地草浆地膜在干旱与半干旱区退化土地保水固碳技术应用

　　摘要：本文运用通过不同菌剂组合下秸秆水解性能、酶学特性、菌群结构特征和秸秆微观结构等分析，揭示秸秆高效水解菌剂的筛选与作用机制构建草浆地膜制备技术，并通过研究制约土壤水分蒸发散失的环境因子和土壤物理性状变化对土壤水分含量变化的影响规律，通过草浆地膜覆盖前后的秸秆失重率，并结合农田土壤剖面CO2浓度变化、地表土壤CO2通量以及有机碳变化分析，评估草浆地膜保水覆盖措施的固碳增汇效果，并依据模型分析影响农田固碳增汇的关键驱动要素。

　　关键词：菌种筛选、秸秆、秸秆高效水解菌剂、草浆地膜、生物发酵、固碳增汇。

　　由于受全球气候变化、人口迅猛增加带来的食物需求以及人类不合理的开发利用土地的影响，土地退化问题已经成为世界面临的重大经济、环境问题之一。内蒙古自治区地域辽阔,全区大部处在干旱、半干旱和亚湿润干旱区,是我国北方生态环境相对脆弱的省区之一，同时也是我国土地退化和荒漠化最为严重的省区之一。近年来，黄河流域内蒙古段面临土壤荒漠化和沙化、耕地盐碱化、水土流失严重、生态系统退化等一些系列问题都亟待解决。黄河流域内蒙古段在维护国家生态安全、能源安全、粮食安全方面具有重要战略地位。因此，开展有效的干旱区退化土地的修复技术是促进黄河流域生态保护和高质量发展战略的前提条件。

　　塑料地膜虽然保水效果较好，但对环境产生的不利影响和高成本因素限制了其在退化草地上的应用。如何在技术可行的前提下，如何将内蒙古干旱与半干旱区退化草地土地广袤、条件复杂的现状与区域优势资源相结合，探索出一条退化草地土壤保水新途径，是内蒙古自治区半干旱地区退化草地改良面临的主要问题，但以往尚无可行的有效技术方法。

　　为此，本研究经过以往数年探索性研究和田间试验检验，首次将一种新型草浆地膜应用于干旱区退化草地恢复过程中，以期探明这种草浆地膜的土壤保水作用机制和保水固碳效果，适用于干旱退化草地修复的草浆地膜保水覆盖技术，该项技术是利用资源丰富的廉价秸秆，采用低成本的生物发酵技术制成环保纤维地膜，具有保水、可降解性、成本低且操作简便，其可在部分取代塑料地膜的同时，有效缓解了当前秸秆大量闲置造成的农事障碍和环境污染等突出问题。目前，构建出既具有能够分泌全面降解酶系的菌株，又具有高效分泌能力，代谢稳定且易调控的多功能菌株或菌群，已经成为低成本解决秸秆纤维膜制备技术的潜力方向。由于内蒙古自治区的土壤沙化、荒漠化严重，水分缺乏，养分贫瘠，导致植物很难存活，覆盖草浆地膜可以有效促进土壤的保水保肥能力，增强土壤酶活性，有助于作物生长发育及增产，草浆地膜应用于农业领域，可以为干旱区域带来经济、生态、社会效益的同时，促进黄河流域生态保护和高质量发展。

　　一、核心技术方法

　　针对干旱区退化土地修复过程中低成本的植物纤维地膜保水技术匮乏的问题,本项目解决秸秆水解率低下、成膜性能差、成本高昂等关键难题，通过研发秸秆水解菌剂并明确其保水作用机制，构建适用于干旱地区退化土地的草浆地膜保水覆盖技术，并通过生产示范对草浆地膜覆盖保水和固碳增汇效果进行技术评价，由此基于作物秸秆资源化高效利用，创建可复制推广的干旱区退化土地修复与固碳增汇技术应用模式。

　　1.秸秆高效水解菌剂的筛选与作用机制

　　采集高寒、干燥、低氧的极地环境条件下分离的极地微生物菌系或菌株，在原有菌剂配方基础上进行组合复配，并通过不同组合下的秸秆水解性能和β—葡萄糖苷酶(BGL)等酶活性测试，进一步优选出秸秆高效水解菌剂配方，并扩培加工成有效活菌数载量更高的糠基固态菌剂；通过分析秸秆不同发酵阶段菌群结构特征、酶活变化与秸秆水解之间的关系；探明在外源物质激活诱导下，秸秆分解过程中微生物菌群演替及秸秆微观结构特征、组分变化情况，揭示秸秆纤维素水解产物形成和累积的机制。

　　菌剂培养

　　2.草浆地膜制备及作用效果研究

　　以秸秆高效发酵菌剂为核心，从秸秆发酵菌剂的性能和地膜性能要求出发，从原料预处理、发酵、加工等环节，运用正交试验等方法，根据不同秸秆发酵工艺参数（菌剂用量、秸秆长度、含水率、氧气含量等）下秸秆浆体性能，以及草浆地膜干抗张力和降解周期等成膜性能，优选满足草浆地膜干抗张力大于35N的全过程发酵处理工艺参数，从而构建草浆地膜制备技术。

　　通过研究草浆地膜的保水曲线、粘合度以及成膜特性，结合草浆地膜处理后田间水分蒸发量以及不同土壤深度温度差变化，研究制约土壤水分蒸发散失的环境因子和土壤物理性状变化对土壤水分含量变化的影响规律，阐明草浆地膜的保水作用机制；并以退化土地植被修复为例，定期对草浆地膜覆盖下林木生长指标及群体发育指标等进行一定时间序列下的测定分析，研究土壤水分动态变化特征和苗木生长发育的响应规律，明确草浆地膜处理对土壤水分和苗木生长状况的影响。

　　3.草浆地膜覆盖保水固碳增汇作用机制与效应

　　通过草浆地膜覆盖前后的秸秆失重率，并结合土壤剖面CO2浓度变化、地表土壤CO2通量以及有机碳变化分析，构建草浆地膜覆盖下的土壤剖面CO2产出-传输机制模型，评估草浆地膜保水覆盖措施的固碳增汇效果，并依据模型分析影响固碳增汇的关键驱动要素，从而为干旱区农田的“碳达峰、碳中和”提供数据支撑和生产范式。

　　三、技术路线

　　三、试验情况

　　3.1不同覆盖方式下的土壤表面相对湿度变化

　　土壤表面相对湿度的变化可在一定程度上反映出表层土壤表面的水分散失情况。4－7月中旬15：30测定不同覆盖方式下土壤表面相对湿度结果表明(图1)：草浆地膜处理地表相对湿度明显低于对照，除了7月外，其他月份草浆地膜处理地表相对湿度均显著低于对照(n＝5，P＜0．05)。

　　地表进行草浆地膜覆盖后，土壤水分受地膜的物理阻断，阻碍了水分向大气中扩散，从而降低了空气中的相对湿度，由于草浆地膜层存在一定的微空隙导致土壤水分散失，因此草浆地膜下的土壤表面相对湿度要低于对照。

　　3.2不同覆盖方式对土壤温度的影响

　　草浆地膜处理4－7月的表层土壤温度分别为18.00，20．20，31．50和28．00℃，而对照分别为18.15，20.46，32.60和28．27℃，前者表层土壤温度分别比后者低0.15，0.26，1.10，0.27℃，两者之间数值相差很小，差异并不显著(图2)。

　　草浆颗粒具有物理隔热作用，与对照相比，草浆地膜处理表层土壤平均温度的降低，有利于降低土壤深层水分向上运移的水汽压力势，从而削弱了地表土壤水分蒸发散失的强度。但由于温差数值与对照相比差异较小，因此由草浆颗粒物理隔热而产生的上下层土壤温差作用减小，对土壤含水量的影响作用不大。

　　3.3不同覆盖方式对土壤紧实度的影响

　　土壤紧实度反映了土壤颗粒间的松紧程度，在土壤容重相同情况下，土壤紧实度大小与土壤含水量有关。不同处理下0~20cm土壤紧实度测定的结果表明(图3)：在0~10cm土层内，草浆地膜处理土壤紧实度平均值低于对照处理，其中在0~10cm土层内，处理间土壤紧实度差异显著(n＝5，P＜0．05)；但此后随着土壤深度的加深，不同处理下的土壤紧实度差异呈逐渐缩小的趋势，且差异不明显。

　　草浆地膜处理对0~10cm土层土壤紧实度的影响，反映出草浆地膜可在一定程度上削弱地表硬皮结实作用和表层土壤的“干化”作用。

　　3.4不同覆盖方式对土壤含水量的影响

　　在整个观测期内，草浆地膜覆盖处理样地的土壤水分蒸发受到地膜物理阻断，切断了与大气的水分交换，因而水分散失减少。各个时期草浆地膜处理土壤平均含水量分别为13．32％，17．40％，22．87％和20.21％，而对照土壤平均含水量分别为11.15％，14.46％，21.60％和16.27％，各个测定时期前者土壤平均含水量分别比对照高2.17％，2.94％，1.27％和3.94％，其中处理间5月和7月的土壤含水量差异显著(n＝5，P＜0．05)(图4)。由此说明，草浆地膜覆盖处理下的土壤水分状况明显优于对照，具有较好的保水效果。

　　四、技术创新性

　　（1）秸秆发酵菌群配方

　　秸秆发酵菌群来源于极地植株残体中的原始菌群，并经过高原产青稞糊粉层粉末作为激活剂添加后，在1-2℃低温及低氧条件下进行定向富集与筛选，并将稳定的菌群用于处理玉米秸秆，实现秸秆木质纤维素成分的水解。本次研究属于开创性的研发，参考以往的研究经验，通过不同稳定菌系组合下的秸秆水解性能和β—葡萄糖苷酶(BGL)等酶活性测试，筛选出更高效的秸秆水解菌剂配方，并扩培加工成有效活菌数载量更高的糠基固态菌剂。

　　（2）草浆地膜制备技术构建

　　根据秸秆发酵菌剂的性能和地膜性能要求，从原料预处理、发酵、加工等环节，明确草浆地膜制备工艺参数，从而构建草浆地膜制备技术。

　　（3）研发生产成本低的草浆地膜新技术

　　由此通过发酵菌剂、高温发酵和工艺参数确定，使用简单的粉碎机和匀浆机，即可创新性地实现草浆地膜的低成本生产。

　　五、技术产品优势及应用

　　目前农业生产上最为常用塑料地膜虽然保水效果好，但塑料地膜不仅需要大量能源进行生产导致使用成本较高，而且其不可充分降解性以至产生废弃物难以处理和环境污染的难题。目前在塑料地膜的替代品应用研究上，液态地膜、生物降解膜等材料的保水效果均不如塑料地膜，且成本较高，推广不易。

　　而草浆地膜在使用期内的保水效果明显，能够满足一定生产需要，其原料来源广，使用起来环保节能，而且在当今农业生产相对效益低下的情况下，草浆地膜的低成本更具有天然的优势，在草浆地膜保水效果较好、材料来源广泛的情况下，其使用在成本上和环保上具有明显的优势。与应用在农业生产和生态环境恢复等领域。

　　秸秆覆盖技术相比，没有秸秆覆盖技术的秸秆用量大、操作不便，且与畜禽争夺食料等弊病，使用优势更加明显。此外，由于草浆的成膜作业是使用普通农用增压喷壶进行的，受地形条件限制较小，因此草浆地膜也可以用，在种植业生产以外的生态环境保护等方面。

　　近年来，黄河流域内蒙古段面临土壤荒漠化和沙化、耕地盐碱化、水土流失严重、生态系统退化等一些系列问题都亟待解决。而地膜覆盖是干旱缺水的土地沙化，荒漠化地区土地生态修复的有效途径之一。如本次试验成功可初步解决面临的问题，通过低值的地膜与高成本的秸秆处理之间的相互转化，运用更低成本、高效和环保处理技术来制取纤维地膜，进一步考虑使秸秆纤维地膜突破障碍进入工业化生产，前景大有可为。