CN105613103A - 一种基于底泥合成人工土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于底泥合成人工土壤的方法。本发明包括底泥、蚯蚓粪、秸秆源碳调节剂、pH调节剂、缓冲剂、微量元素螯合物，其中底泥重量百分比85-95％、蚯蚓粪的重量百分比为5-15％，在一吨的以上两种物质的混合物中加入秸秆源碳调节剂为0.01-2000g、pH调节剂为0.01-1000g、缓冲剂为0.01-1000g、微量元素螯合物为0.01-500g。本发明克服了基质产品的稳定性相对较差的缺陷。本发明利用底泥生产的人工土壤能够有效克服基质性质不够稳定、植物安全性低、环境污染风险大的瓶颈，通过原料配比与发酵，使人工土壤的应用效果始终保持优良，使人工土壤具有成熟土壤相似的容重，能够较好的固定植物的根系，增加人工土壤的持水透气性，协调好植物生长过程中所需的水、肥、气、热等环境因子。

Description

一种基于底泥合成人工土壤的方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化利用领域，特别涉及一种基于底泥合成人工土壤的方法。

背景技术

底泥是一种水体沉积物，是水体营养物质的主要宿体。近些年来，随着我国经济社会的发展和人口的增加，大量的工业废水、生活污水和农业废水排入水体，污水中携带的污染物(重金属、难降解有机物等)和营养物(N、P等)不断积累于河流、湖泊和港湾等水体底泥中，使底泥成了一个潜在而又巨大的内污染源，如果不及时治理，将严重影响水环境质量甚至威胁到人们的日常生活。底泥作为水体的重要组成部分，是粘土、泥沙、有机质及各种矿物的混合物在水体传输的作用下，经过长期的物理、化学及生物的共同作用后，沉积于水体底部而形成的。因此，底泥中富含大量的营养物质，同时它又是多种污染物的蓄积库，它所积累的污染物质可作为二次污染源直接或间接对底栖生物或上覆水生物产生毒害作用，并通过生物富集等过程，进入食物链影响人体健康。由于底泥的释放作用而对河流水质产生二次污染作用，会使得水质恶化。河涌清淤是消除底泥对河道威胁的最直接、最有效的方法。但对疏浚的淤泥不及时加以处理处置，而堆积于河道两侧，不仅占用大量土地资源，而且仍然可能随雨水流失进入河道。一般情况下，污染较轻的底泥占底泥总量的2/3以上，对于污染较轻的底泥的资源化利用尤为重要。最初，底泥利用主要局限于水泥工业方面，后来研究者们开始尝试其在市政、农业方面的利用，从而缓解治理成本、土地资源、生态环境等方面的压力。

在本发明作出之前，目前有基质等农用产品能消耗部分底泥，但是基质产品本身用量不大，对底泥的消耗量很小，而且基质产品的稳定性相对较差，在生产过程中，原料的批次、生产的季节以及不同区域的生产都会对基质产品造成很大的影响。同样配方的基质产品，在一个地方可能会有优良的育苗效果，但在另一个地方就有可能育出次苗、矮小苗，甚至出现死苗等，这也会对移栽后的生长造成不利影响。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种基于底泥合成人工土壤的方法。

本发明的技术方案是：

一种基于底泥合成人工土壤，其主要技术特征在于包括底泥、蚯蚓粪、秸秆源碳调节剂、pH调节剂、缓冲剂、微量元素螯合物，其中底泥重量百分比85-95％、蚯蚓粪的重量百分比为5-15％，在一吨的以上两种物质的混合物中加入秸秆源碳调节剂为0.01-2000g、pH调节剂为0.01-1000g、缓冲剂为0.01-1000g、微量元素螯合物为0.01-500g。

所述底泥中含蚯蚓消解生物质有机固体废弃物产生的蚯蚓粪。

本发明另一技术方案是：

一种基于底泥合成人工土壤的方法，其主要技术特征在于步骤如下：

(1)将底泥、蚯蚓粪按照配方量进行混合，并用力挤压、揉搓，混合均匀；

(2)将步骤(1)中得到的混合物中加入配方量的秸秆源碳调节剂、pH调节剂，在适宜条件下，即温度15-80℃、含水率在40％以上、pH在6-9、C/N比控制在25-32之间，并且适时的翻堆，保证充足的氧气量下进行发酵，发酵天数在30天以上；

(3)在步骤(2)得到的混合物中，将缓冲剂、微量元素螯合物进行混合，并混合均匀，陈化稳定30天以上；

(4)使混合物的含水率达到20-40％之间，团粒开始产生，形成人工土壤。

本发明的优点和效果在于利用底泥生产的人工土壤能够有效克服基质性质不够稳定、植物安全性低、环境污染风险大的瓶颈，人工土壤的性质不会因为原来的批次、季节、地域产生较大的差异，其通过原料配比与发酵，使人工土壤的应用效果始终保持优良。同时，底泥是一种容重较大的物质，通过两种原料的适合配比，可使人工土壤具有成熟土壤相似的容重，能够较好的固定植物的根系，增加人工土壤的持水透气性，协调好植物生长过程中所需的水、肥、气、热等环境因子，能够很好的克服基质发明的弊端。此外，蚯蚓粪中含有大量的有益微生物，能够增加人工土壤的微生物多样性，更加有助于植物的生长及土壤性状的改良。基于底泥和蚯蚓粪为主要材料的人工土壤的配制能够有效解决成熟土壤消耗的问题，且实现固体废弃物的资源化利用途径，减少因废弃物随意堆积、排放引起的环境问题。

本发明还具有以下有益效果：

(1)人工土壤的粒径组成与成熟土壤相似。底泥的含水率一般为50％，其颗粒的大小大部分处于粘粒范围内，蚯蚓粪除富含高品质有机质外，还含有一半以上的矿物质，矿物质部分其粒径处于粉粒和粘粒之间。因此，可以按照成熟土壤中性质最优良的壤土的粒径组成进行两种材料的配比，搭建人工土壤的机械组成，使人工土壤的粒径组成处于壤土范围内，保证人工土壤的保水透气性。

(2)人工土壤的养分组成与成熟土壤相似。底泥中含有一定量的有机质、氮、磷、钾等养分，水溶性养分含量较少，而蚯蚓粪作为一种生物质固体废弃物的生物消解产物，其有机质含量丰富，矿物质养分含量也较多，尤其是氮、磷、钾及其他中、微量营养元素。因此，两种材料在很多性状包括养分组成上可以互补，分别主要充当成熟土壤中的矿物成分和有机成分，使人工土壤中具有成熟土壤所具有的机械组成和养分条件。

(3)人工土壤的微生物较成熟土壤更为丰富。在人工土壤的配制过程中加入的蚯蚓粪，含有大量有益的好养微生物，加上底泥中也含有多种厌氧微生物，而蚯蚓粪作为一种多孔类材料，为微生物的繁殖提供很大的比表面积。因此，人工土壤中不管是微生物的种类还是数量都要比天然成熟土壤更为丰富。

(4)人工土壤具有成熟土壤的缓冲性能。在人工土壤的配制过程中，添加了一定量的缓冲剂，缓冲剂的种类主要为乙酸铵，加上蚯蚓粪巨大的比表面和离子吸附、交换能力，因此在人工土壤陈化稳定后的使用中能够有效地抵抗外界环境的冲击，保持其优良的酸碱度、氧化还原电位、阳离子交换量等指标条件，实现人工土壤的稳定性。

(5)人工土壤的重金属危害性显著降低。在重金属污染的河流中，底泥中重金属含量也会相应地超标，因此在人工土壤的配制中添加一定量的微量元素螯合剂。大量研究表明，蚯蚓粪能有效钝化重金属的活性，降低生物可利用态重金属的含量，同时微量元素螯合剂的加入可通过释放植物微量元素的同时，络合重金属离子使其钝化，抑制固定化重金属转变为活化重金属，是人工土壤的重金属含量保持在使用标准临界值以下。

(6)加强固体废弃物的资源化利用。底泥和蚯蚓粪是河流和生物质废弃物产生的废弃物资源，近年来关于底泥和蚯蚓粪的资源化利用途径也进行了不同领域的研究，但是其资源化利用水平与国外相差甚远，且利用途径中的消解量也受到制约。本发明将两种废弃物综合起来利用，不仅能提供两种废弃物资源新的利用途径，而且能大量消解两种废弃物，提供了其有效资源化利用的去向。

本发明的其它具体的优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本发明涉及的人造土中不同添加比例蚯蚓粪对小白菜株高的影响示意图。

图2——本发明涉及的人造土中不同添加比例蚯蚓粪对小白菜叶硝酸盐的影响示意图。注：竖向字母不同者表示差异达显著水平(P＜0.05)。

图3——本发明不同配比人造土对小白菜幼苗生长的影响示意图。

具体实施方式

本发明的技术思路是：

以底泥和蚯蚓粪为主要材料的人工土壤的制备技术，将矿物质相对含量较高的底泥与有机质相对含量较高的蚯蚓粪为基础材料，添加有机碳含量较高的秸秆，同时配以一定量的pH调节剂、缓冲剂、微量元素螯合剂，使其充分混合，最终形成与成熟土壤性质类似、效果优良的人工土壤。

其可行性表现在以下几个方面：

(1)理论上可行

人工土壤的配制严格按照成熟土壤的物理学、化学、生物学性质进行配比，并经过一定条件下的发酵稳定，使最终的发酵产物具有成熟壤土的粒径组成、养分含量(有机养分和矿物养分)、缓冲性能(抵抗因外界环境变化而造成性质的改变)、微生物组成(微生物种类多)，且蚯蚓粪和微量元素螯合剂的加入有效减少重金属污染较为严重底泥的危害，使人工土壤成为一种安全环保的新材料。因此，这些性质的实现在理论上是可行的

(2)实践上可行

针对人工土壤的研究已经进行了前期的实验室试验，在试验过程中，材料来源广泛，主要是利用废弃物资源，制作工艺简单，无需提供相对较多的动力因子。再经过1个月的发酵和1个月的陈化稳定后，通过种植小白菜植物已经验证了人工土壤的效果，小白菜长势情况良好，根系发达，人工土壤的效果已经得到初步的验证。在大规模的生产中，底泥和蚯蚓粪材料廉价亦得，生产设备、发酵条件均容易满足，因此在实践过程中的应用也是可行的。

下面具体说明本发明：

包括底泥、蚯蚓粪、秸秆源碳调节剂、pH调节剂、缓冲剂、微量元素螯合物，其中底泥重量百分比85-95％、蚯蚓粪的重量比为5-15％，在一吨的以上两种物质的混合物中加入秸秆源碳调节剂为0.01-2000g、pH调节剂为0.01-1000g、缓冲剂为0.01-1000g、微量元素螯合物为0.01-500g。

上述人工土壤的制备方法，包括如下步骤：

(1)将底泥、蚯蚓粪按照配方量进行混合，并用力挤压、揉搓，混合均匀；

(2)将步骤(1)中得到的混合物中加入配方量的秸秆源碳调节剂、pH调节剂，在适宜条件下，即在温度15-80℃、含水率在40％以上、pH在6-9、C/N比控制在25-32之间，并且适时的翻堆，保证充足的氧气量下进行发酵，发酵天数在30天以上；

(3)在步骤(2)得到的混合物中，将缓冲剂、微量元素螯合物进行混合，并混合均匀，陈化稳定30天以上；

(4)使混合物的含水率达到20-40％之间，团粒开始产生，形成与成熟土壤理、化、生性质相似的人工土壤。

进而，使人工土壤的粒径组成在壤土的粒径组成范围内。

实施例1：

底泥重量百分比90％、蚯蚓粪的重量百分比为10％，在一吨的以上两种物质的混合物中加入秸秆源碳调节剂为200g、pH调节剂为0.05g、缓冲剂为0.80g、微量元素螯合物为20g。

实施例2：

底泥重量百分比95％、蚯蚓粪的重量百分比为5％，在一吨的以上两种物质的混合物中加入秸秆源碳调节剂为1000g、pH调节剂为200g、缓冲剂为250g、微量元素螯合物为50g。

实施例3：

底泥重量百分比85％、蚯蚓粪的重量百分比为15％，在一吨的以上两种物质的混合物中加入秸秆源碳调节剂为1000g、pH调节剂为200g、缓冲剂为250g、微量元素螯合物为50g。

利用太湖底泥与蚯蚓粪按一定比例混合，添加一定量的秸秆源碳调节剂、pH调节剂、缓冲剂、微量元素螯合物等辅助材料，培养、熟化稳定，改良底泥物理、化学性质，平衡其养分含量，充分发挥底泥中的营养成分和蚯蚓粪促进土壤团粒形成的特殊功能，不同比例混合培养、稳定后形成新的人造土壤，使得其养分浓度普遍得到提高与优化，结构、容重等得到改善。人造土壤既可以就地使用，也可以作为一种特殊商品进入市场流通领域，作为市政绿化、污染土壤客土改良，或应用于林业、草业等实际生产中。

1材料与方法

试验于2014年6-12月在扬州大学环境科学与工程学院盆栽试验场进行。

1.1试验材料

供试底泥：取自太湖水体黑色浮泥层的底泥，简称黑底泥。黑底泥有机质含量为168.96g/kg、硝态氮4.18mg/kg、铵态氮9.88mg/kg、速效磷6.56mg/kg、速效钾183.24mg/kg，pH6.9，电导率152.3μS/cm。

供试蚯蚓粪：取自扬州大学奶牛场蚯蚓养殖基地，为牛粪蚓粪，其有机质含量为418.55g/kg，全氮39.55g/kg，全磷14.86g/kg，硝态氮2364.1mg/kg、铵态氮144.1mg/kg、速效磷1541.2mg/kg、速效钾1646.8mg/kg，pH6.6，电导率124.5μS/cm。

供试作物：小白菜，品种为“四月慢”。

培养盆钵：为上口长17cm、宽10cm、高7cm的塑料花盆。

1.2试验设计

试验设五个处理，蚯蚓粪的添加量(按重量计算)分别为(底泥+蚯蚓粪)混合物的5％、10％、15％、20％，以不加蚓粪的自然底泥为对照(CK)，各处理重复3次。每盆装混合物1kg，备用。

于10月30日播种，每盆播种50粒，薄层覆盖后定量浇水，保持土壤湿润，置于日光下培养，试验期间根据实际情况适量补水，维持水分条件一致。11月7日采样，进行生物量测定与根系扫描分析，11月30日采收，对植株叶片进行叶绿素含量与养分含量测定。

1.3测定项目与方法

1.3.1人造土理化性质

pH∶水土比5∶1，pH计法；电导率∶水土比5∶1，电导计测定；铵氮：KCI浸提，靛酚蓝比色法；硝氮：KCI浸提，紫外分光光度法；速效磷：0.5mol·L^-1NaHCO₃浸提，钼蓝比色法；速效钾：1.0mol·L^-1NH₄OAc浸提，火焰光度法；有机质：重铬酸钾容量法-外加热法。

1.3.2作物生物量

小白菜生长一周后，各处理采样(三株)后用称重法测量鲜重(包括新长成的幼枝和根系)，进行差异性分析。

1.3.3根系参数

小白菜生长一周后，各处理采样后用流水冲洗小白菜根系，采用数字化扫描仪(STD1600EpsonUSA)进行扫描，借助于配套的WinRHIZO(Version5.0a)根系分析系统(WinRhizoRegentInstruments，Canada)分析根长、根表面积、根体积、根尖数等根系参数。单株测量，进行差异性分析。

1.3.4茎叶营养生理指标

叶片叶绿素含量：小白菜生长30天后，取一定量的叶片，用95％乙醇溶液40℃浸提，测定665nm、649nm、470nm处吸光度，计算叶绿素a、叶绿素b以及胡萝卜素含量。

叶片全氮、全磷、全钾含量：小白菜生长30天后，，称取一定量的叶片鲜样，硫酸一双氧水消煮后，分别采用靛酚蓝比色法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定全氮、全磷和全钾含量。

2结果与分析

2.1不同处理人造土的部分化学性质

添加不同比例蚯蚓粪处理人造土的部分化学性质如表1所示。从表中数据可以看出，与自然底泥(对照)相比，添加蚯蚓粪后人造土pH没有明显变化，保持在中性左右，能为植物生长提供有利的环境条件。电导率、有机质、硝态氮和速效磷含量随着蚯蚓粪添加量的增加，与对照相比出现了显著(P＜0.05)的增加。在一定范围内，蚯蚓粪的添加会给小白菜的生长提供良好的环境条件。试验中人造土铵态氮和速效钾的含量随着蚯蚓粪的加入并没有出现显著的变化。

表1添加蚯蚓粪对人造土部分化学性质的影响

注：竖向字母不同者表示差异达显著水平(P＜0.05)。

2.2不同处理人造土上小白菜的根系形态特征

表2列出生长一周后小白菜根系的一些特征参数。从中可以看出，人造土中随着蚯蚓粪添加比例的提高，根长、根尖数、根系面积、根体积、平均根直径均呈现出一定的增长趋势。根尖数、根长、根体积、根表面积都是添加10％的处理最大，进一步添加蚯蚓粪使这些特征参数呈现降低的趋势。平均根直径的大小随着蚓粪添加量的增加处理间差异不明显，但都显著高于对照。

表2不同处理人造土上小白菜根系特征参数

注：竖向字母不同者表示差异达显著水平(P＜0.05)。

2.3不同处理人造土上小白菜地上部株高及硝酸盐含量

人造土中蚯蚓粪添加比例对小白菜地上部株高及硝酸盐含量的影响结果见图1和图2(略)。图1为各处理生长一周后小白菜的株高，5％、10％两处理显著大于对照，并在蚯蚓粪添加量达到10％时株高达到最大，然而随着蚯蚓粪添加比例的不断提高，小白菜株高的增加幅度回落，T4处理的株高甚至出现显著低于对照的现象(P＜0.05)。从小白菜株高的测量结果同样可以看出，过多地添加蚯蚓粪反而会抑制作物的生长。图2比较各处理小白菜叶片里硝酸盐的含量，可以看出，除了5％蚯蚓粪添加量处理下的小白菜硝态氮含量比对照小白菜硝态氮含量低之外，小白菜的硝态氮含量随着蚓粪含量的增加不断提高，说明蚯蚓粪的过度添加会导致小白菜体内硝态氮积累。根据蔬菜中硝酸盐含量低于432mg/kg，允许生食；432～785mg/kg，不宜生食；785～1440mg/kg，生食和盐渍均不宜；1440～3100mg/kg，不允许熟食。从这个标准来看，添加5％和10％蚓粪时硝酸盐含量不超标，但蚯蚓粪添加量达到15％和20％时则导致小白菜硝态氮含量超标。

2.4不同处理人造土上小白菜种子的发芽和幼苗生长量

人造土中蚯蚓粪添加比例在一定范围内对小白菜的发芽率并没有显著的影响(表3)，然而当蚯蚓粪添加比例达到一定水平后小白菜的发芽率降低，可能是由于蚯蚓粪含有较高浓度的盐分，对小白菜种子发芽产生了一定的渗透胁迫。从表3中的数据还可以看出，各处理小白菜在根重和茎叶重方面都是随着蚯蚓粪添加比例的提高呈现先增后减的趋势，而且部分处理间存在显著性差异。综合来看，处理T2的根重茎叶重及总生物量达到最大且显著高于其他各处理(图3)。

表3人造土中添加蚯蚓粪对小白菜种子发芽和幼苗生长量的影响

注：竖向字母不同者表示差异达显著水平(P＜0.05)。

2.5不同处理人造土上小白菜叶片叶绿素含量及N、P、K养分含量

小白菜的叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量(表4)均随着人造土中蚯蚓粪添加比例的增加呈现增加的趋势，不过不是蚓粪添加量越高增加得越多，而是在T1、T2处理时达到相对最大且与对照差异显著(P＜0.05)，T3，T4处理反而出现了叶绿素的小幅度减少。说明蚯蚓粪添加比例为T1、T2的处理最有利于叶绿素和类胡萝卜素的合成，有利于小白菜生长，过多的蚓粪可能会产生一定的盐害胁迫，不利于小白菜幼苗生长和叶绿素含量的提高。叶片中全氮含量与叶绿素含量的变化表现出相同的趋势。随着蚯蚓粪添加比例的提高，叶片全磷含量表现出先增加后减少的趋势。随着蚓粪添加量的增加，各处理小白菜叶片中全钾含量有所增加，其中T1，T2与对照不存在显著性差异，T3，T4与对照存在显著差异。

表4不同添加比例蚯蚓粪对小白菜叶片叶绿素含量及N、P、K含量的影响

注：竖向字母不同者表示差异达显著水平(P＜0.05)。

Claims (3)

1.一种基于底泥合成人工土壤，其特征在于包括底泥、蚯蚓粪、秸秆源碳调节剂、pH调节剂、缓冲剂、微量元素螯合物，其中底泥重量百分比85-95％，蚯蚓粪的重量百分比为5-15％，在一吨底泥、蚯蚓粪的混合物中加入秸秆源碳调节剂为0.01-2000g、pH调节剂为0.01-1000g、缓冲剂为0.01-1000g、微量元素螯合物为0.01-500g。

2.根据权利要求1所述的一种基于底泥合成人工土壤，其特征在于所述蚯蚓粪为蚯蚓消解生物质有机固体废弃物产生的蚯蚓粪。

3.根据上述一种基于底泥合成人工土壤的方法，其特征在于步骤如下：

(1)将底泥、蚯蚓粪按照配方量进行混合，并用力挤压、揉搓，混合均匀；

(2)将步骤(1)中得到的混合物中加入配方量的秸秆源碳调节剂、pH调节剂，在适宜条件下，即温度15-80℃、含水率在40％以上、pH在6-9、C/N比控制在25-32之间，并且适时的翻堆，保证充足的氧气量下进行发酵，发酵天数在30天以上；

(3)在步骤(2)得到的混合物中，将缓冲剂、微量元素螯合物进行混合，并混合均匀，陈化稳定30天以上；

(4)使混合物的含水率达到20-40％之间，团粒开始产生，形成人工土壤。