CN105112072A - 一种防治坡面侵蚀的土壤改良剂及其制备方法及施用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种防治坡面侵蚀的土壤改良剂及其制备方法及施用方法。该土壤改良剂以收获后的新鲜玉米秸秆为原料，进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠，充分搅拌混合后为成品；将榨汁后的玉米秸秆风干、粉碎后翻耕埋入坡面表层10cm土壤；测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤含水量的质量百分比为1：3，计算上述成品和水的施用量，然后将改良剂与水混合后进行喷施。本发明制备过程简单，原料易得，成本低，产品施用后对环境无污染，且能提高土壤的保水能力，增加土壤硬度和抗剪强度，降低土壤静水崩解速率，减少坡面溅蚀、面蚀和风蚀速率。
Description
技术领域
本发明涉及水土保持领域、土壤保护领域和土壤改良领域，特别涉及一种防治坡面侵蚀的土壤改良剂及其制备方法及施用方法。
背景技术
目前，土壤侵蚀是全球性的重要环境问题之一。根据2000年世界粮农组织(FAO)世界土壤资源报告全球严重土地退化面积占总土地面积的26％。土壤侵蚀是土地退化的主要表现形式，它不仅造成土地资源严重退化甚至彻底破坏，而且大量径流泥沙及其挟带的污染物对水体质量和河道运行安全造成严重威胁。据2011年国家林业局《第四次中国荒漠化和沙化状况公报》显示，截止2009年底，中国荒漠化土地面积262.37万km2，占国土总面积的27.33％，其中，风蚀荒漠化土地面积183.20万km2，水蚀荒漠化土地面积25.52万km2。因此，开展侵蚀性土壤，特别是土壤侵蚀剧烈地区的土壤修复研究具有重要意义。土壤改良剂作为修复侵蚀退化土壤、防治水土流失的重要手段，不仅能有效改善土壤理化性状和土壤养分状况，还能对土壤微生物产生积极影响，进而提高退化土地的生产力。
土壤改良剂的研究始于19世纪末，按原料来源可将土壤改良剂分为天然改良剂、合成改良剂、天然—合成共聚物改良剂和生物改良剂。目前，研究较多的土壤改良剂主要包括沸石、粉煤灰、污泥、绿肥、聚丙烯酰胺等单一改良剂和部分复合改良剂。土壤改良剂控制土壤侵蚀的作用机理，主要包括以下两类：一类是通过向低电解的雨水中提供电解液从而促进土壤膨胀，降低土壤密度，提高总孔隙度，防止地表板结，增加土壤入渗而降低土壤侵蚀量；另一类被称为离子型多聚体，是一种好凝剂，主要通过多价阳离子对土壤颗粒的吸附促进土壤团聚体和土壤结皮的形成，增强土壤的抗蚀性和抗冲性，降低坡面土壤侵蚀速率。但是，这些土壤改良剂在施用过程中存在原材料价格昂贵，配合施用的方法复杂，改良效果不全面和造成重金属污染等问题，且大多数土壤改良剂不以减少坡面水蚀，防治土壤风蚀为主要施用目的。因此，开发一种原材料价格低廉，制作工艺简单，能有效提高土壤抗侵蚀能力，降低坡面水蚀和土壤风蚀的土壤改良剂有重要的理论价值和现实意义。
玉米是我国主要的栽培作物之一，玉米秸秆资源极其丰富，年产量可达1.6万t，玉米秸秆汁也是丰富的可利用资源，按照出汁率30.6％计算，我国可年产玉米秸秆汁0.49万t。然而，现阶段我国的玉米秸秆资源多未被有效利用，处理方式包括直接翻入土中还田(30.8％)、作食草家畜的饲料(26.2％)、作燃料(24.6％)和就地燃烧(12.8％)。直接焚烧玉米秸秆不仅会造成空气质量下降而且极易引发雾霾天气，秸秆还田亦存在腐解时间过长、增加病虫害发生几率和影响播种等诸多弊端。少数产业将秸秆作为纤维原料使用，其中间产物——秸秆汁被作为废液直接倾倒，造成了资源浪费及水质污染。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种制备过程简单，原料易得，成本低廉的土壤改良剂，产品不但能提高土壤的保水能力，增加土壤硬度和抗剪强度，还能降低土壤静水崩解速率、溅蚀速率、面蚀速率和风蚀速率的防治坡面侵蚀的土壤改良剂及其制备方法及施用方法。
本发明的技术方案是：一种防治坡面侵蚀的土壤改良剂，适用于防治黄土坡面(沙黄土、黄绵土、黏黄土)水蚀和风蚀的土壤改良剂，该土壤改良剂的各组分的质量百分比为：玉米秸秆汁：95-97wt％，苯甲酸钠：3-5wt％。
本发明的另一目的是提供上述土壤改良剂的制备方法及其喷施方法，具体包括以下步骤：
步骤A：将收获12h内的玉米秸杆进行榨汁处理，储存备用。如对不能在12h内进行榨汁处理的玉米秸秆应将其置于阴凉处并加以苫盖，以防止水分蒸发。
步骤B：向步骤A制备的秸秆汁中添加一定量的苯甲酸钠，搅拌均匀，即得到土壤改良剂，其中，玉米秸秆汁的质量百分比为95-97wt％，苯甲酸钠质量百分比为：3-5wt％。
步骤C.将步骤A榨汁处理后的玉米秸杆置于干燥通风处，自然风干至其含水率小于10％；然后用粉碎机将风干玉米秸秆粉碎至约10cm，备用。
步骤D.测定待喷施坡面面积A，再测定待喷施坡面的土壤前期含水量W，土壤容重ρ，土壤田间持水量θ，带入公式(1)和(2)，分别求出稀释改良剂所需水量T和土壤改良剂的施用量G，公式如下：
T＝A×0.1×ρ×(θ－W)，(1)
其中，式中T(kg)为喷施用水总量，A(m2)为喷施坡面面积，ρ(kgm-3)为喷施坡面土壤容重，θ(％)为喷施坡面田间持水量，W(％)为喷施坡面土壤前期含水量；
G＝1/3×A×0.1×ρ×θ，(2)
其中，式中G(kg)为喷施用改良剂的总量，A(m2)为喷施坡面面积，ρ(kgm-3)为喷施坡面土壤容重，θ(％)为喷施坡面田间持水量。
步骤E.按照每千克干土2g的用量计算待喷施坡面所需榨汁后粉碎秸秆的量，公式如下：
M＝A×0.1×ρ×0.002(3)
其中，M(kg)为所需粉碎玉米秸秆的总量，A(m2)为喷施坡面面积，ρ(kgm-3)为喷施坡面的土壤容重。
步骤F.按照上述步骤得到的粉碎秸秆的量，将粉碎秸秆翻耕埋入坡面土壤表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合。
步骤G.按照上述步骤得到所需的改良剂与水的量，分别称取，并将改良剂与水混合搅拌均匀后，均匀喷洒在待改良坡面的土壤表面，搅拌时需将土壤改良剂缓缓加入称量好的水中，边加入边搅拌，搅拌速度控制在60-65r/min。为保证搅拌时玉米秸秆汁的主要成分不发生改变，搅拌温度需控制在20-25℃，喷施过程中为保证玉米秸秆汁能自由入渗，喷施时以少喷多次为原则并控制土壤表面无明显积水。
步骤H.测定喷施后坡面土壤表层10cm的土壤含水量，检验喷施效果以确定是否达到目标值，即喷施后的坡面土壤含水量为坡面黄土(沙黄土、绵黄土和黏黄土)的田间持水量θ。若未达标，则复喷。
进一步，所述水为自来水、井水或雨水。
所述土壤改良剂每年雨季之前施用一次。
玉米秸秆汁作为天然植物提取液，主要成分包括可溶性糖(葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖、乳糖、半乳糖)、氨基酸和矿质元素等，但其改良土壤理化性质，防治土壤侵蚀的效果仍不明确。因此，研究玉米秸秆汁改良土壤理化性质的作用以及防治黄土坡面水蚀和土壤风蚀效果，不仅有明显的现实意义和使用价值，还能为天然土壤改良剂的应用提供新的理论依据，也对环境保护有积极意义。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)以玉米秸秆为原材料，材料易得，成本低廉，且榨汁后的玉米秸秆亦被利用，变废为宝。
(2)制作设备简单，工序流程清晰，施用方法易掌握。
(3)有效改善土壤物理性质，提高土壤保水能力及水稳性团聚体含量，增加土壤硬度和抗剪强度，降低土壤静水崩解速率、溅蚀速率、面蚀速率和风蚀速率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
以安塞黄绵土为研究对象，用本发明进行土工试验，试验用土盒规格为40cm×40cm×10cm，填土高度5cm，填土容重1.20g/cm3，试验重复三次。试验步骤为：对刚收获的新鲜玉米秸秆进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠备用；然后将榨汁后的秸秆自然风干、粉碎后备用；控制玉米秸秆汁和苯甲酸钠的质量百分比为：玉米秸秆汁95-97wt％，苯甲酸钠3-5wt％；计算待喷施坡面所需粉碎秸秆的量，然后将粉碎秸秆翻耕埋入坡面表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤持水量的质量百分比为1：3，然后计算上述成品和自来水的施用量，将改良剂与水充分混合后进行喷施，分别在喷施7d和14d后用TYD-1型土壤硬度计测定土壤硬度，用HP30数显式推拉力计测定土壤静水崩解速率。本试验中，黄绵土的田间持水量为20.0％，土壤初始含水量为5.0％，玉米秸秆汁与水的质量分别为1.28和2.88kg，粉碎秸秆的用量为38.4g。
试验结果表明，施用本发明的土壤改良剂7d和14d后，可显著提高土壤的抗侵蚀能力，其中，土壤硬度提高4.6％～127.5％，土壤在静水中的崩解速率降低97.7％～98.5％。
表1施用本发明土壤改良剂后对土壤硬度和土壤静水崩解速率的影响
实施例2：
以安塞黄绵土为研究对象，用本发明进行土工试验，试验用土盒规格为40cm×40cm×10cm，填土高度5cm，填土容重1.20g/cm3，试验重复三次。试验步骤为：对刚收获的新鲜玉米秸秆进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠备用；然后将榨汁后的秸秆自然风干、粉碎后备用；控制玉米秸秆汁和苯甲酸钠的质量百分比为：玉米秸秆汁95-97wt％，苯甲酸钠3-5wt％；计算待喷施坡面所需粉碎秸秆的量，然后将粉碎秸秆翻耕埋入坡面表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤持水量的质量百分比为1：3，然后计算上述成品和水自来水的施用量，将改良剂与水充分混合后进行喷施，分别在喷施7d和14d后用M251468现场剪力测试仪测定土壤抗剪强度。本试验中，黄绵土的田间持水量为20.0％，土壤初始含水量为5.0％，玉米秸秆汁与水的质量分别为1.28和2.88kg，粉碎秸秆的用量为38.4g。
试验结果表明，施用本发明的土壤改良剂7d和14d后，可显著提高土壤抗剪强度97.9％～140.0％。
表2施用本发明土壤改良剂后对土壤抗剪强度的影响
实施例3：
以安塞黄绵土为研究对象，用本发明进行室内土盒培养试验，土盒规格为40cm×40cm×10cm，填土高度5cm，填土容重1.20g/cm3，试验重复三次。试验步骤为：对刚收获的新鲜玉米秸秆进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠备用；然后将榨汁后的秸秆自然风干、粉碎后备用；控制玉米秸秆汁和苯甲酸钠的质量百分比为：玉米秸秆汁：95-97wt％，苯甲酸钠：3-5wt％；计算待喷施坡面所需粉碎秸秆的量，然后将粉碎秸秆翻耕埋入坡面表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤持水量的质量百分比为1：3，然后计算上述成品和自来水的施用量，将改良剂与水充分混合后进行喷施；然后分别在喷施7d和14d后将供试土壤按照节理掰成5cm以下的小块并过2mm的筛，用Morgan溅蚀盘在75mm/h降雨强度下进行人工模拟降雨试验，测定20min后的溅蚀量。本试验中，黄绵土的田间持水量为20.0％，土壤初始含水量为5.0％，玉米秸秆汁与水的质量分别为1.28和2.88kg，粉碎秸秆的用量为38.4g。
试验结果表明，施用本发明的土壤改良剂7d和14d后，可降低土壤溅蚀量32.5％～76.9％。
表3施用本发明土壤改良剂后对土壤溅蚀量的影响
实施例4：
以安塞黄绵土为研究对象，用本发明进行室内土盒培养试验，土盒规格为40cm×40cm×10cm，填土高度5cm，填土容重1.20g/cm3，试验重复三次。试验步骤为：对刚收获的新鲜玉米秸秆进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠备用；然后将榨汁后的秸秆自然风干、粉碎后备用；控制玉米秸秆汁和苯甲酸钠的质量百分比为：玉米秸秆汁95-97wt％，苯甲酸钠3-5wt％；计算待喷施坡面所需粉碎秸秆的量，然后将粉碎秸秆翻耕埋入坡面表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤持水量的质量百分比为1：3，然后计算上述成品和自来水的施用量，将改良剂与水充分混合后进行喷施；然后分别在喷施7d和14d后将供试土壤按照节理掰成5cm以下的小块并过2mm的筛，将过筛后的土壤置于圆形饭盒内进行风洞试验，设计试验风速5m/s，8m/s和14m/s。本试验中，黄绵土的田间持水量为20.0％，土壤初始含水量为5.0％，玉米秸秆汁与水的质量分别为1.28和2.88kg，粉碎秸秆的用量为38.4g。试验结果表明，施用本发明的土壤改良剂7d和14d后，可降低土壤风蚀量25.0％～62.5％。
表4施用本发明土壤改良剂后对土壤风蚀量的影响
实施例5：
以安塞黄绵土为研究对象，用本发明进行人工模拟降雨试验，试验土槽规格为50cm×50cm×50cm，试验重复三次。试验步骤为：A.制备土壤改良剂：对刚收获的新鲜玉米秸秆进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠备用，控制玉米秸秆汁和苯甲酸钠的质量百分比为：玉米秸秆汁95-97wt％，苯甲酸钠3-5wt％；然后将榨汁后的秸秆自然风干、粉碎后备用；B.装填土槽：试验土槽底部铺45cm厚细沙，细沙之上填装容重为1.20g/cm3的黄绵土，用于模拟耕层表层土壤，细沙与黄绵土之间用一层透水纱布相隔以使坡面径流能自由下渗；C.计算待喷施坡面所需粉碎秸秆的量，将粉碎秸秆翻耕埋入坡面表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；D.测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤持水量的质量百分比为1：3，然后计算玉米秸秆汁和自来水的施用量；E.喷施土壤改良剂：按照上述步骤得到的改良剂与水的量，分别称取，将改良剂与水混合搅拌均匀，然后均匀喷洒在待改良的坡面土壤表面。搅拌时需将土壤改良剂缓缓加入称量好的水中，边加入边搅拌，搅拌速度控制在60-65r/min。为保证搅拌时玉米秸秆汁的主要成分不发生改变，搅拌温度需控制在20-25℃。喷施过程中为保证玉米秸秆汁能自由入渗，喷施时以少喷多次为原则并控制土壤表面无明显积水；F.人工模拟降雨：喷施7d和14d后进行人工模拟降雨试验，试验设计降雨强度50mm/h，降雨历时30min，试验土槽坡度15°，试验过程中连续接取径流泥沙样，试验结束后烘干称重并计算产流量和产沙量。本试验中，黄绵土的田间持水量为20.0％，土壤初始含水量为3.8％，玉米秸秆汁与水的质量分别为2.00和4.86kg，粉碎秸秆的用量为60.0g。
试验结果表明，施用本发明的土壤改良剂7d和14d后，可降低人工模拟降雨条件下坡面侵蚀量20.9％～33.9％。
表5施用本发明土壤改良剂后对黄土坡面产流量和产沙量的影响
实施例6：
在土壤侵蚀严重的黄土坡面采用本发明进行试验，探究其在天然降雨条件下对坡面土壤侵蚀的防治效果。课题组在陕西富县子午岭地区坡耕地建造微型径流小区，模拟野外坡耕地雨季施用本发明土壤改良剂后防治土壤侵蚀的效果。微型径流小区面积1×2m2，土壤容重1.18g/cm3，每个试验处理设置2个重复。试验步骤为：对刚收获的新鲜玉米秸秆进行榨汁处理，并向秸秆汁中添加苯甲酸钠，控制各组分的质量百分比为：玉米秸秆汁95-97wt％，苯甲酸钠3-5wt％，充分搅拌混合备用；将榨汁后的秸秆自然风干，粉碎，计算待喷施坡面所需粉碎秸秆的量，将粉碎秸秆翻耕埋入坡面表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；测定待喷施坡面的土壤前期含水量和田间持水量，并控制该改良剂施用后坡面表层10cm的土壤含水量达到田间持水量，且玉米秸秆汁与表层土壤持水量的质量百分比为1：3，然后计算上述成品和自来水的施用量，分别称取，将改良剂与水混合搅拌均匀，然后均匀喷洒在待改良的坡面土壤表面。搅拌时需将土壤改良剂缓缓加入称量好的水中，边加入边搅拌，搅拌速度控制在60-65r/min。为保证搅拌时玉米秸秆汁的主要成分不发生改变，搅拌温度需控制在20-25℃。喷施过程中为保证玉米秸秆汁能自由入渗，喷施时以少喷多次为原则并控制土壤表面无明显积水。收集集流桶内的径流泥沙样，计算试验条件下施用本发明土壤改良剂后对黄土坡面产流量和产沙量的影响。本试验中，黄绵土的田间持水量为20.0％，土壤初始含水量为8.7％，玉米秸秆汁与水的质量分别为15.73和26.67kg，粉碎秸秆的用量为472.0g。
试验结果表明，天然降雨条件下的黄土坡面，施用本发明后可降低坡面侵蚀量84.4％。
表6天然降雨条件下施用本发明土壤改良剂后对黄土坡面产流量和产沙量的影响
Claims (5)
1.一种防治坡面侵蚀的土壤改良剂，其特征在于，该土壤改良剂各组分的质量百分比为：玉米秸秆汁95-97wt%，苯甲酸钠3-5wt%。
2.一种制备如权利要求1所述的防治坡面侵蚀的土壤改良剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A：将收获12h内的玉米秸杆进行榨汁处理，储存备用；如对不能在12h内进行榨汁处理的玉米秸秆应将其置于阴凉处并加以苫盖，以防止水分蒸发;
步骤B：向步骤A制备的秸秆汁中添加一定量的苯甲酸钠，搅拌均匀，即得到土壤改良剂，其中，玉米秸秆汁的质量百分比为95-97wt%，苯甲酸钠质量百分比为：3-5wt%。
3.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，该工艺还包括步骤C.将步骤A榨汁处理后的玉米秸杆置于干燥通风处，自然风干至其含水率小于10%；然后用粉碎机将风干玉米秸秆粉碎至约10cm，备用。
4.一种如权利要求1-3任意一项权利要求所述的防治坡面侵蚀的土壤改良剂对土壤表面进行喷施的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A.测定待喷施坡面面积A，再测定待喷施坡面的土壤前期含水量W，土壤容重ρ，土壤田间持水量θ，带入公式（1）和（2），分别求出稀释改良剂所需水量T和土壤改良剂的施用量G，公式如下：
T=A×0.1×ρ×（θ－W），（1）
其中，式中T（kg）为喷施用水总量，A（m2）为喷施坡面面积，ρ（kgm-3）为喷施坡面土壤容重，θ（%）为喷施坡面田间持水量，W（%）为喷施坡面土壤前期含水量；
G=1/3×A×0.1×ρ×θ，（2）
其中，式中G（kg）为喷施用改良剂的总量，A（m2）为喷施坡面面积，ρ（kgm-3）为喷施坡面土壤容重，θ（%）为喷施坡面田间持水量；
步骤B.按照每千克干土2g的用量计算待喷施坡面所需榨汁后粉碎秸秆的量，公式如下：
M=A×0.1×ρ×0.002（3）
其中，M（kg）为所需粉碎玉米秸秆的总量，A（m2）为喷施坡面面积，ρ（kgm-3）为喷施坡面的土壤容重；
步骤C.按照上述步骤得到的粉碎秸秆的量，将粉碎秸秆翻耕埋入坡面土壤表层10cm土壤，并使之与表层土壤充分混合；
步骤D.按照上述步骤得到所需的改良剂与水的量，分别称取，并将改良剂与水混合搅拌均匀后，均匀喷洒在待改良坡面的土壤表面，搅拌时需将土壤改良剂缓缓加入称量好的水中，边加入边搅拌，搅拌速度控制在60-65r/min;为保证搅拌时玉米秸秆汁的主要成分不发生改变，搅拌温度需控制在20-25℃，喷施过程中为保证玉米秸秆汁能自由入渗，喷施时以少喷多次为原则并控制土壤表面无明显积水；
步骤E.测定喷施后坡面土壤表层10cm的土壤含水量，检验喷施效果以确定是否达到目标值，即喷施后的土壤含水量为坡面黄土的田间持水量θ，若未达标，则复喷。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水为自来水、井水或雨水。
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