1.本发明涉及微生物应用技术领域，尤其涉及生物结皮组合物在岩石坡面的应用。
背景技术：
2.生物结皮(biological soil crusts)又称为生物土壤结皮、土壤微生物结皮等，其是由微细菌、真菌、藻类、地衣和苔藓等隐花植物及其菌丝、分泌物等与土壤砂砾粘结形成的复合物，是干旱半干旱区重要的地表覆盖类型。生物结皮的存在对沙漠的固定、土壤表面的物理化学生物学特性、土壤抗风蚀水蚀等方面具有重要的意义。目前利用生物结皮防治风蚀荒漠化、石漠化、水蚀荒漠化的方法已经报道，生物结皮形成后，可在降雨时增加入渗，减少地表径流，从而降低土壤受到流水侵蚀，保持水土。
3.生物结皮中的地衣是地球的先锋生物，地衣独特的生物学特性在于通过将藻类或蓝细菌包裹于真菌菌丝体内部，提供机械性保护，降低自然界过高的光强对藻类和蓝细菌的伤害；而被包裹于真菌菌丝体体内的藻类和蓝细菌能够固定空气中的二氧化碳，利用天然条件下极微量的水，即可合成真菌生存所必须的碳水化合物。互惠共生的生存方式，使地衣能够优于其他生物更适于在各种极端生境开拓生存，如：极地、沙漠、高山；地衣生长基物更是多种多样，常见如岩石表面、岩石内部、地面、树皮及树干，甚至可以生长于金属和动物骨骼残骸的表面。在坡面生态修复的技术领域中，将地衣开拓性定殖于裸露坡面，并通过自营养方式互惠共生，维持自我生命支撑的同时，改善所处的生态环境条件，积累营养，从而有利于其它微生物和植物的后续定殖，营造顺应自然生物演替规律的生态系统；地衣虽长速慢，但一旦定殖，可长久生存，不受季节影响，四季常绿并向环境缓释其合成的营养物质，整个过程仅需极少量的外源覆土，不需反复接种，所需人力少、工程简易，施工后仅需较短期的维护。
4.现有技术中，生物结皮被广泛应用于退化高寒草原的生态恢复或者矿山植被恢复等场景中，并且取得了植被恢复较好，且无生态风险的技术效果；但是，将上述生物结皮应用在裸露的岩石坡面中时，由于岩石表面有机物极少且受风雨冲刷的情况较严重，导致其表面的结皮覆盖率较低。
5.因此，亟需一种适应于裸露岩石坡面的用于岩石坡面的生物结皮组合物。
技术实现要素：
6.鉴于上述问题，本发明提供一种生物结皮组合物在岩石坡面的应用，对岩石坡面的结皮覆盖率更好。
7.为实现上述目的，一种生物结皮组合物在岩石坡面的应用，用于将由生物结皮颗粒、秸秆颗粒和保水剂按照比例混合制成的结皮组合物布设在岩石坡面上；
8.向所布设的结皮组合物上喷洒由固化微生物菌剂、尿素和氯化钙按照比例混合制成的固化组合物。
9.进一步，优选的，所述生物结皮颗粒为通过将地衣及其下4-10mm的土壤同时取下，
碾碎经直径为3～5mm的筛网过滤，获得均一大小的地衣碎片。
10.进一步，优选的，所述秸秆颗粒的制作方法包括：
11.将秸秆粉碎成3-5cm的秸秆碎片；
12.将秸秆碎片进行浸泡24-72小时后干燥，使其含水率控制在20％；
13.将干燥后的秸秆碎片制成0.1mm细度的秸秆颗粒。
14.进一步，优选的，所述固化微生物菌剂的制作方法包括：
15.将巴氏芽孢杆菌接种于巴氏芽孢杆菌培养基溶液，巴氏芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.7～0.9，制成巴氏芽孢杆菌菌液；
16.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.7～0.9，制成地衣芽孢杆菌菌液；
17.将巴氏芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比3～5:1制成固化微生物菌剂。
18.本发明的一种用于岩石坡面的生物结皮组合物，利用固化微生物的碳酸钙生物矿化技术，当产脲酶微生物处于尿素-钙离子环境中时，能够通过新陈代谢产生脲酶，脲酶将尿素分解为氨气和二氧化碳，使局部碳酸根离子浓度增大；在周围环境中加入胶结液如氯化钙后，碳酸根离子和钙离子结合生成沉淀，可快速在生物结皮颗粒间以及生物结皮和裸露的岩石表面间析出碳酸钙晶体，并将所述结皮组合物和裸露的岩石表面结合在一起；减弱了裸露岩石场景中风蚀和雨蚀对结皮覆盖率的影响，从而提高了裸露岩石坡面的生物结皮覆盖率。
附图说明
19.图1示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的实验例中的实验组的接种18天后地衣生长效果图；
20.图2示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的实验点远景图；
21.图3示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的实验点近景图；
22.图4示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种当天的效果图；
23.图5示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种22天的地衣生长效果图；
24.图6示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种4个月后的地衣生长效果图；
25.图7示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种4个月后的周边地衣生长效果图。
具体实施方式
26.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中未注明具体技术或者条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商，均可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
27.micp(microbially induced carbonate precipitation
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微生物诱导生成碳酸钙)是自然界广泛存在的一种生物诱导矿化作用，微生物经过新陈代谢产生二氧化碳和碳酸钙离子，这是碳酸钙析出所依赖的环境。其中，被广泛应用的碳酸钙生物矿化技术是尿素水解的micp。当产脲酶微生物处于尿素-钙离子环境中时，能够通过新陈代谢产生脲酶，脲酶将尿素分解为氨气和二氧化碳，使局部碳酸根离子浓度增大，同时带负电荷的菌体细胞壁能够鳌合钙离子，从而矿化沉积出方解石，方解石不仅难溶于水，而且与石基材料具有良好的兼容性。
28.本发明中所使用的菌株为地衣芽孢杆菌(bacil-luslicheniformis)和巴氏芽孢杆菌(sporosarcinapasteurii)；其中，地衣芽孢杆菌其生境广泛，在陆地、水生环境中都有被发现。近年来，国内外对于地衣芽孢杆菌各方面的应用报道日益增多，在医药、饲料加工、农药等行业取得了较好的研究成果。该菌株还具有很强的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性，尤其是地衣芽孢杆菌的细胞表面及胞外多糖eps可以为矿物的沉淀提供成核位点，胞外聚物eps中含有大量酪氨酸和甘氨酸，这两种氨基酸在碱性条件下能够吸引结合大量阳离子，为矿物形成提供局部的饱和微环境；更适用于岩石坡面等附着力差的场景。
29.巴氏芽孢杆菌(sporosarcinapasteurii)属于芽孢杆菌目球菌科芽孢八叠球菌属(也被称为巴氏芽孢八叠球菌)，是一种从土壤中分离出的非致病性革兰氏阳性菌。巴氏芽孢杆菌细胞外形呈杆状，长度约为2～3μm，具有很强的生存能力，能够在15～37℃下生长，并能够在缺少营养物质时以芽孢的形式继续存活，其芽孢呈圆形，直径约为0.5～1.5μm，在存在尿素的环境中生成作为尿素水解酶的脲酶(urease)。
30.其中，地衣芽孢杆菌(bacil-luslicheniformis)和巴氏芽孢杆菌(sporosarcinapasteurii)均为市购。
31.实施例1
32.所述生物结皮颗粒为通过将地衣及其下4-10mm的土壤同时取下，碾碎经直径为3～5mm的筛网过滤，获得均一大小的地衣碎片。
33.其中，需要说明的是生物结皮颗粒中的地衣为采集自北京市门头沟灵山处的本地地衣物种。在具体的实施过程中生物结皮颗粒也可以为当地野外的苔藓结皮、地衣结皮、藻结皮的混合物。
34.将秸秆粉碎成3-5cm的秸秆碎片；将秸秆碎片进行浸泡24-72小时后干燥，使其含水率控制在20％；将干燥后的秸秆碎片制成0.1mm细度的秸秆颗粒。其中，需要说明的是，要对秸秆进行预处理，去除秸秆的节和鞘。另外，粉碎好的秸秆碎片的浸泡需达到24-72小时的过程，然后再进入粉化环节；通过将粉碎好的秸秆进行清水浸泡，可以使秸秆纤维中的纤维素与水分子充分浸润，并且依靠空气及秸秆本身所携带的微生物，在室温及潮湿的环境下，可以对秸秆进行天然的纤维解离处理，从而可以去除少量的半纤维素以及会溶出少量的木素，亦可软化秸秆细胞的胞间层。
35.将生物结皮颗粒60份、秸秆颗粒20份以及作为保水剂的聚丙烯酸钠0.6份混合制成结皮组合物一。其中，需要说明的是，保水剂可以选择聚丙酸钠，也可以是是聚丙烯酸钠、胡敏酸(humicacid)、矿物质等的混合物，通过添加保水剂可以促进地衣的生长。
36.在具体的实施过程中，结皮组合物一的施用量为1.5～3kg/m2。
37.将巴氏芽孢杆菌接种于巴氏芽孢杆菌培养基溶液，巴氏芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.7，制成巴氏芽孢杆菌菌液。
38.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.7，制成地衣芽孢杆菌菌液。
39.将巴氏芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比3:1制成固化微生物菌剂；将所述固化微生物菌剂、0.5mol/l的尿素和0.5mol/l的氯化钙的按照体积比为3:2:3，形成述固化组合物一。
40.在具体的实施过程中，固化组合物一的施用量为3～4l/m2。
41.实施例2
42.所述生物结皮颗粒为通过将地衣及其下4-10mm的土壤同时取下，碾碎经直径为3～5mm的筛网过滤，获得均一大小的地衣碎片。
43.将秸秆粉碎成3-5cm的秸秆碎片；将秸秆碎片进行浸泡24-72小时后干燥，使其含水率控制在20％；将干燥后的秸秆碎片制成0.1mm细度的秸秆颗粒。
44.将生物结皮颗粒80份、秸秆颗粒30份以及作为保水剂的沙蒿胶0.9份混合制成结皮组合物二。其中，需要说明的是，沙蒿胶主要由葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖、阿拉伯糖和木糖等糖基以及糖醛酸组成，可生物降解；在提高地衣颗粒和岩石表面形成的碳酸钙晶体的吸水性、保水性和渗透性的基础上，具有较好的稳定性，进而提高抗风蚀能力和抗水蚀能力。
45.将巴氏芽孢杆菌接种于巴氏芽孢杆菌培养基溶液，巴氏芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.9，制成巴氏芽孢杆菌菌液。
46.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.9，制成地衣芽孢杆菌菌液。
47.将巴氏芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比5:1制成固化微生物菌剂；将所述固化微生物菌剂、0.5mol/l的尿素和0.5mol/l的氯化钙的按照体积比为3:2:3，形成述固化组合物二。
48.实施例3
49.所述生物结皮颗粒为通过将地衣及其下4-10mm的土壤同时取下，碾碎经直径为3
～5mm的筛网过滤，获得均一大小的地衣碎片。
50.将秸秆粉碎成3-5cm的秸秆碎片；将秸秆碎片进行浸泡24-72小时后干燥，使其含水率控制在20％；将干燥后的秸秆碎片制成0.1mm细度的秸秆颗粒。
51.将生物结皮颗粒70份、秸秆颗粒20份以及作为保水剂的沙蒿胶0.8份混合制成结皮组合物三。
52.将巴氏芽孢杆菌接种于巴氏芽孢杆菌培养基溶液，巴氏芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.8，制成巴氏芽孢杆菌菌液。
53.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括胰蛋白胨10g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、硫酸铵5g/l、nacl 1g/l和h2o 1l的培养基；在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为10g/l，添加nicl2至浓度为4g/l；在31℃、ph为8.1的条件下，摇床转速为130rmp/min，培养并稀释至od600＝0.8，制成地衣芽孢杆菌菌液。
54.将巴氏芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比9:2制成固化微生物菌剂；将所述固化微生物菌剂、0.5mol/l的尿素和0.5mol/l的氯化钙的按照体积比为3:2:3，形成述固化组合物三。
55.实验例1
56.于2020年10月28日在北京市门头沟灵山处选取平整度相似的样石运至实验室；将样石的表面分为20处，每处0.5m2的实验面积；将20处实验面积分为a1～a5五组，每个组包含4处实验面积。在相同条件下测试，试验结果取其平均值。对a1～a5组岩石坡面的样石表面分别进行结皮组合物接种。
57.将a1～a3作为实验组，而a4、a5作为对照组。将结皮组合物一布设在a1样石表面上；向所布设的结皮组合物一上喷洒固化组合物一；将结皮组合物二布设在a2的样石表面上；向所布设的结皮组合物二上喷洒固化组合物二；将结皮组合物三布设在a3的样石表面上；向所布设的结皮组合物三上喷洒固化组合物三；将结皮组合物三布设在a4的样石表面上；向所布设的结皮组合物三上喷洒与固化组合物三等量的清水；将与结皮组合物一等重量的地衣碎片布设在a5的样石表面上；向所布设的地衣碎片上喷洒与固化组合物一等量的清水。其中，结皮组合物一、结皮组合物二、结皮组合物三的布设密度均为1.5kg/m2；而固化组合物一、固化组合物二、固化组合物三的喷洒密度均为3l/m2。
58.将a1～a5组岩石坡面的样石，进行适当遮荫，光照保持在2000-10000lux，并置于空气相对湿度大于85％，温度在20-30℃的环境中培养；并于2020年11月7日对a1～a5组的样石表面上分别进行对应的固化组合物的二次喷洒。
59.并于2020年11月15日(接种18天)对a1～a5五组样石表面的地衣生长状况进行观察，检测各样石上的地衣形状、长度、宽度、密度等指标，记录。测量并记录地衣覆盖率。
60.图1示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的实验例中的实验组的接种18天后地衣生长情况；如图1所示，当标尺为1毫米时，实验组的样石在接种18天后，样石表面肉眼可见，明显变绿。
61.结果显示，接种18天时，a1～a3组样石表面均有贴附于样石表面生长良好的地衣，覆盖率大于70％；而a4组样石表面覆盖率为40％；a5组样石样石表面覆盖率为20％。
62.效果例1
63.于2020年10月28日在北京市门头沟灵山处进行生物结皮接种试验。选取平整度、阳光照射度相似的裸露的岩石坡面的样石20处，每处0.5m2，分为b1～b5五组，每个组包含样石4个。在相同条件下测试，试验结果取其平均值。对b1～b5组岩石坡面的样石表面分别进行结皮组合物接种。
64.其中，需要说明的是生物结皮颗粒中的地衣为采集自北京市门头沟灵山处的本地地衣物种。
65.图2～图3示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的实验点的情况，其中，图2为效果例中的实验点近景图，图3为效果例中的实验点远景图。如图所示，实验所选取的地点为裸露度较高的，陡峭岩石坡面。对b1～b5组岩石坡面的岩石表面分别进行结皮组合物接种，其中，b4和b5作为对照组。
66.将结皮组合物一布设在b1岩石坡面的表面上，向所布设的结皮组合物一上喷洒固化组合物一；将结皮组合物二布设在b2岩石坡面的表面上，向所布设的结皮组合物二上喷洒固化组合物二；将结皮组合物三布设在b3岩石坡面的表面上，向所布设的结皮组合物三上喷洒固化组合物三；将结皮组合物三布设在b4岩石坡面的表面上，向所布设的结皮组合物三上喷洒与固化组合物三等量的清水；将与结皮组合物一等重量的地衣碎片布设在b5岩石坡面的表面上；向所布设的地衣碎片上喷洒与固化组合物一等量的清水。其中，结皮组合物一、结皮组合物二、结皮组合物三的布设密度均为1.5kg/m2；而固化组合物一、固化组合物二、固化组合物三的喷洒密度均为3l/m2。
67.并于2020年11月19日(接种22天)以及2021年1月2日(接种60天)三次进行现场观察。期间经历多次大雪、大风天气。检测各样石上的地衣形状、长度、宽度、密度等指标，记录。测量并记录地衣覆盖率。
68.结果显示，接种22天时，b1～b3组样石表面均有贴附于样石表面生长良好的地衣，覆盖率大于50％；而b4组样石表面覆盖率仅为20％；b5组样石表面地衣生长状况欠佳，样石表面仅存在接种过的痕迹，并无地衣生长。
69.接种60天时，b1～b3组样石表面均有贴附于样石表面生长良好的地衣，覆盖率大于70％；而b4组样石表面覆盖率仅为30％；b5组样石表面地衣生长状况欠佳，样石表面仍无明显地衣生长痕迹。
70.于2021年3月2日(接种4个月)进行了第四次现场观察。结果显示，b1～b3组样石表面均有贴附于岩石表面生长良好的地衣，覆盖率大于80％，且地衣均有向周边扩展生长的现象。而b4、b5组并未发现明显的地衣周边扩展生长的现象。
71.图4～图7示出了本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种时以及接种后地衣的生长情况；其中，图4为本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种当天的效果图；图5为本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种22天的地衣生长效果图；图6为本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种4个月后的地衣生长效果图；图7为本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物的效果例中的b3组接种4个月后的周边地衣生长效果图。如图所示，接种22天时，b3组的样石表面已具有生长状况良好的地衣；而接种4个月后，b3组的样石表面不仅地衣长势良好，而且，地衣生长已延展至未进行地衣接种的周边区域。
72.综上，本发明的用于岩石坡面的生物结皮组合物，通过包含产脲酶微生物的固化组合物，在生物结皮颗粒和裸露的岩石间生成碳酸钙晶体，进而将所述结皮组合物和裸露的岩石表面结合在一起，达到降低风蚀以及雨蚀对地衣存活的负面影响，进而达到提高地衣存活率的效果。
73.虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式以及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改和改进，均属于本发明要求保护的范围。