CN105409523A

CN105409523A - 一种沙漠土壤化方法

Info

Publication number: CN105409523A
Application number: CN201510837130.5A
Authority: CN
Inventors: 肖波; 胡智泉; 王岚; 刘石明; 王琳玲; 王秀萍; 田明威; 王训
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: CN105409523B

Abstract

本发明公开了一种沙漠土壤化方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将沙漠中的砂粒破碎成为沙粉，接着向所述沙粉中加入生物质、生物质炭和水即形成人造类土壤，所述沙粉、所述生物质、所述生物质炭与所述水四者的质量比为100：0～20：0～0.1：4～22。该人造类土壤能够依靠雨雪供水自然生长植物。本发明通过对沙漠改造方式、砂粒处理、沙粉粒径、添加物及其比例等进行改进，与现有技术相比，由于是通过将沙漠的砂粒破碎，使最终形成的人造类土壤具有与耕地土壤粒径相类似的细小的粒径，能够和耕地土壤一样具有吸水能力，直接使不具保水性的沙漠沙质一劳永逸的转变成为能够吸水、保水的类土壤。

Description

一种沙漠土壤化方法

技术领域

本发明属于生态保护和土壤修复领域，更具体地，涉及一种沙漠土壤化方法。

背景技术

土地荒漠化是全球最大的生态环境问题之一，是人类可持续发展亟待解决的问题。我国荒漠化形势十分严峻，荒漠化土地面积为262.2万平方公里，占国土面积的27.4％，近4亿人口的生产和生活受到荒漠化的影响。土地沙漠化是我国荒漠化的最主要表现形式，我国的沙漠及沙漠化土地面积多达160.7万km²，约占国土面积的16.7％。同时，我国沙漠化面积以每年2000平方公里的速度增长。

另一方面，随着我国人口的增长和人工建筑的增多，原有的耕地面积越来越少，18亿亩耕地的红线正在被突破。我国人均耕地只有1.52亩，不到世界人均耕地的一半。向沙漠要耕地是最具可持续发展的战略。

长期以来，国内外都一直在努力治理沙漠，采取的方法着重在防风固沙、构建防护林、节水灌溉、节水种植、盆栽植物等方法，而真正将沙漠沙子进行土壤化改造，一劳永逸的使之成为土壤耕地的研究并不多。传统的在沙漠上采用节水灌溉种植植物，灌溉设施投资大，运行费用高，沙漠种植产业收益少，不能大规模推广；采用高效能吸水材料节水种植，需要对吸水材料不断补充水源；吸水材料会随时间的延长被降解，甚至分解消失，失去吸水性能；盆栽方法也需要对吸水材料不断补充水源；盆栽成本高，工效低，如果种树，树根发育会受到盆体限制。如果种农作物，盆栽的数量受到制约。此外，这些传统的方式往往是直接利用植被进行保水作用，收效较慢，并不适应于大范围利用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种沙漠土壤化方法，其中通过对关键的改造方式、砂粒处理方法、沙粉粒径、添加物及其比例等进行改进，与现有技术相比，突破了现有技术需要长期提供水资源实现沙化土壤改造的问题，有效地降低了成本。本发明中的沙漠土壤化方法，是通过对沙漠中的砂粒进行类土壤化的处理形成人造类土壤，仅需要在人造类土壤制备过程中集中使用水，可大幅减少后期维持过程中水资源的损耗，并且，改造得到的人造类土壤其具有良好的保水性，可直接用于生长植被，收效快。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种沙漠土壤化方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将沙漠中的砂粒破碎成为沙粉，接着向所述沙粉中加入生物质、生物质炭和水即形成人造类土壤，所述沙粉、所述生物质、所述的生物质炭与所述水四者的质量比为100：0～20：0～0.1：4～22；该人造类土壤用于生长植物。

作为本发明的进一步优选，所述沙粉中，粒径大于0.5mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数不大于8％，粒径为0.5mm～0.25mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数为5％～8％，粒径为0.25mm～0.1mm在所述沙粉中的质量分数为15％～20％，粒径为0.1～0.05mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数为35％～40％，粒径为0.05～0.002mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数为30％～35％，粒径小于0.002mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数不小于2％。

作为本发明的进一步优选，所述生物质为破碎的原始植物质生物质材料、原始植物质生物质材料经堆肥后生产的植物生物肥料和原始畜牧粪便中的任意一种或多种；优选的，所述生物质为所述破碎的原始植物质生物质材料、所述植物生物肥料和所述原始畜牧粪便的混合物，其中所述破碎的原始植物质生物质材料、所述植物生物肥料和所述原始畜牧粪便三者的干态质量比为100：10～50:0～30。

作为本发明的进一步优选，所述生物质中，85％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过20mm，70％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过10mm，60％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过3mm，30％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过1mm。

作为本发明的进一步优选，所述生物质炭的中，85％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过5mm，50％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过3mm，25％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过1mm。

作为本发明的进一步优选，该人造类土壤用于铺设在沙漠表层形成人造类土壤层，该人造类土壤层的厚度为100mm～2000mm。

作为本发明的进一步优选，所述人造类土壤层的厚度为400mm～700mm。

作为本发明的进一步优选，所述人造类土壤中还添加化肥，所述化肥的施加量为每亩人造类土壤4公斤～16公斤。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于是通过将沙漠的砂粒破碎，使其具有与耕地土壤粒径相类似的细小的粒径，能够和耕地土壤一样具有吸水能力，直接使不保水沙漠的沙质转变成为能够吸水保水的类土壤。本发明中的人造类土壤主要是靠各组成成分(尤其是沙粉和生物质)不同的粒径分布进行保水，人造类土壤的保水作用将会长期有效。考虑到砂粒的特殊性，本发明通过对沙漠砂粒进行粉碎处理，使粉碎后形成的沙粉具有与耕地土壤相似又不全部相同的、一定的粒径分布(尤其是以0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm和0.002mm为结节对沙粒粒径进行阶梯式细分)，通过细小颗粒表面的润湿作用和水化作用保持水分，并利用人造类土壤中不同粒径颗粒之间形成缝隙的毛细管作用输送水分(人造类土壤中的缝隙相当于毛管孔隙，这些缝隙也可增加透气性能)。人造类土壤除了具有保水性外，还能够保持养分，如氮、磷、钾、硫、钙等矿物质、有机质、以及微生物。

本发明通过对沙漠沙子不能生长植物的机理进行深入分析，尤其是利用沙漠沙子粒径往往比土壤粒径更大的特点，提出将沙漠砂粒破碎成为沙粉形成人造类土壤的沙漠土壤化方法，并通过控制人造类土壤中的颗粒粒径分布，大幅度提高人造类土壤的保水效果。结果证明，沙漠沙子破碎为一定程度的细小沙粉后，蓄含水分的能力根本性增加；另外，通过适量增加养分，沙漠砂粒就能够改造成为种植植物土壤。通过本发明的方法，可以使沙漠改造成为可用于生长植被的土壤(即，人造类土壤)；形成的人造类土壤具有长期有效的保水作用，维护简单方便，能够大幅度降低荒漠地的改造及维护成本。优选的，通过将本发明中的人造类土壤铺设在地表表层(如，荒漠地的表面，沙漠的表面等)，形成一定厚度的人造类土壤层，然后再通过例如种植能源植物，通过植物根系有机质的培养，可以在短时间内将沙漠或荒漠地改造成为适应于生长农作物的土壤。

由于土壤的主要成分是各种化学和物理性能稳定的氧化物，其中最主要的组成成分是二氧化硅和氧化铝，其他有少量的氧化铁、氧化镁、氧化锌等；沙漠沙子的主要化学组成也是这些性能稳定的氧化物，在正常的生态条件下，这些氧化物不会发生明显的矿物变化，土壤的性能相对稳定。沙漠沙子和土壤除了外部表现出的明显差异外，最根本的区别在于颗粒大小的差异，导致沙漠沙子不能蓄含水分，不能生长植物。现有的一些沙漠土壤化的方法，如利用生物技术、材料技术、盆栽技术、滴管技术所进行的沙漠种植方法，治标不治本，没有根本解决沙漠沙子自身的保水问题，因此需要人的长期维护，成本高，不能普及到大沙漠的生态修复。本发明中的人造类土壤与自然耕地土壤具有相似的性质，通过在沙漠上铺一层人造类土壤，可以在沙漠之上很好的生长植物。比起直接使用自然耕地土壤的方式，由于各地的土壤都是当地的重要资源，不能随意移往它处；即使能够移动，辽阔的沙漠依靠从外地搬运土壤来修复，也将会产生巨大的运输成本，不便广泛实施。本发明就地取材，将沙漠沙子粉碎成为和农田土壤粒径一样细小、具备蓄含水分能力的沙粉，再配合以生物质、以及生物质炭，既能改造沙漠沙子使之具有永久的蓄含水分能力，又能大大降低实施以及维护成本；并且，该人造类土壤能够依靠雨雪供水自然生长植物，并通过植物的根叶自然熟化成为腐殖质，最后形成与农田相似的自然土壤；随着种植时间的延长，植物的根系通过微生物的作用，会转变成为腐殖质，同时经过长年的耕作，被粉碎的沙粉会更加细化，胶粒会越来越多，微生物系统会越来越丰富，其土壤结构的越来越优化。

附图说明

图1是本发明沙漠土壤化方法和流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

将沙漠中的砂粒破碎成为沙粉，该沙粉中，粒径大于0.5mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为8％，粒径为0.5mm～0.25mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为5％，粒径为0.25mm～0.1mm在总沙粉中的质量分数为15％，粒径为0.1～0.05mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为35％，粒径为0.05～0.002mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为30％，其余为粒径小于0.002mm的沙粉颗粒。

接着，向沙粉中加入水，其中水粉与水两者的比例为100：4，混合均匀后即形成人造类土壤。

将人造类土壤铺设在地表表层上形成人造类土壤层，人造类土壤层的厚度为2000mm，可用于生长植物。

实施例2

将沙漠中的砂粒破碎成为沙粉，该沙粉中，粒径为0.5mm～0.25mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为7％，粒径为0.25mm～0.1mm在总沙粉中的质量分数为20％，粒径为0.1～0.05mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为38％，粒径为0.05～0.002mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为31％，粒径小于0.002mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为2％，其余为粒径大于0.5mm的沙粉颗粒。

接着，向沙粉中加入水，其中水粉与水两者的比例为100：22，混合均匀后即形成人造类土壤。

将人造类土壤铺设在地表表层上形成人造类土壤层，人造类土壤层的厚度为100mm，可用于生长植物。

实施例3

将沙漠中的砂粒破碎成为沙粉，该沙粉中，粒径大于0.5mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为6％，粒径为0.5mm～0.25mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为5％，粒径为0.25mm～0.1mm在总沙粉中的质量分数为15％，粒径为0.1～0.05mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为35％，粒径为0.05～0.002mm的沙粉颗粒在总沙粉中的质量分数为30％，其余为粒径小于0.002mm的沙粉颗粒。

接着，向沙粉中加入生物质、生物质炭和水，使沙粉、生物质、生物质炭和水四者的比例为100：20:0.1:14。生物质由原始植物质生物质材料、原始植物质生物质材料经堆肥后生产的植物生物肥料和原始畜牧粪便三者组成，其中原始植物质生物质材料、植物生物肥料和原始畜牧粪便的干态质量比为100：30:5。

在生物质中，85％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过15mm，70％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过8mm，60％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过2mm，30％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过0.5mm。

在生物质炭中，85％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过5mm，50％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过3mm，25％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过1mm。

将人造类土壤铺设在地表表层上形成人造类土壤层，人造类土壤层的厚度为550mm～600mm。该配比混合均匀后即得到人造类土壤，可用于生长植物。

实施例4

接着，向沙粉中加入生物质和水，使沙粉、生物质和水三者的比例为100：5:16。生物质由原始植物质生物质材料、原始植物质生物质材料经堆肥后生产的植物生物肥料组成，其中原始植物质生物质材料、植物生物肥料两者的干态质量比为100：40。

在生物质中，85％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过12mm，70％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过5mm，60％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过1mm，30％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过0.3mm。

将人造类土壤铺设在地表表层上形成人造类土壤层，人造类土壤层的厚度为650mm～700mm。该配比混合均匀后即得到人造类土壤，可用于生长植物。

实施例5

实施例5与实施例3相近，区别仅在于，在沙粉中添加生物质、生物质炭和水的基础上还添加了化肥。化肥的施加量为每亩人造类土壤5公斤。

将人造类土壤铺设在地表表层上形成人造类土壤层，人造类土壤层的厚度为550mm～600mm。

该配比混合均匀后即得到人造类土壤，可用于生长植物。

沙漠与耕地土壤之间最主要的差别就是能否保持水分。尽管沙漠往往是由于土壤失水、风化后形成的，但往往沙漠砂粒的粒径大，耕地土壤的粒径小。一般耕地土壤的大致粒径分布是，粒径2-1mm的占2％，1-0.5mm的占7％，0.5–0.25mm的占10％，0.25–0.1mm的占30％，0.1–0.05mm的占20％，0.05–0.002mm的占28％，小于0.002mm的占3％；耕地土壤粒径在0.1mm的占51％，平均粒径在0.05-0.1mm；而大部分的沙漠沙子主要粒径集中在0.15-0.4mm，约比耕地土壤平均粒径的大四倍。由于耕地土壤是一个疏松多孔体，细小的颗粒使土壤中布满着直径0.001-0.1mm的蜂窝状毛细管孔隙,它们能够保证耕地土壤的蓄含水分和输送水分的功能。本发明通过模拟耕地土壤形成人造类土壤，并考虑到沙粒的特殊性，对人造类土壤中的颗粒粒径是按一定大小分布，形成了具有蓄含水分的表面张力和输送水分的毛细管空隙，从而可用于滋润植物生长。

另外，将沙漠沙子破碎成为沙粉后，掺混适量的养分(如干燥的有机肥等)和疏松料形成人造类土壤，在沙漠上铺设，施水后就能种植能源植物。本发明中将沙漠砂粒进一步破碎的成本并不高，以将0.4mm粒径的沙漠沙子破碎成为0.05mm的沙粉为例，0.05mm的物料粒径就相当于水泥的颗粒粒径；我国每年生产水泥16亿吨，制造水泥需要将平均粒径为200mm的石头破碎成为0.05mm的粒径，其破碎过程消耗的能源更大；若以全国水泥年生产量生产本发明中的人造类土壤，并将其铺设在沙漠上修复沙漠，每年将可以对2000平方公里的面积沙漠进行土壤化改造，相当于一个县的版图面积，也就是转变成为一个县面积的能源农场，具有良好的效果。

本发明中的生物质可以是破碎的原始植物质生物质材料(如秸杆、杂草、树叶等)、原始植物质生物质材料经堆肥后生产的植物生物肥料或者原始畜牧粪便。本发明中的人造类土壤可选添加有生物质炭，生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解气化产生残留炭，为一种多孔介质，成本低，常温下具有化学和生物稳定性，能够增强沙粉的保水性能以及吸收太阳光的能力和保温能力，如竹炭、秸秆炭、稻壳炭等，本发明中的生物质炭可以采用本领域常用的生物质炭化方法得到的(如中国专利文献CN102388119A)。人造类土壤制备过程中向沙粉中加入生物质、生物质炭他们的质量比均为均为干态质量比。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种沙漠土壤化方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将沙漠中的砂粒破碎成为沙粉，接着向所述沙粉中加入生物质、生物质炭和水即形成人造类土壤，所述沙粉、所述生物质、所述的生物质炭与所述水四者的质量比优选为100：0～20：0～0.1：4～22；该人造类土壤用于生长植物。

2.如权利要求1所述沙漠土壤化方法，其特征在于，所述沙粉中，粒径大于0.5mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数不大于8％，粒径为0.5mm～0.25mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数为5％～8％，粒径为0.25mm～0.1mm在所述沙粉中的质量分数为15％～20％，粒径为0.1～0.05mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数为35％～40％，粒径为0.05～0.002mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数为30％～35％，粒径小于0.002mm的沙粉颗粒在所述沙粉中的质量分数不小于2％。

3.如权利要求1所述沙漠土壤化方法，其特征在于，所述生物质为破碎的原始植物质生物质材料、原始植物质生物质材料经堆肥后生产的植物生物肥料和原始畜牧粪便中的任意一种或多种；优选的，所述生物质为所述破碎的原始植物质生物质材料、所述植物生物肥料和所述原始畜牧粪便的混合物，其中所述破碎的原始植物质生物质材料、所述植物生物肥料和所述原始畜牧粪便三者的干态质量比为100：10～50:0～30。

4.如权利要求1所述沙漠土壤化方法，其特征在于，所述生物质中，85％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过20mm，70％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过10mm，60％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过3mm，30％以上质量分数的生物质的颗粒粒径不超过1mm。

5.如权利要求1所述沙漠土壤化方法，其特征在于，所述生物质炭的中，85％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过5mm，50％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过3mm，25％以上质量分数的生物质炭的颗粒粒径不超过1mm。

6.如权利要求1所述沙漠土壤化方法，其特征在于，该人造类土壤用于铺设在沙漠表层形成人造类土壤层，该人造类土壤层的厚度为100mm～2000mm。

7.如权利要求6所述沙漠土壤化方法，其特征在于，所述人造类土壤层的厚度为400mm～700mm。

8.如权利要求1所述沙漠土壤化方法，其特征在于，所述人造类土壤中还添加化肥，所述化肥的施加量为每亩人造类土壤4公斤～16公斤。