層沙漠的滲透系數之比小于5％，地表防風層在最大風速為20m/s的情況下不被吹散。

本發明的沙漠種植結構適用于粗顆粒沙漠，沙漠砂土的透水透氣性較好，對應地采用好養型細菌制備的微生物防固液，其在有氧環境下能很好地發揮作用。從效果和效率方面考慮，尿素水解細菌是很好的選擇。水解尿素過程中產生碳酸根，在堿性條件下和鈣鹽產生碳酸鈣沉淀，同時產生了氯化銨，可以為植物的生長提供氮源，促進植物生長。

具體來說，尿素水解細菌可以為巴氏生孢八疊球菌，例如保藏編號為CGMCC No.1.3687，或者為地尿素芽孢桿菌，例如保藏編號為CGMCC No.1.7272。

上述微生物防滲加固液可以包括以下成分：好養細菌10⁷-10⁹個/L、尿素0.3-3mol/L、鈣鹽0.3-3mol/L及氯化鈉0-15g/L。進一步地，尿素與鈣鹽的濃度比為2:1-1:1；再進一步地，尿素與鈣鹽的濃度比為1.5:1。

上述微生物的增殖方式可以為：將菌種放在酵母浸粉20-30g/L、NH₄Cl 8-12g/L、pH為8-9.5的液體培養基中，置于25-30℃搖床中以80-108次/min下的速度培養24-48h。其中，鈣鹽為可溶性鈣鹽；進一步可以為硝酸鈣、氯化鈣、醋酸鈣中的一種或幾種。

上述防漏保水層全部或部分覆蓋在種植坑的表面，以防止種植坑內植物的養分和水分向外滲透。

進一步地，上述地表防風層的四周向植物種植位置傾斜，具有良好的集水作用；優選的傾斜角度為1-3％，其中，建筑上常用％表示斜率，等于高差/長度。

上述地表防風層上設有灌溉孔，其中，灌溉孔可以距離植物種植位置2-5cm。

上述種植坑內種植的植物多為多年生耐寒耐旱灌木；種植坑的深度可以為0.3-1.5m；種植坑在沙漠上間隔設置，其間距為樹冠直徑的1.5-3倍。

本發明所述在沙漠中種植植物的方法，包括如下步驟：在沙漠中開挖種植坑，利用微生物防滲加固液對種植坑的表面進行處理形成防漏保水層；在種植坑內種植植物并回填沙漠土；利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理形成地表防風層；其中，沙漠砂土粒徑為0.075-60mm的含量大于50％，且防固液中的微生物為好養型細菌，防漏保水層與未設防漏保水層沙漠的滲透系數之比小于5％，地表防風層在最高風速為20m/s的情況下不被吹散。

優選的，利用所述微生物防滲加固液分別處理種植坑表面和沙漠地表1-5次，其中，處理1次就有效果，處理5次效果很明顯，能夠結成至少3cm厚的硬殼層。進一步地，利用所述微生物防滲加固液每次的處理量為1-5L/m²，處理量控制在該范圍內可以獲得較好的效果，而且節省時間和成本。然后覆蓋覆蓋層，以防止陽光暴曬導致細菌死亡。相鄰處理次數之間間隔3-6h，用于細菌反應，如果間隔時間太短，會對前一次的處理造成一定程度的破壞，因為噴灑時的沖擊力會對短時間內形成的硬殼層造成破壞；如果處理時間太長會增加施工時間成本。最后一次處理后至少72h撤掉覆蓋層，這里的覆蓋層為黑色土工布或稻草席。

有益效果：與現有技術相比，本發明的顯著優點為：(1)本發明的綠色沙漠種植結構依賴的微生物反應過程是自然界，尤其是土體的生態環境中本身存在的過程，相比單純的物理結皮和化學結皮較穩定，且不會對環境造成污染；(2)本發明采用的微生物-植物聯合治沙技術，相比單純的種植植物存活率要高；(3)本發明主要依賴的是“生物水泥”技術，相比利用其他細菌、真菌和藍藻等產生的生物結皮見效快，且對環境基本沒要求；(4)本發明操作簡單，處理期短且耐久性好，不需要大量的人力和物力投入。

附圖說明

圖1為本發明綠色沙漠種植結構的示意圖；

圖2為本發明綠色沙漠種植結構滲流量隨時間變化圖；

圖3-1和3-2分別為本發明風蝕試驗風速和氣溫的變化狀態圖；

圖4-1～4-6分別為本發明風蝕試驗的現場圖片。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。

如圖1所示，本發明的綠色沙漠種植結構，沙漠砂土粒徑為0.075-60mm的含量大于50％，從沙漠1表面向下開設一定深度的弧形的種植坑2，種植坑2間隔布置，并在該種植坑的上表面全部設防漏保水層3，然后在種植坑2內種植植物后回填沙漠土，在沙漠土的表面設地表防風層4，其中，所述防漏保水層3和地表防風層4由微生物防滲加固液處理得到，且防固液中的微生物為好養型細菌，防漏保水層與未設防漏保水層沙漠的滲透系數之比小于5％，地表防風層4在最大風速為20m/s的情況下不被吹散；上述地表防風層的四周向植物種植位置傾斜，且在地表防風層周圍設有灌溉孔5。

1.防漏保水層滲透實驗

1.1配制試樣：

采用保藏編號為CGMCCNo.1.3687的巴氏生孢八疊球菌進行增殖培養，將生長到對數期的微生物、硝酸鈣、氯化鈉、尿素按照濃度為微生物10⁸個/L，尿素1.5mol/L，鈣離子1.5mol/L，氯化鈉9g/L混合于水溶液中，得到微生物防滲加固液的試樣。

1.2變水頭試驗：

試樣截面直徑50mm，高度100mm，打開水閥，使水自下而上流經試樣，記錄25mm水頭變化需要的時間差，計算得到滲透系數。

1.3實驗結果：

沒有經過處理的試樣的滲透系數為5.3*10^-4，處理1次后試樣的滲透系數為5.2*10^-6，處理3次后試樣的滲透系數為3*10^-7，處理5次后試樣的滲透系數為1.6*10^-7。

此外，通過測定單位時間的滲流量可反映采用本發明微生物防滲加固液處理和未經處理的沙漠土的滲透性能強弱，并將測得的數據繪制斜線，如圖2所示，橫軸表示滲透時間，縱軸表示滲流量，未處理的斜線斜率大，說明其滲透性很大；而經過滲透液處理過一次的斜線斜率已經很小了，說明其滲透性改善很多，事實上，采用本發明防滲液處理過的防漏保水層，防滲液滲透完需要的時間是未處理過的3.5倍以上。

2.地表防風層抗風蝕能力實驗

2.1配制試樣：

采用保藏編號為CGMCCNo.1.3687的巴氏生孢八疊球菌進行增殖培養，將生長到對數期的微生物、硝酸鈣、氯化鈉、尿素按照濃度為微生物10⁸個/L，尿素1.5mol/L，鈣離子1.5mol/L，氯化鈉9g/L混合于水溶液中，得到微生物防滲加固液的試樣。

2.2實驗方法：將盛有試樣的盤子放在風洞試驗洞室中，并將試樣表面處理平整，用一定風速吹蝕試樣，10min后，試驗結束稱量損失量，并計算單位面積損失量。

2.3實驗條件及其結果：

(1)在8.8m/s風速下，對于未處理砂土的損失量1.2g/cm²。

A.采用本發明0.1M、0.25M、0.3M、0.5M、0.75M、1M、2M、3M處理液分別處理沙漠地表，每次的處理量為4L/m²，損失分別為1.17g/cm²、1g/cm²、0.6g/cm²、0.5g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

B.采用本發明0.5M處理液分別處理沙漠地表1次、2次、3次、4次、5次，每次的處理量為4L/m²，損失分別為0.5g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

其中，上述處理液的濃度是指其中鈣離子的濃度，上述用斜體表示的處理液濃度為對照實驗，下同。

(2)在風速15m/s時，未處理的砂土的損失量為1.6g/cm²。

A.采用本發明0.1M、0.25M、0.3M、0.5M、0.75M、1M、2M、3M處理液分別處理沙漠地表，每次的處理量為4L/m²，損失分別為1.6g/cm²、1.5g/cm²、0.7g/cm²、0.6g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

B.采用本發明0.5M處理液分別處理沙漠地表1次、2次、3次、4次、5次，每次的處理量為4L/m²，損失分別為0.6g/cm²、0.3g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²。

C.采用本發明0.5M處理液處理沙漠地表1次，每次的處理量分別為0.5L/m²、1.0L/m²、2.0L/m²、3.0L/m²、4.0L/m²、5.0L/m²，損失分別為1.6g/cm²、1.4g/cm²、1.2g/cm²、1.0g/cm²、0.8g/cm²、0.5g/cm²。

(3)在風速為20m/s時，未處理砂土的損失量為3g/cm²。

A.采用本發明0.1M、0.25M、0.3M、0.5M、0.75M、1M、2M、3M處理液分別處理沙漠地表，每次的處理量為4L/m²，損失分別為3.0g/cm²、3.0g/cm²、2.0g/cm²、1.8g/cm²、1.6g/cm²、1.5g/cm²、1.0g/cm²、0.8g/cm²；

B.采用本發明1M處理液分別處理沙漠地表1次、2次、3次、4次、5次，每次的處理量為4L/m²，損失分別為1.5g/cm²、1.2g/cm²、0.8g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²。

C.采用本發明1M處理液處理沙漠表面4次，處理量為4L/m²，鈣離子和尿素的比例為1.5:1和1:1，損失量分別是0g/cm²、0.2g/cm²。

本實驗說明本發明綠色沙漠種植結構中的地表防風層具有防風作用和防蒸發作用，降水經地表防風層斜坡匯聚到樹干周圍的灌溉孔，具有很好的集水作用，再配合以人工灌溉，植物存活率高、生長良好。本發明所用微生物防滲加固液的反應副產物是植物生長的氮源，有利于植物的生長。微生物防滲加固液促成的地表防風層相比單純的化學結皮較穩定，且不會對環境造成污染。

3.現場驗證風蝕試驗

每塊試驗場地尺寸為2*2m，每塊場地四周設置高度為5cm的沙障，進行對比試驗，一塊為完全沒有經過處理的對比組，一塊為經過本發明微生物防滲加固液處理的實驗組(實驗試樣參見1.1)。處理后在自然條件下進行試驗，觀察變化過程。

圖3-1、3-2分別記錄試驗期間的風速和氣溫變化情況。

圖4-1和4-4為試驗第1天的現場圖片，圖4-2和4-5為試驗第3天的現場圖片，圖4-3和4-6為試驗第7天的現場圖片，其中，圖4-1～4-3沒有經過處理，圖4-4～4-6采用本發明防滲液0.3M處理過1次，用量為4L/m²。可以明顯看出，第7天的時候，沒有經過處理的場地已經看不到沙障了，基本全部被風蝕掉了，可是僅處理過一次的試驗地仍然保持5cm沙障的高度不變，充分說明了本發明的可行性和有效性。

實施例1

本實施例在沙漠中種植植物的方法，包括如下步驟：

第1步，準備微生物防滲加固液：采用保藏編號為CGMCCNo.1.3687的巴氏生孢八疊球菌進行增殖培養，將生長到對數期的微生物、硝酸鈣、氯化鈉、尿素按照濃度為微生物10⁸個/L，尿素1.5mol/L，鈣離子1.5mol/L，氯化鈉9g/L混合于水溶液中；

第2步，選擇帶有粗顆粒砂土的沙漠，根據要種植植物要求的行距列距以及種植坑的大小布置種植植物所需要的空間并進行種植坑的開挖；

第3步，利用微生物防滲加固液對種植坑表面進行處理，處理3次，每次處理的微生物防滲加固液的噴灑量為3L/m²，噴后覆蓋一層覆蓋層，如黑色土工布、稻草席等，最后一次噴灑后72h撤掉覆蓋層，從而形成防漏保水層；

第4步，將植物苗放入種植坑中，并回填混有肥料的砂土；

第5步，將種植坑范圍內的地面整理成向樹干傾斜的斜坡，斜坡坡度為2％，并利用微生物防滲加固液對地表進行防滲加固處理形成地表防風層，處理時在樹干周圍預留灌溉孔，灌溉孔距離樹干3cm。

實施例2

本實施例在沙漠中種植植物的方法，包括如下步驟：

第1步，準備微生物防滲加固液：采用保藏編號為CGMCC No.1.7272的地尿素芽孢桿菌進行增殖培養，將生長到對數期的微生物、氯化鈣及尿素按照濃度為微生物10⁷個/L，尿素0.3mol/L及鈣離子0.3mol/L混合于水溶液中；

第2步，選擇帶有粗顆粒砂土的沙漠，根據要種植植物要求的行距列距以及種植坑的大小布置種植植物所需要的空間并進行種植坑的開挖；

第3步，利用微生物防滲加固液對種植坑表面進行處理，處理1次，每次處理的微生物防滲加固液的噴灑量為1L/m²，噴后覆蓋一層覆蓋層，如黑色土工布、稻草席等，最后一次噴灑后80h撤掉覆蓋層，從而形成防漏保水層；

第4步，將植物苗放入種植坑中，并回填混有肥料的砂土；

第5步，將種植坑范圍內的地面整理成向樹干傾斜的斜坡，斜坡坡度為1％，并利用微生物防滲加固液對地表進行防滲加固處理形成地表防風層，處理時在樹干周圍預留灌溉孔，灌溉孔距離樹干2cm。

實施例3

本實施例在沙漠中種植植物的方法，包括如下步驟：

第1步，準備微生物防滲加固液：采用保藏編號為CGMCC No.1.3687的巴氏生孢八疊球菌進行增殖培養，將生長到對數期的微生物、醋酸鈣、氯化鈉、尿素按照濃度為微生物10⁹個/L，尿素3mol/L及鈣離子3mol/L及氯化鈉15g/L混合于水溶液中；

第2步，選擇帶有粗顆粒砂土的沙漠，根據要種植植物要求的行距列距以及種植坑的大小布置種植植物所需要的空間并進行種植坑的開挖；

第3步，利用微生物防滲加固液對種植坑表面進行處理，處理5次，每次處理的微生物防滲加固液的噴灑量為5L/m²，噴后覆蓋一層覆蓋層，如黑色土工布、稻草席等，最后一次噴灑后72h撤掉覆蓋層，從而形成防漏保水層；

第4步，將植物苗放入種植坑中，并回填混有肥料的砂土；

第5步，將種植坑范圍內的地面整理成向樹干傾斜的斜坡，斜坡坡度為3％，并利用微生物防滲加固液對地表進行防滲加固處理形成地表防風層，處理時在樹干周圍預留灌溉孔，灌溉孔距離樹干5cm。