CN106010543A - 一种利用蒙脱石改良酸性土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，即将蒙脱石粉施加到酸性土壤中并混合均匀形成混匀土壤，再将混匀土壤于露天环境下静置，直至混匀土壤的pH值稳定。本发明具有土壤改性质量稳定、无二次污染等优点，能有效地改良酸性土壤，使之适宜耕种。

Description

一种利用蒙脱石改良酸性土壤的方法

技术领域

本发明属于土壤改良及环境保护领域，具体涉及一种利用蒙脱石改良酸性土壤的方法。

背景技术

土地资源的可持续利用是整个经济社会发展的基础，是农业可持续发展中的重要内容之一。我国是一个人口大国，本就人多地少，突出的人地矛盾问题更加剧人们对土壤的超负荷使用、滥用，加速了土壤的退化。酸化是土壤退化重要的一方面，土壤酸化会导致土壤中营养元素流失,威胁农业生态环境，降低土壤肥力水平，造成农作物减产 20%以及农产品品质下降；还会增加金属和重金属化合物在土壤中的溶解度，从而加大重金属元素对环境的危害。

土壤酸化是指土壤中氢离子增加或是土壤酸度由低变高的过程，它是一个持续不断发生的自然过程。虽然在自然条件下土壤也会发生酸化过程，但自然条件下的酸化进程非常缓慢，需要几百万年，而在人为活动的影响下，酸化进程大大加剧，约30年时间就会使土壤pH下降一个单位。有研究表明 ，酸沉降仅为人为活动影响的1/100—1/10，可见土壤的酸化主要是由人为因素造成的。

近年来，随着人为活动的影响逐渐加大，尤其是南方高温多雨的气候，土壤酸化越发严重。不只是红壤酸化现象严重，已有研究表明，重庆的紫色土也已逐渐呈酸化趋势且正在加剧。影响土壤酸化的人为因素主要有两方面，一是酸性气体的大量排放如二氧化硫、氮氧化物等气体，经干沉降渗入地表或经化学反应形成强酸随雨水下降形成酸雨，导致酸沉降的增加；二是不当的农业措施——如大量的化肥施入及不当的施肥方式、豆科作物的种植以及作物的收获会带走土壤中的碱性物质等，使得土壤酸度增加。据统计，自上世纪八十年代到现在，我国酸化的土地面积已经扩大到我国耕地面积的4%以上，90%农田土壤发生了不同程度的酸化现象，南方红壤和黄壤的pH 值长期处于偏低水平，酸化程度呈加深趋势。而北方分布较广的具有较高CaCO₃含量的潮土虽然在一定程度上能够减缓土壤酸化的进程，但目前也已经呈现显著的酸化趋势。酸化的土壤不仅造成农产品数量和质量下降，还威胁农业生态环境和全球生态环境。

对酸性土壤的传统改良方法是施加石灰或熟石灰等，但这种方法有较明显的缺点，即不能从根本上使酸性土壤得到改善，而且还伴有副反应如复酸化严重且较之前酸化更甚，并仍伴有板结现象发生，对改良剂依赖性也越来越大。长期或大量使用石灰会引起土壤板结，这反而会使土壤易发生复酸化且程度会加强，此外，还会引起土壤中钙、镁、钾等元素平衡失调而致作物减产。有人以白云石为主原料，方解石及菱镁矿为辅按一定比例混合制作碱性物料，但是不足的是该碱性物料的制备较复杂，需要在工业炉窑内煅烧，因而普及有一定的局限性。另有一些用工业废弃物中的钙镁泥作为酸性土壤改良剂，但不足的是该方法会导致土壤污染；而活性炭、草木灰、尿素、过磷酸钙按适量的比例混合作改良剂的方法，更多的是对土壤养分的改善，而不是针对酸化。

基于目前土壤酸化改良方面存在的方法措施不足，对土壤改良剂的选择变得十分关键，寻找能从根本上改变土壤酸化的方法迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种土壤改性质量稳定、无二次污染的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，将蒙脱石粉施加到酸性土壤中并混合均匀。

该方法具体包括以下步骤：

1）测定待改性的酸性土壤的pH值来确定是否加入蒙脱石粉；再根据改性后土壤的目标pH值以及蒙脱石粉加入量曲线来确定蒙脱石粉加入量。

2）根据步骤1）确定的蒙脱石粉加入量，向待改性的酸性土壤中加入蒙脱石粉并充分混合，形成混匀土壤。

3）将混匀土壤于露天环境下静置，以使混匀土壤中的蒙脱石粉与酸性物质反应充分，直至pH值稳定在5.5 ~ 6.5 （微酸性范围），得到改性土壤。

其中，所述蒙脱石粉为钙基蒙脱石粉，其粒径为50~1000 nm、纯度为≥ 90%。

本方法针对的待改性的酸性土壤的pH值为4.0 ~ 5.2，过高或过低均改良效果不明显，且pH值过低时蒙脱石投入量太大几乎与土壤相当，成本过高。

所述的待改性的酸性土壤为自地表向下厚度20cm以内的耕层土壤，这是因为农作物的根系通常向下生长的深度不会超过20cm，改性后的土壤满足其生长需求即可，过深则造成资源的浪费。

所述的混匀土壤的持水量为60 ~ 70%。合理的持水量可以使改良剂与土壤矿物相互作用，该范围有利于各反应的发生及微生物作用的进行，蒙脱石的加入直接增加了土壤中黏土矿物含量及盐基离子组分，另其强吸附能力及离子交换能力，能大量吸附包括H⁺、NH₄ ⁺等阳离子，从而使得酸性阳离子被固定在蒙脱石的矿物中，从而达到土壤pH升高的目的，最终使改性土壤适宜耕种。混匀土壤的持水量为60 ~ 70%时，更有利于土壤中各反应的发生及微生物作用的进行，尤其是持水量为60%时，效果最好。

蒙脱石粉的最佳加入量为10%，且≥8%投加量时土壤比表面积及电荷密度呈指数式上涨。经综合比较，10%加入量时为最佳。

当待改性的酸性土壤为黄壤时，所述的蒙脱石粉加入量曲线的方程为y=6.8618x+ 5.2738；当待改性的酸性土壤为红壤时，所述的蒙脱石粉加入量曲线的方程为y=8.0132x+ 4.3275；其中，x为加入的蒙脱石粉占混匀土壤质量的质量分数，y为改性后土壤的目标pH值。

我国南方降雨量大温度高，雨热同期,故风化、淋融作用强烈,盐基高度不饱和,因而导致大部分土壤为可变电荷土壤。而层状硅酸盐矿物主要带恒电荷,氧化物和腐殖质以及1：1型层状硅酸盐矿物则主要带可变电荷。层状硅酸盐是土壤粘粒的主要矿物成分,其基本结构单元是硅氧四面体和铝氧八面体,通过氧的连接形成片状和层状结构。四面体或八面体的中心离子产生同晶替代后,会产生永久电荷。

层状硅酸盐矿物根据硅氧四面体和铝氧八面体的组合方式可分为1:1型和2:1型两种。蒙脱石即2:1型层状硅酸盐矿物,单位片层的暴露基面是硅氧烷基型表面,所以其主要电荷来源于中心离子的同晶代换作用,并产生永久电荷。1:1型层状硅酸盐矿物如高岭石,只有一半为硅氧烷基型表面,另一半为羟基型表面,这样的晶体结构导致该矿物可同时含有永久电荷和可变电荷,主要分布在热带亚热带地区，该区域也是酸性土壤广泛分布区域。因此酸性土壤中施加蒙脱石矿物，即改变土壤电荷组成。

蒙脱石具有很高的比表面积和电荷密度，因而将其投入到土壤中可改变土壤的表面电化学性质。土壤之所以具有最基本的供应植物营养元素的功能,正是由于这些独特的电化学性质,因而土壤具有供应、保持肥力和营养的能力。而前人对酸性土壤的改良多直接集中在此点上，有人在研究的过程中发现过蒙脱石的这一特点，但欠缺深入的研究。

本发明的原理是基于土壤的组成及理化性质。首先，土壤的主要组成物质是土壤中的矿物,它们构成了土壤的“骨骼”，与有机质共同组成了土壤的固态部分。粘土矿物是土壤矿物中对土壤性质影响较大的部分,而蒙脱石就是粘土矿物的一种,以约占粘土矿物40%的含量在土壤中分布广泛,因此其在土壤组成成分中占有重要地位。其次，蒙脱石因其2:1型矿物结构而具有很强的离子交换和吸附能力。因此随着蒙脱石的加入,直接导致了土壤的粘土矿物组成发生变化,蒙脱石的强吸附能力及离子交换能力,导致阳离子(包括H⁺、NH^{4 +})被大量吸附,从而使得酸性阳离子被固定在蒙脱石的矿物中,导致土壤酸度下降；再者,本实验使用的蒙脱石为Ca+基蒙脱石,Ca²⁺是一种弱碱离子,Ca²⁺交换到土壤中也将使土壤酸性降低。蒙脱石本身是常见的黏土矿物之一，它改良酸性土壤利用的是其作为矿物的特性，添加蒙脱石增加了酸性土壤中矿物成分，改善土壤矿物组分结构而使土壤质量得到提高。本发明从根本上改变土壤酸化状况，改良后无副反应，不会引起土壤复酸化。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、反应稳定，无复酸化现象。本发明使土壤矿物质与蒙脱石粉末接触，充分发挥钙基蒙脱石的矿物特性，通过电位平衡发生离子交换、吸附等反应，为土壤提供大量的钙离子以补充酸性土壤中低含量的盐基离子，土壤将维持一种电离平衡状态，使蒙脱石的改良效果持续有效。

2、反应完成后不会产生二次污染。本发明所使用的蒙脱石本就是土壤矿物的一种，将其添加至土壤中，并未改变土壤的组成而只是增加了土壤的矿物成分。待反应完成后，不仅降低了土壤的潜性酸度，使土壤pH升高，还在改善土壤质量的同时，减轻了酸性土壤中硝化作用的危害。

3、蒙脱石的添加能从根本上改善土壤质量，它是通过增加了作为土壤框架“骨骼”的矿物质含量而使土壤质量得到改善而不是针对酸性土壤养分等表面的改善。

附图说明

图1为待改性的酸性土壤为红壤时的蒙脱石粉加入量曲线；

图2为待改性的酸性土壤为黄壤时的蒙脱石粉加入量曲线；

图3为实施例三的土壤净硝化速率变化对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，具体实验以采自江西省鹰潭市的酸性红壤为例进行研究，具体步骤如下：

1）测定该酸性土壤的pH值4.2，并分成6份，分别初步确定每份样品的目标pH值；

2）根据步骤1）测定的酸性土壤的pH值，分别向每份酸性土壤中加入蒙脱石粉并充分混合，形成混匀土壤；其中，加入的蒙脱石粉的重量分别占混匀土壤重量的0%、4%、6%、8%、10%和12%。所述蒙脱石粉为钙基蒙脱石粉，其粒径为50~1000 nm、纯度为≥ 90%。

3）将混匀土壤于露天环境下静置，并使其持水量为60%，以使二者混匀土壤反应充分，直至pH值不再变化，即得到改性土壤。

将上述6份改性土壤的pH为y轴、加入的蒙脱石粉占混匀土壤质量的质量分数为x轴来拟合待改性的酸性土壤为红壤时的蒙脱石粉加入量曲线，如图1所示，该曲线的方程为y=8.0132x + 4.3275，R²= 0.96574。

在针对红壤利用本发明进行改良时，在步骤1）中应当根据测定的呈酸性的红壤的pH值、改性后土壤的目标pH值以及蒙脱石粉加入量曲线来确定蒙脱石粉的加入量，这样可以精确地得到改性土壤，减少资源的浪费。

从图1和曲线方程可知，蒙脱石粉的最佳加入量为10%，且≥8%投加量时土壤比表面积及电荷密度呈指数式上涨。经综合比较，10%加入量时为最佳。

实施例二

利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，具体实验以采自重庆市北碚区缙云山的黄壤为例进行研究，具体步骤如下：

1）测定该酸性土壤的pH值5.2，并分成6份，分别初步确定每份样品的目标pH值；

2）根据步骤1）测定的酸性土壤的pH值，分别向每份酸性土壤中加入蒙脱石粉并充分混合，形成混匀土壤；其中，加入的蒙脱石粉的重量分别占混匀土壤重量的0%、4%、6%、8%、10%和12%。所述蒙脱石粉为钙基蒙脱石粉，其粒径为50~1000 nm、纯度为≥ 90%。

3）将混匀土壤于露天环境下静置，并使其持水量为60%，以使二者混匀土壤反应充分，直至pH值不再变化，即得到改性土壤。

将上述6份改性土壤的pH为y轴、加入的蒙脱石粉占混匀土壤质量的质量分数为x轴来拟合待改性的酸性土壤为黄壤时的蒙脱石粉加入量曲线，如图2所示，该曲线的方程为y=6.8618x + 5.2738，R²= 0.96764。

在针对黄壤利用本发明进行改良时，在步骤1）中应当根据测定的呈酸性的黄壤的pH值、改性后土壤的目标pH值以及蒙脱石粉加入量曲线来确定蒙脱石粉的加入量，这样可以精确地得到改性土壤，减少资源的浪费。

从图2和曲线方程可知，蒙脱石粉的最佳加入量为10%，且≥8%投加量时土壤比表面积及电荷密度呈指数式上涨。经综合比较，10%加入量时为最佳。

实施例三

将pH值为5.2的酸性土壤分成5份，其中1份作为参考样；取2份分别加入Ca(OH)₂和钙基蒙脱石粉，将其pH值调至5.7；取另外2份分别加入Ca(OH)₂和钙基蒙脱石粉，将其pH值调至6.2。再分别测定相应土壤的净硝化速率，并比较以上试样的土壤净硝化速率的变化情况，如图3所示。

显然当将酸性土壤调至同一个pH时，加入Ca(OH)₂的土壤的净硝化速率明显大于加入钙基蒙脱石粉的土壤，说明前者复酸化能力较后者强，因此用蒙脱石改良酸性土壤不但具有可行性且无复酸化现象发生或无明显复酸化现象发生，能持续有效改善酸性土壤。

本发明的原理是基于土壤的组成及理化性质。首先，土壤的主要组成物质是土壤中的矿物,它们构成了土壤的“骨骼”，与有机质共同组成了土壤的固态部分。粘土矿物是土壤矿物中对土壤性质影响较大的部分,而蒙脱石就是粘土矿物的一种,以约占粘土矿物40%的含量在土壤中分布广泛,因此其在土壤组成成分中占有重要地位。其次，蒙脱石因其2:1型矿物结构而具有很强的离子交换和吸附能力。因此随着蒙脱石的加入,直接导致了土壤的粘土矿物组成发生变化,蒙脱石的强吸附能力及离子交换能力,导致阳离子(包括H⁺、NH^{4 +})被大量吸附,从而使得酸性阳离子被固定在蒙脱石的矿物中,导致土壤酸度下降；再者,本实验使用的蒙脱石为钙基蒙脱石粉,Ca²⁺是一种弱碱离子,Ca²⁺交换到土壤中也将使土壤酸性降低。

本发明实施方式中碳酸钙的施用仅用于对比说明蒙脱石环保且持久有效的改良效果，已有很多研究表明碳酸钙的高成本副作用性。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，将蒙脱石粉施加到待改性的酸性土壤中并混合均匀形成混匀土壤，再将混匀土壤于露天环境下静置，直至混匀土壤的pH值稳定。

2.根据权利要求1所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）测定待改性的酸性土壤的pH值来确定是否加入蒙脱石粉；再根据改性后土壤的目标pH值以及蒙脱石粉加入量曲线来确定蒙脱石粉加入量；

2）根据步骤1）确定的蒙脱石粉加入量，向待改性的酸性土壤中加入蒙脱石粉并充分混合，形成混匀土壤；

3）将混匀土壤于露天环境下静置，以使混匀土壤反应充分，直至pH值稳定，即得到改性土壤。

3.根据权利要求2所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，所述蒙脱石粉为钙基蒙脱石粉，其粒径为50~1000 nm、纯度为≥ 90%。

4.根据权利要求2所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，所述的待改性的酸性土壤的pH值为4.0 ~ 5.2。

5.根据权利要求2所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，所述的混匀土壤的持水量为60 ~ 70%。

6.根据权利要求2所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，步骤2）中加入的蒙脱石粉的重量占混匀土壤重量的3 ~ 12%。

7.根据权利要求6所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，加入的蒙脱石粉的重量占混匀土壤重量的10%。

8.根据权利要求1所述的利用蒙脱石改良酸性土壤的方法，其特征在于，当待改性的酸性土壤为黄壤时，所述的蒙脱石粉加入量曲线的方程为y=6.8618x + 5.2738；当待改性的酸性土壤为红壤时，所述的蒙脱石粉加入量曲线的方程为y=8.0132x + 4.3275；

其中，x为加入的蒙脱石粉占混匀土壤质量的质量分数，y为改性后土壤的目标pH值。