CN109629549B

CN109629549B - 一种石砾地土体重构结构及重构方法

Info

Publication number: CN109629549B
Application number: CN201811616235.8A
Authority: CN
Inventors: 韩霁昌; 张扬; 马琳; 董起广; 杜宜春; 雷娜; 刘哲
Original assignee: Shaanxi Land Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Shaanxi Land Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109629549A

Abstract

本发明涉及一种土体重构结构及方法，具体涉及一种石砾地土体重构结构及重构方法，以解决石砾地难利用、作物无法生长及浪费土地资源的问题。本发明的石砾地土体重构结构，包括碎石层、过渡层和客土层；碎石层填充在石砾间隙；过渡层为沙与土混合制成，过渡层铺设于填充碎石层后的石砾地上方；客土层铺设于过渡层上方，客土层包括自下而上依次铺设的保水层、生土垫层和耕作层。本发明的石砾地土体重构方法，首先对石砾地的表层进行粗平，然后在石砾间隙填充碎石，形成碎石层，并对填充碎石后的石砾地进行细平；在细平后的石砾地上铺设沙与土混合制成的过渡层；在过渡层上铺设客土层，客土层包括自下而上依次铺设的保水层、生土垫层和耕作层。

Description

一种石砾地土体重构结构及重构方法

技术领域

本发明涉及一种土体重构结构及方法，具体涉及一种石砾地土体重构结构及重构方法。

背景技术

目前，土体重构主要在沙荒地、矿区复垦等方面，一般直接采用客土进行构建，但这种构建方式对重构材料的要求严格、成本高、普适性差，且构建的土体结构单一、耕性差。

石砾地是一种难利用土地，在全国分布面积为1035345千公顷(155301.8万亩)，其表层70％以上由直径超过2mm的岩石或石砾覆盖，由于岩石裸露，作物无法正常生长，造成了土地资源的严重浪费。因此，在石砾地实现作物的生长对于补充耕地资源、实现土地资源的集约化有着重要意义。但是，目前，关于石砾地上的进行土体重构尚未有任何相关资料记载。

发明内容

本发明提供一种石砾地土体重构结构及重构方法，以解决石砾地难利用、作物无法生长及浪费土地资源的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种石砾地土体重构结构，其特殊之处在于，包括碎石层、过渡层和客土层；所述碎石层填充在石砾地的石砾间隙；所述过渡层为沙与土混合制成，过渡层铺设于填充碎石层后的石砾地上方；所述客土层铺设于所述过渡层上方，所述客土层包括自下而上依次铺设的保水层、生土垫层和耕作层；

所述客土层中保水层的厚度为10～20cm，25％≤粘粒含量≤45％；

生土垫层的厚度为10～40cm；

耕作层的厚度为10～40cm。

进一步地，为了使本发明的重构结构更适合土体植物、动物和微生物的生长，所述客土层中保水层的厚度为10～15cm；生土垫层的厚度为20～30cm；耕作层的厚度为20～30cm。

进一步地，所述过渡层的沙与土的体积比为1:1-1:3，过渡层厚度为5-10cm。

进一步地，所述客土层中保水层的容重为1.4-1.6g/cm³，生土垫层的容重为1.25-1.35g/cm³，耕作层的容重为1.1-1.2g/cm³。

进一步地，所述碎石层包括粒径为2-50mm的碎石。

一种石砾地土体重构方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)对石砾地的表层进行粗平，然后在石砾间隙填充碎石，形成碎石层，并对填充碎石后的石砾地进行细平；

2)在细平后的石砾地上铺设沙与土混合制成的过渡层；

3)在所述过渡层上铺设客土层，所述客土层包括自下而上依次铺设的保水层、生土垫层和耕作层；

所述客土层中保水层的厚度为10～20cm，25％≤粘粒含量≤45％；生土垫层的厚度为10～40cm；耕作层的厚度为10～40cm。

进一步地，步骤2)中过渡层的沙与土的体积比为1:1-1:3，过渡层厚度为5-10cm；步骤3)客土层中保水层的厚度为10～15cm；生土垫层的厚度为20～30cm；耕作层的厚度为20～30cm。

进一步地，步骤1)中填充的碎石粒径为2-50mm；细平后石砾地的坡度小于1：500。

进一步地，还包括步骤4)利用土壤改良剂对所述客土层中的耕作层进行肥力改善。

本发明的优点是：

(1)本发明的石砾地土体重构结构包括碎石层、过渡层和客土层，客土层中中保水层的厚度为10～20cm，25％≤粘粒含量≤45％；生土垫层的厚度为10～40cm，使石砾地变为可利用土地，适宜作物生长，充分利用土地资源。

(2)本发明的石砾地土体重构结构碎石层为碎石块、过渡层采用沙与土混合、客土层外部客土，原料简单易得、经济实用；

(3)本发明的石砾地土体重构方法将碎石层填充在石砾地的石砾间隙，然后依次铺设过渡层客土层，简单、易于操作。

附图说明

图1为本发明石砾地土体重构结构的示意图；

图2为本发明实施例客土层的厚度与耕作层有机质/全氮含量的关系图；

图3为本发明实施例客土层的厚度与小麦和玉米株高的关系图；

图4为本发明实施例客土层的厚度与小麦和玉米产量及成本的关系图；

图5为本发明实施例客土层中保水层的水分渗漏速率随时间变化曲线图；

图6为本发明实施例客土层中保水层的硝态氮渗漏量随时间变化曲线图；

附图标记为：1-碎石层、2-过渡层、3-保水层、4-生土垫层、5-耕作层、6-客土层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明的石砾地土体重构结构，包括碎石层1、过渡层2和客土层6；碎石层1填充在石砾地的石砾间隙；过渡层2为沙土与混合制成，过渡层2铺设于填充碎石层后的石砾地上方；客土层6铺设于过渡层2上方，客土层6包括自下而上依次铺设的保水层3、生土垫层4和耕作层5；

客土层中保水层3的厚度为10～20cm，25％≤粘粒含量≤45％；

生土垫层4的厚度为10～40cm；

耕作层5的厚度为10～40cm。

本发明的石砾地土体重构方法，包括以下步骤：

1)对石砾地的表层进行粗平，然后在石砾间隙填充碎石，形成碎石层，并对填充碎石后的石砾地进行细平；细平后的石砾地坡度在1:500以内；

2)在细平后的石砾地上铺设沙与土混合制成的过渡层，铺设后再次将表层整理平坦，并采用机械方式压实；

3)在过渡层上铺设客土层；客土层包括自下而上依次铺设的保水层、生土垫层和耕作层；客土层中保水层的厚度为10～20cm，25％≤粘粒含量≤45％；生土垫层的厚度为10～40cm；耕作层的厚度为10～40cm。客土层中耕作层为作物根系生长的主要土层，为了形成土体种植物、动物和微生物良好的生长环境，耕作层土源的养分含量需要满足表1的要求；若耕作层的土源为生土，可通过添加土壤改良剂调整耕作层中的养分。

表1耕作层养分含量要求

指标	检测标准方法	控制标准
			有机质/(g/kg)	NY/T 1121.6-2006	≥5
全氮/(g/kg)	NY/T 53-1987	≥0.5
			有效磷/(mg/kg)	NY/T 1121.7-2014	≥5
速效钾/(mg/kg)	NY/T 889-2004	≥60
			有效硅/(mg/kg)	NY/T 1121.15-2006	≥25
有效硼/(mg/kg)	NY/T 1121.8-2006	≥1.0
			有效钼/(mg/kg)	NY/T 1121.9-2006	≥0.2

当本发明石砾地土体重构结构的客土层中耕作层所选的土源为生土，其养分含量难以符合表1的要求，不能形成作物生长的良好环境，可利用土壤改良剂对耕作层进行肥力改善，以形成土体植物、动物和微生物良好的生长环境。进行肥力改善时的养分施用量根据养分平衡法进行计算，计算公式见式(1)：

Y＝(X×M-S×2.25×T)/F (1)

式中：Y——某肥料养分施用量，kg/hm²；

X——作物单位产量某养分吸收量，kg/100kg；

M——目标产量，100kg/hm²；

S——土壤某养分含量测定值，mg/kg；

T——校正系数(土壤养分利用率)；

F——某肥料养分当季利用率。

对于酸化土壤，可通过施用石灰、碱性肥料(草木灰等)进行调节，本实施例中以石灰为例，石灰的使用量计算方法见公式(2)；对于碱化土壤，可施入酸性肥料(如石膏、硫酸亚铁、硫磺粉、硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、过磷酸钙、磷酸二氢钾、硫酸钾)进行调节，本实施例以石膏为例，石膏使用量计算方法见公式(3)。

G＝K×H×B×CEC×(1-BS)×28^*×10⁴ (2)

式中：

G——石灰添加量，kg/hm²；

K——经验系数，施用石灰粉(碳酸钙)时取1.3，生石灰(氧化钙)时取0.5；

H——需调节pH的土层厚度，cm；

B——需调节pH的土层土壤容重，g/cm³；

CEC——阳离子交换量，cmol(+)/kg；

BS——盐基饱和度；

28^*——1/2CaO的相对原子质量，g/mol。

W＝H×B×A×20^*×4.3 (3)

式中：

W——石膏使用量，kg/hm²；

H——需调节pH的土层厚度，cm；

B——需调节pH的土层土壤容重，g/cm³；

A——土壤所含的代换性钠离子毫克当量数，mEq/kg；

20^*——1/2Ca的相对原子质量，g/mol；

4.3——由Ca换算成石膏的换算系数。

石砾地存在漏水、漏肥以及漏土的问题，本发明通过在石砾间隙填充碎石层，可防止灌溉时水土流入石砾间隙；过渡层采用沙与土混合制成，以确保上层结构稳定；客土层中的保水层主要起到托水托肥的作用；客土层中生土垫层用于承受耕作时机械、人、畜的压力，也可以接受耕作层淋溶下来的物质，为作物生长的后期提供水肥；客土层均为外部土源，其可以为粘土、沙土、也可以为两种土混合成的土壤，只要这些土源符合土壤环境质量标准，且保水层土的粘粒含量及沙粒含量符合要求即可。

在本发明的实施例中，根据石砾地区覆盖石砾的大小，碎石层选择粒径为2-50mm的碎石填充在石砾间隙中；过渡层沙与土的体积比为1:1-1:3，当土源质地偏砂时，可增加土的比例，土源质地偏粘时，可减小土的比例；客土层中保水层的容重为1.4-1.6g/cm³，生土垫层的容重为1.25-1.35g/cm³，耕作层的容重为1.1-1.2g/cm³；客土层中保水层的厚度为10～15cm；生土垫层的厚度为20～30cm；耕作层的厚度为20～30cm。

以下是相关参数优化对比试验，以对本发明的技术方案作效果支持说明。

首先在陕西富平县进行保水层粘粒含量的相关试验，试验土样为两种土壤经风干研磨后配比形成，所选土样分别采集自陕西榆林地区的沙土及陕南汉中地区的粘土，两种土壤经风干后，过2mm筛，测定土壤粒径组成，并按照不同的比例配比组成不同粒径含量的保水层土壤，保水层厚度均为10cm，设定容重为1.5g/cm3，保水层下部为粒径20-40cm的石砾，保水层上部按照设定容重填装相应的生土垫层和耕作层共40cm，试验为盆栽试验，试验装置采用直径为60cm、高80cm的pvc管设立7种处理的盆栽试验，每组处理3次重复，种植玉米1季，期间灌溉施肥量相同，测定指标包括：保水层饱和导水率(试验前按照设置容重测定)、耕作层土壤养分含量、玉米百粒重及穗粒数。保水层试验土样及试验结果见表2。

表2保水层土壤粒径组成

从表1中可以看出，土壤饱和导水率随粘粒含量增大而减小，营养成分含量随粘粒含量增大而增大。当保水层砂粒含量超过85％时，保水层导水率极大，达到698.34cm/d，耕作层各养分指标也最小，保水保肥效果较差，玉米单株产量仅为23.32g。而粘粒含量超过25％时，玉米单株产量可达到180.29g，超过45％，达到55％时，由于粘粒含量过高，水分渗漏量低，玉米根系处于水淹状态，极易造成作物生长困难，其单株产量仅为75.6g。因此，保水层选择土壤质地类型时，选择25％≤粘粒含量≤45％的土源。

其次，在关中以黄绵土为客土来源的荒石滩地区进行试验，试验中分别对客土层中保水层、生土垫层和耕作层的厚度进行处理，见表3。

表3中的6组试验中重构结构的碎石层所选用的粒径相同，过渡层沙与土的体积比为1:2，过渡层厚度均为10cm，客土层中保水层的粘粒含量均为30％、容重均为1.5g/cm³；生土垫层的粘粒含量均为15％、砂粒含量均为40％、容重均为1.3g/cm³；耕作层的粘粒含量均为15％、砂粒含量均为40％、容重均为1.2g/cm³；并研究客土层的厚度对于耕作层有机质和全氮含量以及农作物的生长情况的影响。

表3客土层中保水层、生土垫层和耕作层的厚度处理

通过取样测试各试验客土层中耕作层的有机质和全氮含量，得出客土层厚度与耕作层中有机质和全氮含量关系，见图2，从中可以看出耕作层有机质和全氮含量均随客土曾厚度的增加呈现先增大后趋于稳定的趋势；有机质和全氮在30-50cm内随厚度增加累积效果显著；在50-60cm时达到最高，其中有机质含量最大值为10.25g/kg，全氮含量为2.88g/kg。

在各试验的石砾地土体重构结构上种植小麦和玉米，种植时间、种植密度以及灌溉、施肥等措施均保持一致，测定不同试验中小麦和玉米的株高以及产量，并结合荒石滩整治中耕作层构建工程成本，得出客土层厚度与小麦和玉米的株高、产量以及成本关系，见图3和4，从中可以看出，小麦株高和玉米株高随客土层厚度增加呈逐渐增大的趋势；在客土层厚度为30-50cm范围内增大最为明显；客土层厚度>50cm后，小麦和玉米的株高随厚度变化趋于稳定；客土层厚度对小麦和玉米的产量有显著影响，特别是在客土层厚度<50cm范围内，这种影响最为显著；当客土层厚度>50cm时，客土层厚度对作物产量增长的影响减缓并逐渐趋于稳定；荒石滩整治中耕作层构建工程成本随客土厚度呈线性增加的趋势。综合考虑以上各因素，对于关中以黄绵土为客土来源的荒石滩土地整治，最佳客土层厚度为50-60cm，该耕作层厚度合理，工程成本适中，同时适宜常见作物生长且稳产高产。

客土层中的保水层主要起到托水托肥的作用，在本发明的实施例中，还针对客土层中保水层容重进行水(W)、肥(F)渗漏试验，试验时客土层中保水层的容重分别为1.2g/cm³、1.4g/cm³、1.5g/cm³、1.6g/cm³和1.7g/cm³，保水层厚度设定为10cm。对不同试验的水分渗漏速率和硝态氮渗漏量进行测试，结果见图5和6，从中可以看出，当保水层容重≤1.4g/cm³，水分和硝态氮渗漏速率均较大(W：118.8-483.6mm/d，F：2.8-6.1g/m²/d)，即保水层压实土体对上部生土垫层和耕作层的保水保肥效果较差；当保水层容重为≥1.6g/cm³时，由于保水层容重过高，尽管保水保肥效果较好(W：5.3-35.0mm/d，F：0.75-0.77g/m²/d)，但也阻断了底部砾石层潜水的上升，阻碍作物根系对潜水资源的利用，不利于作物根系生长，同时影响根层土体的气体交换。因此，荒石滩土地整治中客土底部保水保肥层不宜过大，也不宜过小，过小不利于耕作层保水保肥，过大则影响作物对水肥资源的高效利用(图5-6)。保水层容重在1.4g/cm³-1.6g/cm³范围内，水肥渗漏量分别为W：35.0-118.8mm/d，F：0.6-2.8g/m²/d。结合黄绵土自身土体理化性质特征，认为黄绵土保水层最适宜土体容重为1.5-1.6g/cm³，厚度为10cm。在本发明的实施例中，客土层中生土垫层的容重为1.25-1.35g/cm³，耕作层的容重为1.1-1.2g/cm³。

Claims

1.一种石砾地土体重构结构，其特征在于：包括碎石层(1)、过渡层(2)和客土层(6)；所述碎石层(1)填充在石砾地的石砾间隙；所述过渡层(2)为沙与土混合制成，过渡层(2)铺设于填充碎石层后的石砾地上方；所述客土层(6)铺设于所述过渡层上方；

所述客土层(6)包括自下而上依次铺设的保水层(3)、生土垫层(4)和耕作层(5)；

保水层(3)的厚度为10～15cm，25％≤粘粒含量≤45％；

生土垫层(4)的厚度为20～30cm；

耕作层(5)的厚度为20～30cm；

所述过渡层(2)的沙与土的体积比为1:1-1:3，过渡层厚度为5-10cm；

所述客土层中保水层(3)的容重为1.4-1.6g/cm³，生土垫层(4)的容重为1.25-1.35g/cm³，耕作层(5)的容重为1.1-1.2g/cm³。

2.根据权利要求1所述的一种石砾地土体重构结构，其特征在于：所述碎石层(1)包括粒径为2-50mm的碎石。

3.一种石砾地土体重构方法，其特征在于：包括以下步骤：

2)在细平后的石砾地上铺设沙与土混合制成的过渡层；

所述客土层中保水层的厚度为10～20cm，25％≤粘粒含量≤45％；生土垫层的厚度为10～40cm；耕作层的厚度为10～40cm；

步骤2)中过渡层的沙与土的体积比为1:1-1:3，过渡层厚度为5-10cm；

步骤3)客土层中保水层的厚度为10～15cm；生土垫层的厚度为20～30cm；耕作层的厚度为20～30cm；

所述客土层中保水层的容重为1.4-1.6g/cm³，生土垫层的容重为1.25-1.35g/cm³，耕作层的容重为1.1-1.2g/cm³。

4.根据权利要求3所述的一种石砾地土体重构方法，其特征在于：步骤1)中填充的碎石粒径为2-50mm；细平后石砾地的坡度小于1：500。

5.根据权利要求4所述的一种石砾地土体重构方法，其特征在于：还包括步骤4)利用土壤改良剂对所述客土层中的耕作层进行肥力改善。