CN107509406A - 一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法 - Google Patents

一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法，是将拟复垦工矿废弃地的表土剥离，底土上铺设掺有尿素和秸秆腐熟剂的秸秆，用掺入腐熟农家肥和硝基腐植酸的表土覆盖并压实，喷施微生物菌剂后种植绿肥作物，收割后翻压还田，再进行玉米与高粱作物的轮作并秸秆还田。以在较短时间内提高土壤有机碳含量，改善土壤理化性状，增加土壤肥力。本发明方法能快速提高土壤含碳量，改善土壤理化性状，增加土壤肥力，对促进工矿区土地复垦和生态恢复具有重要意义。

Description

一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法
技术领域
本发明属于土地复垦与土壤改良技术领域，涉及一种提高土壤固碳能力的方法，特别是涉及一种适合于黄土高原工矿废弃地土壤的固碳能力快速提高方法。
背景技术
土壤是陆地生态系统的重要组成部分。作为地表生态系统中最活跃的碳库之一，土壤碳库2倍于大气碳库，是温室气体的重要释放源，也是重要的吸收汇。提高土壤的固碳能力，对于降低大气二氧化碳浓度、控制温室效应具有重要意义。
我国矿区破坏土地面积已达200万公顷，且仍以每年4万公顷的速度递增。工矿区土地沉陷、压占或者弃耕现象严重，土壤肥力低下，加之土壤扰动过程中表层土壤原有有机碳的80%被矿化分解，土壤有机碳储量极低，仅为正常农田的40～60%。因此，工矿区土壤碳储量具有更高的潜力。
CN 102550162A公开了一种增加干旱荒漠区土壤固碳能力的快速方法，其有效利用田间杂草猪毛菜，通过人工措施直接将猪毛菜的地上有机碳部分固定到地下，同时通过其植株分解，改善胡杨根系生长的土壤环境，加速胡杨的根系发育，从而达到增加地下土壤有机碳的目的。CN 103155776A提供了一种通过种植、收割和填埋速生草本植物实现固碳的方法，其选用速生草本植物、速生藻类、地衣或苔藓等植物，通过种植、收割、干燥、填埋、覆土等步骤，提高土壤的固碳量。CN 103125164A涉及一种有机肥增加土壤固碳能力的方法，通过给土壤施用有机肥，以增加土壤固碳能力，抑制有机化合物分解成CO2，从而降低温室效应。CN 102986435A则提供了一种利用根茎萌蘖提高干旱荒漠区固碳量的方法，利用植物根茎萌蘖、断根萌蘖快速增加地表植被覆盖，增强植物对无机碳的固定，具体是人工条播罗布麻、骆驼刺和铃铛刺种子，人工补水促进种子萌发并复壮幼苗，通过对其及周边深根系植物胡杨、柽柳及梭梭进行断根萌蘖，有效促进植物幼苗生长，迅速增加地表植被覆盖，进而利用植物光合作用吸收固定大气中的CO2，达到有效增加土壤碳固存的目的。
然而，上述各种提高土壤固碳能力的方法均是基于非工矿区开展的，没有在工矿废弃地土壤上使用、快速提高矿区土壤固碳能力的技术或专利报道。另外，现有提高土壤固碳能力的方法和技术采用的措施一般较为单一，无法利用各种增碳措施的叠加效应，技术改进空间仍然很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法，以在较短时间内提高土壤有机碳含量，改善土壤理化性状，增加土壤肥力。
本发明所述快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法具体包括以下内容：
将拟复垦工矿废弃地的表土剥离，掺入腐熟农家肥和硝基腐植酸，混合均匀得到预处理表土；
在剥离表土后的底土上铺设粉碎的秸秆，并在秸秆上施用尿素和秸秆腐熟剂；
将预处理表土撒施在粉碎的秸秆上，压实；
在压实的地表上喷施微生物菌剂；
种植绿肥作物，收割后翻压还田；
实行玉米与高粱的轮作模式，收获籽粒后的玉米或高粱秸秆还田。
作为本发明方法的一种优选方案，所述在底土上铺设秸秆和撒施预处理表土的过程分两步进行，即在剥离表土后的底土上铺设粉碎的秸秆，并施用尿素和秸秆腐熟剂后，撒施上1/2的预处理表土，压实，再铺设一层粉碎的秸秆，施用尿素和秸秆腐熟剂，撒施剩余1/2的预处理表土，压实。
其中，所述粉碎的秸秆可以是玉米秸秆或高粱秸秆，本发明将秸秆粉碎至长度不超过10cm。
进而，本发明在秸秆上施用尿素和秸秆腐熟剂的用量为亩均施用5～10Kg尿素和2～4Kg秸秆腐熟剂，其目的是调节碳氮比、加快秸秆的腐烂。
更进一步地，在轮作模式中产生的玉米或高粱秸秆还田时，也可以使用适量的秸秆腐熟剂以加快秸秆的腐烂。
本发明使用的秸秆腐熟剂优选为四壮秸秆腐熟剂，产自于河北众邦生物技术有限公司。
本发明方法中，所述表土的剥离厚度一般为20～30cm。
本发明将剥离的表土掺入腐熟农家肥和硝基腐植酸后就近堆放，堆放时以覆盖物遮盖表面，防止土壤养分流失。
其中，所使用的腐熟农家肥是腐熟的牛粪、鸡粪、猪粪、羊粪中的一种，或几种的混合物。
所述的硝基腐植酸是利用风化煤通过硝酸氧化生产而成，本发明优选采用山西绿能新动力环保科技有限公司生产的硝基腐殖酸。
本发明中所述剥离的表土与腐熟农家肥和硝基腐植酸的混合质量比为1500∶10～30∶1～5。按照上述比例，腐熟农家肥的每亩用量为1000～3000Kg，硝基腐植酸的每亩用量为100～500Kg。
本发明在压实的地表上喷施的微生物菌剂为固氮菌、解磷菌和解钾菌的复合菌剂，喷施微生物菌剂后，应保持地表适宜的土壤湿度，以使微生物菌剂能够与土壤充分反应。
本发明所种植的绿肥作物可以是紫花苜蓿或毛苕子。
优选地，本发明还可以在种植绿肥作物之前，先在地表上撒施化肥，翻耕后种植绿肥作物。
本发明所述玉米和高粱的轮作模式可以是先种植玉米，再种植高粱，也可以是先种植高粱，再种植玉米。
本发明针对我国矿区土壤存在的问题，经过多年对工矿废弃地土壤固碳技术和固碳潜力的研究，提出了快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法，能够在短时间内提高土壤有机碳含量，改善土壤理化性状，增加土壤肥力，对提高我国工矿区土壤固碳能力、降低二氧化碳浓度和温室气体效应、改善生态环境具有重要意义。
本发明提供的快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法采用表土剥离、底土填埋秸秆、农家肥与硝基腐植酸分层混施、喷施微生物菌剂、作物轮作等措施，在提高土壤固碳能力的同时，兼顾长期效益与短期效益的关系、兼顾经济效益与生态效益的关系，易于在我国黄土高原矿区推广，应用价值较高。
工矿废弃地土壤复垦后，土壤肥力低下，有机碳含量低，本发明在种植前一年将秸秆填埋在剥离后的底土中，通过施用尿素调节碳氮比，同时使用秸秆腐熟剂，加快了秸秆腐熟，提高了土壤的有机碳含量，改善了土壤物理性状。
进而，将腐熟的农家肥、硝基腐植酸分层施入土壤，在温度、水分适宜的条件下快速分解，形成不同层次土壤有机碳富集区，能有效增加土壤的有机碳含量。
本发明通过喷施微生物复合菌剂，可以提高土壤微生物活性，加快有益微生物菌群的构建，提高微生物总量，加快土壤活性有机碳库的建立。
最后，使用绿肥作物(紫花苜蓿/毛苕子)—玉米/高粱—高粱/玉米轮作方式，将豆科与禾本科作物结合，C3植物与C4植物结合，构建起高生物量、高固碳能力的生物群落，作物通过光合作用直接吸收、固定并储存大气中的碳；同时植物大量的根系和秸秆所固定的碳又返还土壤，从而提高了工矿区土壤的整体固碳能力。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
针对矿区土壤有机碳含量低、养分贫瘠、生物活性差、作物产量低等特点，本实施例采用表土剥离、底土填埋秸秆、农家肥与硝基腐植酸混合分层施用、喷施微生物菌剂、作物轮作等措施，达到有效提高土壤固碳能力的效果。
试验地点选在山西省孝义市下堡镇克俄村试验基地。该地区为黄土高原丘陵区，年均降雨量400mm左右，土层深厚，水土流失严重，肥力低下。当地蕴含丰富的煤炭和铝土矿，开采方式主要为露天开采。
该场地为铝矿多年废弃的工业场地，面积122亩，成平行四边形形状，2007年春季进行复垦。试验区表层土壤(0～20cm)基础数据如下：土壤有机碳平均含量1.28g/Kg，pH值8.01，全氮0.028%，有效磷3.23mg/Kg，速效钾41.5mg/Kg，土壤容重1.57g/cm3。
本实施例具体采用下述实施步骤对上述工矿废弃地土壤进行复垦处理。
1）场地平整：在复垦的废弃地内，用人工和机械的方法进行地表整理，除去表面和土壤内的石块和杂物，并进行初步平整。
2）土壤采样与化验：使用10×10m的网格法采集土壤样品，采样深度0～20cm、20～40cm。样品风干后送实验室分析化验。检测项目包括pH值、有机碳、全氮、有效磷、速效钾、容重等指标。
3）表土剥离：用大马力推土机剥离清理后废弃地的表土，剥离厚度20cm。剥离后的表土就近呈圆锥形堆放，表面覆盖塑料布，防止土壤流失。
4）底土平整：用推土机对剥离后的底土进行平整，土方进行内部调控，挖方与填方实现地块内部平衡，平整度地块之间坡度达到1/1500～1/800。
5）在平整后的底土上铺设粉碎的玉米秸秆，秸秆长度不超过10cm，同时亩均施用7.5Kg尿素和3Kg由河北众邦生物技术有限公司生产的四壮秸秆腐熟剂。
6）将剥离后的表土与充分腐熟的鸡粪和硝基腐植酸按质量比1500∶10∶1混匀，先将1/2混合物撒施在粉碎的秸秆上，适当压实。所用腐熟鸡粪由山西平遥国青同赢禽业有限公司提供，有机质含量56%；硝基腐植酸由山西绿能新动力环保科技有限公司生产，腐植酸含量45%，呈黄褐色粉状。
7）重复步骤5）和步骤6），达到分层施用秸秆和有机物。
8）喷施微生物菌剂：在地表喷施固氮菌、解磷菌和解钾菌的复合微生物菌剂，并保持适宜的土壤湿度，使其与土壤充分反应。所用菌剂为自制混合菌剂，有效活菌数10×109cfu/mL，每亩地按1～2L使用，稀释25倍喷洒。
9）第二年春季3月下旬至4月上旬播种：按照每亩60Kg的施用量，将山西晨雨集团生产的45%复合肥(N-P2O5-K2O=23∶12∶5)均匀撒施在地表，翻耕，然后种植绿肥作物毛苕子。
10）7月下月至8月上旬收获：用割草机收割毛苕子，翻入土壤内，深度20cm，耙耱压实。
11）第三年开始轮作作物：实行玉米/高粱/玉米的轮作模式，将玉米或高粱收获籽粒后，秸秆继续粉碎还田。
为了明确本实施例方法处理工矿废弃地土壤的固碳效果，上述试验设三个处理：处理I：裸地，不种植、不翻耕、自然植被；处理II：单纯平整土地；处理III：按照本实施例方法操作土地。试验重复3次，小区面积100m2。
其中，裸地是场地整理后没有进行表土剥离和耕种，没有采取任何技术措施，自然恢复的土壤；单纯平整的土地是只进行了场地平整，没有实施表土剥离和有机物分层使用及微生物菌剂处理，直接种植玉米。
试验开展三年，分别监测三年的土壤碳库构成，具体结果见表1。
土壤活性碳库是土壤中能够被微生物利用作为能源和碳源的土壤有机碳，根据易氧化程度，分为活性碳库I和活性碳库II两种。由表1可以看出，本实施例处理III比不进行复垦的处理I裸地土壤活性有机碳及总有机碳大幅度提高，而且随着种植年限增加，差别越来越大。与处理II单纯平整土地相比，土壤活性有机碳及总有机碳也有大幅度提高，而且随着种植年限增加，增加的趋势越来越明显。
实施例2。
试验地点选在山西省襄垣县王桥镇西山底村基地。该基地为厚黄土覆盖区，开采方式为井工开采，开采后逐步开始沉陷，呈锅底状塌陷，直接影响了土地耕种。
2008年起开始复垦，复垦时首先进行地形测量，在此基础上用推土机进行平整，推高垫低，最后用激光平地仪进行二次平整。
塌陷土地面积共计32亩，呈不规则状。当地多年平均降雨量510mm，土层深厚，肥力中等。
试验基地表层土壤(0～20cm)基础数据如下：土壤有机碳平均含量2.35g/Kg，pH值8.23，全氮0.039%，有效磷5.25mg/Kg，速效钾75.6mg/Kg，土壤容重1.46g/cm3。
为明确本实施例对土壤的固碳效果，试验设置三个处理：处理I：裸地，不种植、不翻耕、自然植被；处理II：单纯平整土地；处理III：按照本实施例方法操作土地。试验重复3次，小区面积66.7m2。
其中，裸地是场地整理后没有进行表土剥离和耕种，没有采取任何技术措施，自然恢复的土壤；单纯平整的土地是只进行了场地平整，没有实施表土剥离和有机物分层使用及微生物菌剂处理，直接种植玉米。
本实施例具体采用下述实施步骤对上述工矿废弃地土壤进行复垦处理。
1）场地平整：在复垦的废弃地内，用人工和机械的方法进行地表整理，除去表面和土壤内的石块和杂物，并进行初步平整。
2）土壤采样与化验：使用10×10m的网格法采集土壤样品，采样深度0～20cm、20～40cm。样品风干后送实验室分析化验。检测项目包括pH值、有机碳、全氮、有效磷、速效钾、容重等指标。
3）表土剥离：用推土机对清理后废弃场地的表土进行剥离，剥离厚度20cm。剥离后的表土就近呈圆锥形堆放，表面覆盖塑料布，防止土壤流失。
4）底土平整：用推土机对剥离后的底土进行平整，土方进行内部调控，挖方与填方实现地块内部平衡，平整度地块之间坡度达到1/1500～1/800。
5）在平整后的底土上铺设粉碎的玉米秸秆，秸秆长度不超过10cm，同时亩均施用7.5Kg尿素和3Kg由河北众邦生物技术有限公司生产的四壮秸秆腐熟剂。
6）将剥离后的表土与充分腐熟的鸡粪和硝基腐植酸按质量比1500∶10∶1混匀，先将1/2混合物撒施在粉碎的秸秆上，适当压实。所用腐熟鸡粪由山西平遥国青同赢禽业有限公司提供，有机质含量56%；硝基腐植酸由山西绿能新动力环保科技有限公司生产，腐植酸含量45%，呈黄褐色粉状。
7）重复步骤5）和步骤6），达到分层施用秸秆和有机物。
8）喷施微生物菌剂：在地表喷施固氮菌、解磷菌和解钾菌的复合微生物菌剂，并保持适宜的土壤湿度，使其与土壤充分反应。所用菌剂为自制混合菌剂，有效活菌数10×109cfu/mL，每亩地按1～2L使用，稀释30倍喷洒。
9）第二年春季3月下旬至4月上旬播种：按照每亩60Kg的施用量，将山西晨雨集团生产的45%复合肥(N-P2O5-K2O=23∶12∶5)均匀撒施在地表，翻耕，然后种植绿肥作物毛苕子。
10）7月下月至8月上旬收获：用割草机收割毛苕子，翻入土壤内，深度20cm，耙耱压实。
11）第三年开始轮作作物：实行玉米/高粱/玉米的轮作模式，将玉米或高粱收获籽粒后，秸秆继续粉碎还田。
试验开展三年，分别监测三年的土壤碳库构成，具体结果见表2。
由表2可以看出，本实施例处理III比不进行复垦的处理I裸地土壤活性有机碳及总有机碳大幅度提高，且随着种植年限增加，差别越来越大。与处理II单纯平整土地相比，土壤活性有机碳及总有机碳也有大幅度提高，而且随着种植年限增加，增加的趋势越来越明显。

Claims (10)

1.一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法，包括：
将拟复垦工矿废弃地的表土剥离，掺入腐熟农家肥和硝基腐植酸，混合均匀得到预处理表土；
在剥离表土后的底土上铺设粉碎的秸秆，并在秸秆上施用尿素和秸秆腐熟剂；
将预处理表土撒施在粉碎的秸秆上，压实；
在压实的地表上喷施微生物菌剂；
种植绿肥作物，收割后翻压还田；
实行玉米与高粱的轮作模式，收获籽粒后的玉米或高粱秸秆还田。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是底土上铺设秸秆和撒施预处理表土的过程分两步进行，在剥离表土后的底土上铺设粉碎的秸秆并施用尿素和秸秆腐熟剂，撒施上1/2的预处理表土，压实，再铺设一层粉碎的秸秆，施用尿素和秸秆腐熟剂，撒施剩余1/2的预处理表土，压实。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述粉碎的秸秆是长度不超过10cm的玉米秸秆或高粱秸秆。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述尿素的亩均施用量为5～10Kg，秸秆腐熟剂亩用量为2～4Kg。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述表土的剥离厚度为20～30cm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述腐熟农家肥是腐熟的牛粪、鸡粪、猪粪、羊粪中的一种，或几种的混合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的硝基腐植酸是以硝酸氧化风化煤得到的产物。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述剥离的表土与腐熟农家肥和硝基腐植酸的混合质量比为1500∶10～30∶1～5。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的微生物菌剂是固氮菌、解磷菌和解钾菌的复合菌剂。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的绿肥作物是紫花苜蓿或毛苕子。
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