本發(fā)明涉及鹽堿地修復，具體為一種鹽堿地修復系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、鹽堿地修復系統(tǒng)屬于環(huán)境工程與生態(tài)修復領域的一個重要應用。環(huán)境工程涵蓋了各類針對環(huán)境污染與退化的解決方案，而生態(tài)修復則專注于恢復自然生態(tài)系統(tǒng)的功能和健康。在生態(tài)修復的具體實踐中，鹽堿地修復是一個關鍵領域，旨在解決由于鹽堿化引起的土壤退化問題。鹽堿地修復系統(tǒng)特別關注于通過物理、化學和生物手段恢復土壤的生產力和生態(tài)功能。具體而言，在鹽堿地修復領域中，微生物處理技術作為一種生物修復方法，利用特定微生物群落來改善土壤的鹽堿性和增加其肥力，是實現土壤改良和可持續(xù)利用的關鍵技術之一。

2、現有技術在微生物投放策略上也存在不足，通常缺乏針對性優(yōu)化，導致微生物的效果在實際應用中不穩(wěn)定。再者，修復過程中對土壤環(huán)境的動態(tài)變化監(jiān)測不足，難以及時調整微生物群落和修復策略以應對實時變化。

3、現有微生物處理技術的不足主要來源于對土壤具體環(huán)境特征的忽視和微生物管理策略的單一性。在鹽堿地修復過程中，未能考慮到土壤鹽分和堿性在時間和空間上的變化，導致修復效果不如預期。在鹽堿地中，鹽分可能呈現明顯的空間不均勻分布，而現有技術往往未能根據這些特征進行微生物群落的定制化調整。這種情況下，微生物無法在最需要的區(qū)域發(fā)揮最佳作用，修復進展緩慢或效果不顯著。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種鹽堿地修復及系統(tǒng)方法,本發(fā)明通過篩選具備特定功能的微生物并優(yōu)化其組合比例，使得修復過程中的微生物用量更加科學合理，有效提高土壤修復的效率和效果，避免資源浪費，降低土壤修復的總體成本；并可以增強土壤的自我修復能力和生態(tài)穩(wěn)定性，確保修復工作更加高效和有針對性。

2、為實現以上目的，本發(fā)明提供了一種鹽堿地修復系統(tǒng)，包括土壤樣本采集與初步分析模塊、微生物群落優(yōu)化設計模塊、微生物混合物制備與投放模塊、土壤修復過程監(jiān)測模塊，土壤修復效果評估模塊和反饋與優(yōu)化調整模塊；

3、所述土壤樣本采集與初步分析模塊從待修復鹽堿地不同區(qū)域采集土壤樣本，分析其鹽分na+、cl-、ph值和cec，進行微生物群落結構的初步檢測，識別樣本中的主要微生物種類；

4、所述微生物群落優(yōu)化設計模塊根據土壤樣本采集與初步分析模塊的分析結果，利用微生物學模型設計優(yōu)化待修復鹽堿地土壤生物多樣性的微生物混合物；所述微生物混合物包括的微生物群落具有分解有機質、降低鹽分、調節(jié)ph值的功能；

5、所述微生物混合物制備與投放模塊根據微生物群落優(yōu)化設計模塊設計的結果制備滿足設計要求的微生物混合物，并通過噴灑和灌溉的方法將制備的微生物混合物均勻地投放到待修復鹽堿地中；

6、所述土壤修復過程監(jiān)測模塊在微生物混合物投放后，定期監(jiān)測土壤中鹽分、堿性變化及微生物群落演變的土壤數據，將監(jiān)測的土壤數據儲存，并輸送至土壤修復效果評估模塊評估修復進展；

7、所述土壤修復效果評估模塊接收土壤修復過程監(jiān)測模塊輸送的土壤數據，并對比修復前后的土壤數據，評估修復效果，確定是否達到預期目標。

8、本發(fā)明進一步的技術方案：所述修復系統(tǒng)還包括反饋與優(yōu)化調整模塊；所述反饋與優(yōu)化調整模塊包括修復效果反饋單元和修復策略優(yōu)化調整單元；

9、所述修復效果反饋單元收集并整理土壤修復效果評估模塊的評估結果，判斷是否達到預期目標；其判斷過程是，首先需要確定鈉離子濃度降低目標的達成率、氯離子濃度降低目標的達成率、ph值調節(jié)目標的達成率、有機質含量增加目標的達成率和微生物多樣性提升目標的達成率是否滿足設計的目標值，同時需要計算修復的綜合達成率是否滿足設計要求：所述修復的綜合達成率具體計算如下：

10、

11、式中，達成率na、達成率cl、達成率ph、達成率om和達成率div分別表示鈉離子濃度降低目標的達成率、氯離子濃度降低目標的達成率、ph值調節(jié)目標的達成率、有機質含量增加目標的達成率和微生物多樣性提升目標的達成率；

12、所述修復策略優(yōu)化調整單元基于反饋單元的結果，調整微生物群落的組合比例，優(yōu)化微生物的種類和數量，以增強修復效果，根據分析結果，優(yōu)化微生物的投放方式和時間，確保微生物能夠更有效地發(fā)揮作用。

13、本發(fā)明進一步的技術方案：所述土壤樣本采集與初步分析模塊包括土壤樣本采集單元和樣本分析與微生物檢測單元；

14、所述土壤樣本采集單元針對待修復鹽堿地的不同區(qū)域采集具有代表性的樣本，并采集到的樣本整合為一個包含了所有代表性土壤樣本的集合ssa，采樣過程使用土壤鉆探器，在選定的位置和深度采集土壤樣本；具體是將待修復鹽堿地分割為n個子區(qū)域，并根據地理位置對每個區(qū)域采樣，按照以下公式計算出所有代表性土壤樣本的集合ssa：

15、

16、上式中：ssa表示所有代表性土壤樣本的集合，包含所有子區(qū)域的樣本集合；

17、si表示n個子區(qū)域中第i個子區(qū)域在不同深度下的土壤樣本集合；

18、所述樣本分析與微生物檢測單元通過化學分析方法測定土壤樣本采集單元整合的土壤樣本集合ssa中土壤的鈉離子na+濃度和氯離子cl-濃度并計算出中待修復鹽堿地土壤的鹽分指數；測量土壤樣本集合ssa中土壤的ph值計算出待修復鹽堿地土壤中陽離子交換量cec；使用高通量測序技術，檢測土壤樣本集合ssa中土壤的微生物群落結構，計算出待修復鹽堿地土壤微生物多樣性指數，識別出待修復鹽堿地土壤主要的微生物種類；

19、其中，所述待修復鹽堿地土壤的鹽分指數計算公式如下：

20、

21、式中，isa表示土壤的鹽分指數，具體表示鈉和氯離子濃度的平均值，用于衡量土壤鹽分程度；

22、sna表示土壤中的鈉離子濃度；

23、scl表示土壤中的氯離子濃度；

24、所述待修復鹽堿地土壤的陽離子交換量計算公式：

25、qcec＝cec*phsoil；

26、式中，qcec表示校正后的陽離子交換量；

27、cec表示陽離子交換量；phsoil表示土壤ph值；

28、所述待修復鹽堿地土壤的微生物多樣性指數計算公式：

29、

30、式中，mdiv表示微生物群落的多樣性指數；

31、nj表示第j種微生物的個體數量；

32、n表示所有檢測到的微生物的總數量。

33、本發(fā)明進一步的技術方案：所述微生物群落優(yōu)化設計模塊包括微生物功能篩選與評估單元和微生物組合優(yōu)化與比例計算單元；

34、所述微生物功能篩選與評估單元從已有的微生物庫中篩選出具備分解有機質、降低土壤鹽分和調節(jié)ph值的微生物；篩選過程基于土壤樣本采集與初步分析模塊分析中獲取的待修復鹽堿地土壤的鹽分指數、陽離子交換量以及微生物多樣性指數；通過模擬實驗或已有的實驗數據，評估各候選微生物在特定土壤條件下的有效性，確定它們的功能強度；

35、ei＝ωo*fio+ωs*fis+ωph*fiph；

36、式中，ei表示第i種微生物的綜合效能指數，

37、ωo、ωs和ωph分別表示有機質分解、鹽分降低和ph調節(jié)能力的權重，依據土壤修復的優(yōu)先級進行設定；

38、fio、fis和fiph分別表示第i種微生物的有機質分解能力、第i種微生物的鹽分降低能力和第i種微生物的ph調節(jié)能力；

39、所述微生物組合優(yōu)化與比例計算單元基于微生物功能篩選與評估單元的結果，通過優(yōu)化算法確定最佳的微生物組合，使其在目標土壤條件下達到最優(yōu)效果，并計算出每種微生物在混合物中的最佳比例，確保不同微生物的協(xié)同作用，最大化修復效率；

40、通過多目標優(yōu)化算法，確定每種微生物的比例χi，使得以下目標函數最大化：

41、

42、式中，maxo表示多目標優(yōu)化算法；χi表示第i種微生物在組合中的比例；

43、表示組合中各微生物的比例總和為100％。

44、本發(fā)明進一步的技術方案：所述微生物混合物制備與投放模塊包括微生物混合物制備單元和微生物混合物投放單元；

45、所述微生物混合物制備單元根據微生物群落優(yōu)化設計模塊給出的每種微生物比例，準確稱量并混合各微生物菌種，制備符合目標土壤需求的微生物混合物；并調節(jié)微生物混合物的總濃度cto，確保在投放后能夠達到預期的修復效果；所述微生物混合物的總濃度cto通過以下公式獲?。?/p>

46、

47、式中，χi表示第i種微生物在微生物混合物中的比例；

48、ci表示第i種微生物的初始濃度；

49、所述微生物混合物投放單元根據待修復鹽堿地的地理條件和土壤特性，通過噴灑和灌溉方法將微生物混合物均勻地投放到待修復鹽堿地中；使用精確的投放設備，按照計算出的微生物混合物總投放量，將微生物混合物均勻地分布在指定區(qū)域；所述微生物混合物總投放量vto的計算公式為：

50、vto＝dapp*ala；

51、式中，dapp表示投放密度，具體表示每單位面積需要投放的微生物混合物體積；

52、ala表示投放區(qū)域的總面積。

53、本發(fā)明進一步的技術方案：所述土壤修復過程監(jiān)測模塊包括土壤鹽堿性變化監(jiān)測單元和微生物群落演變監(jiān)測單元；

54、所述土壤鹽堿性變化監(jiān)測單元定期采集待修復鹽堿地的土壤樣本，分析待修復鹽堿地不同修復時間下土壤中的鈉離子na+和氯離子cl-濃度，以評估待修復鹽堿地修復過程中土壤鹽分濃度的變化；測量待修復鹽堿地土壤不同修復時間的ph值，監(jiān)測投放后的微生物對待修復鹽堿地土壤堿性的調節(jié)效果；所述待修復鹽堿地修復過程中土壤鹽分的變化計算公式如下：

55、

56、式中，δssal(t)表示在修復時間t時土壤鹽分變化量；

57、sna(0)和scl(0)分別表示表示投放微生物混合物前土壤na+和cl-的初始濃度；

58、sna(t)表示在修復時間點t時土壤中鈉離子濃度；

59、scl(t)表示在修復時間點t時土壤氯離子濃度；

60、所述待修復鹽堿地修復過程中土壤ph值變化計算公式：

61、δph(t)＝phsoil(t)-phsoil(0)；

62、式中：δph(t)表示在修復時間t時土壤ph值的變化；

63、phsoil(0)表示是投放微生物混合物前的土壤的初始ph值；

64、phsoil(t)表示修復時間點t時土壤的ph值；

65、所述微生物群落演變監(jiān)測單元定期采集待修復鹽堿地的土壤樣本，通過熒光定量pcr方法，分析待修復鹽堿地土壤中微生物群落的結構變化，評估鹽堿地修復過程中不同微生物種群的相對豐度；測定關鍵微生物的活性指標，評估它們在修復過程中的表現；所述鹽堿地修復過程中微生物相對豐度變化公式為：

66、

67、式中，δri(t)表示在修復時間t時第i種微生物的相對豐度變化百分比；

68、ri(t)表示在修復時間點t時第i種微生物的相對豐度；

69、ri(0)表示投放微生物混合物之前第i種微生物的初始相對豐度；

70、所述鹽堿地修復過程中微生物活性變化公式為：

71、δai(t)＝ai(t)-ai(0)；

72、式中，δai(t)表示在修復時間t時第i種微生物的活性變化量；

73、ai(t)表示在修復時間點t時第i種微生物的活性；

74、ai(0)表示投放微生物混合物前第i種微生物的初始活性。

75、本發(fā)明較優(yōu)的技術方案：所述土壤修復效果評估模塊包括修復前后土壤數據對比單元和修復目標達成評估單元；

76、所述修復前后土壤數據對比單元收集并整理土壤修復過程監(jiān)測模塊輸送的待修復鹽堿地修復前后的土壤數據并將對比結果輸送至修復目標達成評估單元，所述土壤數據包括鹽分濃度、ph值、有機質含量和微生物多樣性關鍵指標；

77、所述修復目標達成評估單元根據修復初期設定的目標，確定具體的評估標準，具體包括鹽分降低的目標值、ph值調節(jié)范圍和微生物多樣性提升要求；利用修復前后土壤數據對比單元的結果，評估各項修復指標是否達到預期目標，并給出綜合評價。

78、本發(fā)明還提供了一種鹽堿地修復方法，所述修復方法使用上述鹽堿地修復系統(tǒng)對待修復鹽堿地進行修復，其具體包括以下步驟：

79、s1：通過土壤樣本采集與初步分析模塊從鹽堿地不同區(qū)域采集土壤樣本，分析待修復鹽堿地土壤樣本的鈉離子na+濃度和氯離子cl-濃度并計算出中待修復鹽堿地土壤的鹽分指數；測量待修復鹽堿地土壤樣本的ph值計算出待修復鹽堿地土壤中陽離子交換量cec；使用高通量測序技術，檢測待修復鹽堿地土壤樣本的微生物群落結構，計算出待修復鹽堿地土壤微生物多樣性指數，識別出待修復鹽堿地土壤主要的微生物種類；

80、s2.采用微生物群落優(yōu)化設計模塊根據土壤樣本采集與初步分析模塊的分析結果，從已有的微生物庫中篩選出具備分解有機質、降低土壤鹽分和調節(jié)ph值的微生物，通過優(yōu)化算法確定特定的微生物混合物組合；

81、s3.采用微生物混合物制備與投放模塊根據微生物群落優(yōu)化設計模塊的結果，制備適合的微生物混合物，通過噴灑和灌溉方法將微生物混合物均勻地投放到鹽堿地中；

82、s4.在微生物混合物投放后，通過土壤修復過程監(jiān)測模塊定期監(jiān)測土壤中的鹽分、堿性變化及微生物群落的演變，評估修復進展；

83、s5.采用土壤修復效果評估模塊對比待修復鹽堿地修復前后的土壤數據，評估修復效果。

84、本發(fā)明進一步的技術方案：根據土壤修復效果評估模塊的評估結果，判斷是否達到預期目標；若修復效果未達到預期目前，調整微生物群落的組合比例，優(yōu)化微生物的種類和數量，重復s1至s5步驟再次進行修復；若修復效果達到預期目標，則總結經驗并優(yōu)化未來的修復策略；所述修復預期目標包括鈉離子濃度降低目標、氯離子濃度降低目標、ph值調節(jié)目標、有機質含量增加目標的和微生物多樣性提升目標。

85、本發(fā)明進一步的技術方案：基于s1步驟中計算的待修復鹽堿地土壤的鹽分指數、陽離子交換量以及微生物多樣性指數，從已有的微生物庫中篩選出具備分解有機質、降低土壤鹽分和調節(jié)ph值的微生物，并通過模擬實驗或已有的實驗數據，評估各候選微生物在特定土壤條件下的有效性，確定它們的功能強度；

86、ei＝ωo*fio+ωs*fis+ωph*fiph；

87、式中，ei表示第i種微生物的綜合效能指數，

88、ωo、ωs和ωph分別表示有機質分解、鹽分降低和ph調節(jié)能力的權重，依據土壤修復的優(yōu)先級進行設定；

89、fio、fis和fiph分別表示第i種微生物的有機質分解能力、第i種微生物的鹽分降低能力和第i種微生物的ph調節(jié)能力；

90、然后通過優(yōu)化算法確定最佳的微生物組合，使其在目標土壤條件下達到最優(yōu)效果，并計算出每種微生物在混合物中的最佳比例，確保不同微生物的協(xié)同作用，最大化修復效率；通過多目標優(yōu)化算法，確定每種微生物的比例χi，使得以下目標函數最大化：

91、

92、式中，maxo表示多目標優(yōu)化算法；χi表示第i種微生物在組合中的比例；

93、表示組合中各微生物的比例總和為100％。

94、本發(fā)明具備以下有益效果：

95、(1)本發(fā)明通過將采樣區(qū)域劃分為多個子區(qū)域并根據地理位置進行采樣，可以確保采集到的土壤樣本具有較高的代表性，從而提高后續(xù)分析結果的準確性。

96、(2)本發(fā)明通過測定土壤樣本中的鈉離子na+、氯離子cl-的濃度，測量土壤的ph值，并評估土壤的陽離子交換量(cec)，可以全面了解土壤的鹽堿化程度和土壤肥力狀況，為土壤修復提供科學依據；利用高通量測序技術，可以檢測土壤中的微生物群落結構，識別主要的微生物種類，從而評估土壤的生物多樣性及其對土壤健康和肥力的貢獻。

97、(3)本發(fā)明通過模擬實驗和已有實驗數據的評估，篩選出的微生物組合能夠適應不同的土壤條件，通過篩選具備特定功能的微生物并優(yōu)化其組合比例，確保了在目標土壤條件下微生物群落的協(xié)同作用，從而顯著提高土壤修復的效率和效果，使得修復方案具有更廣泛的適用范圍。

98、(4)本發(fā)明通過優(yōu)化微生物群落結構，增強土壤有機質的分解和轉化能力，從而提高土壤肥力，為植物生長提供更好的營養(yǎng)條件，特定的微生物混合物能夠有效分解土壤中的鹽分，特別是鈉離子和氯離子，從而降低土壤的鹽堿度，改善土壤環(huán)境，通過微生物的作用，可以調節(jié)土壤的酸堿度，使其更接近中性，有利于植物的生長和土壤中其他微生物的生存，優(yōu)化微生物群落結構，增加土壤中微生物的種類和數量，提高微生物多樣性，從而增強土壤的自我修復能力和生態(tài)穩(wěn)定性。

99、(5)本發(fā)明通過精確的微生物比例和濃度調整，使得修復過程中的微生物用量更加科學合理，避免了資源浪費，從而降低了土壤修復的總體成本；采用的微生物修復方法相較于傳統(tǒng)的化學修復方法，對環(huán)境的負面影響更小，有助于保護土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性；微生物混合物制備與投放模塊的設計使得整個修復過程更加標準化和自動化，降低了對操作人員專業(yè)技能的要求，便于大規(guī)模推廣和應用。

100、(6)本發(fā)明通過監(jiān)測土壤修復過程，及時調整微生物群落的組成和投放策略，確保修復工作更加高效和有針對性。

101、本發(fā)明提供了一種科學、高效、環(huán)保的鹽堿地修復方法，采用微生物修復技術，避免了化學修復可能帶來的環(huán)境污染問題，是一種環(huán)境友好的土壤修復方法；通過提高土壤肥力和改善土壤環(huán)境，可以提高農作物的產量和質量，從而提高農業(yè)生產的經濟效益。本發(fā)明不僅解決了鹽堿地問題，有效改善了土壤環(huán)境，還注重生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展，促進了農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為未來的土壤修復工作提供了科學依據和實踐經驗，具有重要的實際應用價值和廣闊的發(fā)展前景。