本發(fā)明涉及一種沙漠結構，尤其涉及一種綠色沙漠地表防風結構，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(tài)環(huán)境問題。據(jù)不完全統(tǒng)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(xiàn)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(wěn)定，同時化學結皮對周圍環(huán)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(lián)結合成結皮，但此方法對環(huán)境有一定的要求，且結皮生長緩慢，見效慢。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中沙漠治理存在的難題，本發(fā)明提供了一種利用自然環(huán)境中天然存在的微生物反應固結沙土結構形成的沙漠地表防風結構。

技術方案：本發(fā)明所述的第一種綠色沙漠地表防風結構，在沙漠地表覆蓋防風層，該防風層由微生物防滲加固液處理得到，其中，沙漠中粒徑為0.075-60mm的砂土含量大于50％，且防固液中的微生物為好養(yǎng)型細菌，所述防風層在最大風速為20m/s的情況下不被吹散。

這種地表防風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(yǎng)型細菌制備的微生物防固液，其在有氧環(huán)境下能很好地發(fā)揮作用。該防風層具有防風作用和防蒸發(fā)作用，利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(wěn)定，且不會對環(huán)境造成污染。

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。

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(yǎng)基中，置于25-30℃搖床中以80-108次/min下的速度培養(yǎng)24-48h。

對應的微生物防滲加固液可以包括以下成分：尿素水解細菌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。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。

本發(fā)明所述的第二種綠色沙漠地表防風結構，在沙漠地表覆蓋防風層，該防風層由微生物防滲加固液處理得到，其中，沙漠中粒徑≤0.075mm的砂土含量≥50％，加固液中的微生物為兼性厭氧菌，所述防風層在最大風速為20m/s的情況下不被吹散。

這種地表防風結構適用于細顆粒沙漠，沙漠砂土的透水透氣性差，對應采用兼性厭氧菌制備的微生物防固液，其在無氧條件下也能發(fā)揮作用。從效果和效率方面考慮，上述微生物可以為反硝化細菌，其在還原硝酸鹽的過程中產生碳酸根，在堿性條件下和鈣鹽產生碳酸鈣沉淀，同時可以為植物的生長提供氮源，促進植物生長。

進一步地，反硝化細菌可以但不限于假單胞菌屬或產堿桿菌屬的細菌，例如可以為硝基還原假單胞菌，CGMCCNo.1.2343，或熒光假單胞菌，CGMCCNo.1.3893。

對應的微生物防滲加固液包括以下成分：反硝化細菌10⁷-10⁹個/L、硝酸鹽0.01-1mol/L、鈣鹽0.02-3mol/L、碳源0.03-1.5mol/L、氮源0.002-0.2mol/L及氯化鈉0-15g/L。

上述鈣鹽為可溶性鈣鹽，可以但不限于硝酸鈣、氯化鈣、醋酸鈣中的一種或幾種。碳源可以但不限于醋酸鹽、葡萄糖、玉米秸稈等，氮源可以但不限于氯化銨、硫酸銨、硝酸銨、尿素、麩皮、玉米稈等，硝酸鹽可以但不限于硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鈣、硝酸銨等

微生物的增殖方式可以為：將反硝化菌種放入到液體培養(yǎng)基中，在25-35℃的環(huán)境溫度下，以50-150rad/min的轉速培養(yǎng)24-48h，其中，液體培養(yǎng)基包括硝酸鹽0.01-1mol/L、氯化鈣0.02-3g/L、碳源0.01-1mol/L、氯化銨0.05-0.5g/L，硫酸亞鐵0.01-0.03g/L，并將pH調制7-8。

優(yōu)選的，利用含有好養(yǎng)型細菌的微生物防滲加固液處理沙漠地表1-5次，利用含有兼性厭氧菌的微生物防滲加固液處理沙漠地表3-5次；其中，處理1次就有效果，處理5次效果很明顯，能夠結成1-3cm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(jié)省時間和成本。

防固液處理后覆蓋覆蓋層，以防止陽光暴曬導致細菌死亡。

相鄰處理次數(shù)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(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點為：(1)本發(fā)明的綠色沙漠地表防風結構依賴的微生物反應過程是自然界，尤其是土體的生態(tài)環(huán)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(wěn)定，且不會對環(huán)境造成污染；(2)本發(fā)明采用的微生物-植物聯(lián)合治沙技術，相比單純的種植植物存活率要高；(3)本發(fā)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(huán)境基本沒要求；(4)本發(fā)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1-1和1-2分別為本發(fā)明風蝕試驗風速和氣溫的變化狀態(tài)圖；

圖2-1～2-6分別為本發(fā)明風蝕試驗的現(xiàn)場圖片。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。

本發(fā)明的綠色沙漠地表結構，在沙漠地表覆蓋防風層，該防風層由微生物防滲加固液處理得到，其中，沙漠中粒徑為0.075-60mm的砂土含量大于50％，且防固液中的微生物為好養(yǎng)型細菌，沙漠中粒徑≤0.075mm的砂土含量≥50％，加固液中的微生物為兼性厭氧菌，防風層的厚度為1-3cm，且在最大風速為20m/s的情況下不被吹散。

1.地表防風層抗風蝕能力實驗(粗顆粒砂土-好養(yǎng)型細菌)

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(yǎng)，將生長到對數(shù)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。

1.3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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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。

2.地表防風層抗風蝕能力實驗(細顆粒砂土-兼性厭氧菌)

2.1配制試樣：

采用保藏編號為CGMCCNo.1.2343的硝基還原假單胞菌進行增殖培養(yǎng)，將生長到對數(shù)期的微生物10⁸個/L、硝酸鹽0.05mol/L、硝酸鈣0.08mol/L、碳源0.03mol/L、氮源0.005mol/L、氯化鈉9mol/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(fā)明0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M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、0.6g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

B.采用本發(fā)明0.05M處理液分別處理沙漠地表3次、4次、5次，每次的處理量為4L/m²，損失分別為0.2g/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(fā)明0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M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、0.7g/cm²、0.4g/cm²、0.1g/cm²、0g/cm²、0g/cm²；

B.采用本發(fā)明0.05M處理液分別處理沙漠地表3次、4次、5次，每次的處理量為4L/m²，損失分別為0.4g/cm²、0.2g/cm²、0g/cm²。

C.采用本發(fā)明0.05M處理液處理沙漠地表3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、1.3g/cm²、1.0g/cm²、0.7g/cm²、0.4g/cm²、0.2g/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(fā)明0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M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、1.7g/cm²、1.3g/cm²、1.0g/cm²、0.7g/cm²、0.3g/cm²；

B.采用本發(fā)明0.1M處理液分別處理沙漠地表3次、4次、5次，每次的處理量為4L/m²，損失分別為1.0g/cm²、0.8g/cm²、0g/cm²。

3.現(xiàn)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(fā)明微生物防滲加固液處理沙漠地表的實驗組(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1-1、1-2分別記錄試驗期間的風速和氣溫變化情況。

圖2-1和2-4為試驗第1天的現(xiàn)場圖片，圖2-2和2-5為試驗第3天的現(xiàn)場圖片，圖2-3和2-6為試驗第7天的現(xiàn)場圖片，其中，圖2-1～2-3沒有經過處理，圖2-4～2-6采用本發(fā)明防滲液0.3M處理過1次，用量為4L/m²?？梢悦黠@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(fā)明防風層的可行性和有效性。

實施例1

本實施例在沙漠地表覆蓋防風層，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(yǎng)，將生長到對數(shù)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，利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理，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，從而形成防風層。

實施例2

本實施例在沙漠地表覆蓋防風層，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(yǎng)，將生長到對數(shù)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，利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理，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，從而形成防風層。

實施例3

本實施例在沙漠地表覆蓋防風層，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(yǎng)，將生長到對數(shù)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，利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理，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，從而形成防風層。

實施例4

本實施例在沙漠地表覆蓋防風層，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.1.2343的硝基還原假單胞菌進行增殖培養(yǎng)，將生長到對數(shù)期的微生物10⁸個/L、硝酸鈉0.05mol/L、硝酸鈣0.08mol/L、葡萄糖0.03mol/L、硝酸銨0.005mol/L、氯化鈉9mol/L混合于水溶液中；

第2步，選擇帶有細顆粒砂土的沙漠，利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理，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，從而形成防風層。

實施例5

本實施例在沙漠地表覆蓋防風層，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.1.3893的熒光假單胞菌進行增殖培養(yǎng)，將生長到對數(shù)期的微生物10⁷個/L、硝酸鉀0.01mol/L、醋酸鈣0.02mol/L、玉米秸稈0.1mol/L、硫酸銨0.002mol/L混合于水溶液中；

第2步，選擇帶有細顆粒砂土的沙漠，利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理，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72h撤掉覆蓋層，從而形成防風層。

實施例6

本實施例在沙漠地表覆蓋防風層，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.1.3893的熒光假單胞菌進行增殖培養(yǎng)，將生長到對數(shù)期的微生物10⁹個/L、硝酸銨1mol/L、氯化鈣3mol/L、醋酸鹽1.5mol/L、氯化銨0.2mol/L、氯化鈉15mol/L混合于水溶液中；

第2步，選擇帶有細顆粒砂土的沙漠，利用微生物防滲加固液對沙漠地表進行處理，處理4次，每次處理的微生物防滲加固液的噴灑量為4L/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，從而形成防風層。