CN112048311B - 荒漠、盐碱地返盐阻隔剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了荒漠、盐碱地返盐阻隔剂及其制备方法和应用，其原料包括酸性矿物和阴离子表面活性剂，所述酸性矿物与阴离子表面活性剂的重量比为100：3~7。本发明中返盐阻隔剂通过酸性矿物与阴离子表面活性剂经螯合反应而生成，在矿物粒子表面形成一层稳固的疏水基团，能够有效阻止地下盐碱水通过土壤中的毛细管道重新回到土壤中，导致土壤返盐板结，从根本上解决了土壤盐碱化的问题，根据实验测试结果表明有效率可达95%以上，只要返盐阻隔剂层没被破坏从理论上讲可确保2年甚至更长时间土壤没有返盐现象，具有良好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及盐碱地改造技术领域，涉及滨海盐渍区、黄淮海平原盐渍区、荒漠及荒漠草原盐渍区、草原盐渍区等盐碱地的治理改良，具体涉及荒漠、盐碱地返盐阻隔剂及其制备方法和应用。
背景技术
我国幅员辽阔，地大物博，拥有960万平方公里的国土面积。然而，可耕种的土地面积仅为11900万公顷，居世界第四，印度为15646.3万公顷列第一，人口虽然与中国相差无几，但国土面积仅为中国的1/3不到。中国用仅占全球7％的可耕地养活着占全球20％的人口。近年来随着我国城镇化的建设，加之水土流失造成的土地荒漠化加剧，致使我国的可耕土地面积逐年减少，粮仓危机已俨然摆在了广大国人面前。
向荒漠要粮，向盐碱地要粮这一重大科研课题就成了无数科技人员为之奋斗的目标。
中国是盐碱地大国，在盐碱地面积排前10的国家中位居第三，共有9913万公顷，我国盐碱地分布在西北、东北、华北及滨海区域在内的17个省区。盐碱荒地和影响耕地的盐碱地总面积超过5亿亩，其中具有农业发展潜力的占中国耕地总面积10％以上。
长期以来，科技人员对盐碱地的治理改良方法基本上采用以下几种方法：1)深耕改良；2)生物改良；3)泡田改良；4)化学改良；5)物理改良；6)水利工程改良等。这些改良方法虽然可以取得一定的效果，但均是治标不治本，仍然存在一些难以克服的困难及缺点：1)现有的改良方法都不能从根本上解决盐碱地返盐的问题，即原本重度盐碱土壤通过现有技术进行改良处理后，经过一段时间，处理后的土壤又会重新恢复到盐碱地的状态；2)现有的改良方法仅在改良当年有效，次年仍需要重新进行改良；3)物理改良方法经济成本高，制约其推广应用。
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荒漠、盐碱地返盐阻隔剂，以解决现有改良方法仅在当年有效、次年仍需要重新进行改良、无法从根本上解决盐碱地返盐的问题。
本发明还提供了荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的制备方法。
本发明还提供所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的应用，从根本上解决土壤盐碱化的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
荒漠、盐碱地返盐阻隔剂，其原料包括酸性矿物和阴离子表面活性剂，所述酸性矿物与阴离子表面活性剂的重量比为100：3～7。
本发明通过酸性矿物与阴离子表面活性剂之间发生螯合反应，矿物粒子表面的羟基与活性剂的亲水基发生键合反应，从而使矿物粒子表面形成一层疏水基团，地下盐碱水因矿物粒子表面疏水基团使其与矿物粒子的接触角度变大，液体在固体的表面润湿性变小，由于地下盐碱水与返盐阻隔剂粒子表面形成不浸润现象，盐碱水不能通过返盐阻隔剂进入土壤的毛细管重新返回到土壤中，避免土壤返盐板结，从根本上解决了土壤盐碱化的问题，根据实验测试结果表明有效率可达95％以上；只要返盐阻隔剂层没有被破坏，理论上讲可确保2年甚至更长时间土壤不会出现返盐现象，具有良好的经济效益和社会效益。
优选地，所述酸性矿物包括风化沙石、花岗岩、酸性玻璃质火山岩、酸性土壤中的一种或多种混合物；其中，酸性土壤包括砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、腐叶土、泥炭土中的一种或多种混合物。
优选地，所述阴离子表面活性剂包括羧酸盐类表面活性剂。
荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的制备方法，包括如下步骤：
a、将酸性矿物粉碎后过筛，烘干至水分≤1％，入贮罐待用；
b、将计量好的物料加入到反应器中，搅拌加热至80℃；所述反应器为保温反应器；
c、将按照配比备好的表面活性剂，分多次间隔加入表面活性剂，反应一段时间后得到所述返盐阻隔剂。
优选地，所述酸性矿物粉碎后过筛，收集粒径为800～1200目的颗粒。
优选地，步骤c中反应温度控制在80～100℃。
优选地，步骤c中反应时间控制在20～25min。
优选地，所述多次为3～5次，每次间隔时间为5min。其中，可将配比准备好的表面活性剂分为3份，分3次加入，每次间隔时间为5min。
本发明所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂在防止盐碱地返盐的应用。
优选地，包括如下步骤：
1)对大面积土地进行机械化改良，或对小面积土地进行半机械化改良，包括如下步骤：
A、将盐碱地挖去厚度为40～50cm的表层土壤，并将底层土推平并压实；
B、在步骤A中压实的底面上铺撒所述返盐阻隔剂并将其压实，压实后返盐阻隔剂层厚度为2～3cm，再在该返盐阻隔剂上覆盖一层稻草或秸秆作为保护层，并在该保护层上轻撒一层泥土压实，防止返盐阻隔剂层被破坏影响使用效果；
C、将步骤A挖去的表层土壤回填并平整土地，其中，回填时应注意不能将返盐阻隔剂的整体性破坏；
2)对荒漠、坡地植树造林可局部化改良实施，包括如下步骤：
①挖好树坑，平整底部，在树坑底部铺上返盐阻隔剂并将其压实，压实后返盐阻隔剂层厚度为2～3cm，回填少量土壤轻轻覆盖在返盐阻隔剂层上，注意保护好返盐阻隔剂层的完整性；
②放入树苗，回填土壤将树苗种好固定后浇水。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过酸性矿物与阴离子表面活性剂之间发生螯合反应，矿物粒子表面的羟基与活性剂的亲水基发生键合反应，从而使矿物粒子表面形成一层疏水基团，地下盐碱水因矿物粒子表面疏水基团使其与矿物粒子的接触角度变大，液体在固体的表面润湿性变小，由于地下盐碱水与返盐阻隔剂粒子表面形成不浸润现象，盐碱水不能通过返盐阻隔剂进入土壤的毛细管重新返回到土壤中，避免土壤返盐板结，从根本上解决了土壤盐碱化的问题，根据实验测试结果表明有效率可达95％以上；只要返盐阻隔剂层没有被破坏，理论上讲可确保2年甚至更长时间土壤不会出现返盐现象，具有良好的经济效益和社会效益。
2、本发明对荒漠、盐碱地植树造林带来突破性进展，可以在荒漠、盐碱地上种植各类植物，不需要像现有技术那样只能栽种耐盐碱植物，使盐碱地区的植物呈现多样性，极大提升了这些地区的经济效益。
3、本发明所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂不会影响土壤的透气性，更不会造成土壤板结，土壤透气性好坏主要决定于未被水分占据空气孔隙及其粗细，含水多的土壤空气数量少，含水少的土壤空气数量就多，土壤水分过多空气孔隙被水分所据，气体交换通道受阻，故而透气性就差，反之透气性就好；由于返盐阻隔剂粒子表面的疏水基团阻止了水分进入其粒子之间的孔隙，加之返盐阻隔剂粒子细微总孔隙度相对较高，没有水分占据这些孔隙，所以返盐阻隔剂具有良好的透气性。
4、本发明选用的原料为荒漠、盐碱地较为丰富的酸性矿物(包括风化沙石、花岗岩、酸性玻璃质火山岩、酸性土壤中的一种或多种混合物)，就地取材易得且廉价，成本低；生产过程无毒无害，没有三废产生，整个过程和产品绿色环保，非常适用于工业化生产；同时，本发明所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂配合物理改良方法和水利改良方法使用，能够有效提升改良效果。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
一、荒漠、盐碱地返盐阻隔剂
主要原料包括酸性矿物和阴离子表面活性剂，所述酸性矿物与阴离子表面活性剂的重量比为100：3～7。所述酸性矿物包括风化沙石、花岗岩、酸性玻璃质火山岩、酸性土壤中的一种或多种混合物；其中，酸性土壤包括砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、腐叶土、泥炭土中的一种或多种混合物。所述阴离子表面活性剂包括羧酸盐类表面活性剂，优选为脂肪酸盐表面活性剂，本实施例选用的是重庆涅瓦科技有限公司生产的RCA系列表面活性剂。
表1
| 实施例 | 酸性矿物 | 表面活性剂 | 重量比 |
| 1 | 风化沙石 | RCA-1 | 100:3 |
| 2 | 花岗岩 | RCA-2 | 100:5 |
| 3 | 酸性白土 | RCA-1 | 100:3 |
| 4 | 红壤 | RCA-3 | 100:6 |
| 5 | 黄壤 | RCA-3 | 100:6 |
| 6 | 泥炭土 | RCA-1 | 100:3 |
阴离子表面活性剂与酸性矿物之间会发生螯合反应，形成的螯合产物结构和性质都非常稳定，有效阻止地下盐碱水通过土壤中的毛细管道重新回到土壤中导致土壤返盐，也能避免因漫灌导致地下水位升高造成返盐使土壤盐碱化。这也是导致盐碱地返盐的重要原因。所述漫灌是指在实际灌溉中，操作人员容易出现灌水时任由水在地面漫流并借重力作用浸润土壤，这种漫灌会使地下盐碱水位升高造成土壤再次盐碱化。而本发明所述盐碱地阻隔剂能够阻止地下盐碱水上升，不致于因漫灌导致地下水位升高造成返盐使土壤盐碱化。进一步，对实施例1～6所述酸性矿物和对比例(对比例为与实施例1～6分别相同的酸性矿物，但没有与表面活性剂反应)进行透气性的对比，采用田间压力计法分别测定6个实施例和6个对比例的透气系数K值，性能指标如表2。并在同等自然环境下放置三个月，进行透气性的对比。
表2
从上表可以看出，在三个月的时间内，返盐阻隔剂的透气系数基本没有变化，透气性能良好，这表明返盐阻隔剂能有效避免空气中的水分进入其中的空隙导致透气性降低；而对比例的透气系数出现了非常明显的下降，透气性能在逐渐变差，这是由于空气中的水分子进入到了对比例样品粒子的空隙中并占据了空隙的位置，使得对比例样品离子相互之间结团，从而导致透气性能降低。
二、荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的制备方法
本发明所述盐碱地返盐阻隔剂的制备方法，包括如下步骤：
a、将酸性矿物粉碎后过筛，收集粒径为800～1200目的颗粒，用滚筒烘干机烘干至水分≤1％，入贮罐待用。
b、将计量好的物料加入到夹套保温反应器中，搅拌加热至80℃。
c、将按照配比备好表面活性剂，分3～5次间隔加入表面活性剂，反应一段时间后得到所述返盐阻隔剂。例如，将准备好的表面活性剂分成三份，然后分三次间隔加入到反应器中，每次间隔时间为5min，反应温度控制在80～100℃，反应时间控制在20～25min。
表3
| 实施例 | 酸性矿物 | 目数 | 表面活性剂 | 重量比 | 反应温度 | 反应时间 |
| 1 | 风化沙石 | 800 | RCA-1 | 100:3 | 90℃ | 25min |
| 2 | 花岗岩 | 800 | RCA-2 | 100:5 | 100℃ | 25min |
| 3 | 酸性白土 | 1000 | RCA-1 | 100:3 | 100℃ | 20min |
| 4 | 红壤 | 1200 | RCA-3 | 100:6 | 100℃ | 20min |
| 5 | 黄壤 | 1200 | RCA-3 | 100:6 | 100℃ | 20min |
| 6 | 泥炭土 | 1000 | RCA-1 | 100:3 | 80℃ | 20min |
三、对制备得到的返盐阻隔剂进行验证实验
对比实验：选用与实施例1～6一样的酸性矿物，对比例为没有与表面活性剂反应。将实施例1～6的样品和6个对比例分别装入底部扎有多个小孔且底部垫好吸水纸的透明样品杯中，然后向实施例的样品杯中加入阻隔剂，向对比例的样品杯中加入与实施例对应的酸性矿物，压实平整后的厚度均为2cm。再向各样品杯中加入等量的pH为7的中性土壤，厚度约为10cm。在距离每个样品杯外侧底部1cm的位置用记号笔做标记，将所有杯子分别放入12个平底的透明容器中。将pH为12的溶液注入到这12个平底的透明容器中，并向该碱性溶液中加入NaCl使碱性溶液中NaCl的质量分数为15‰，至样品杯上的标记处为止，并密封好平底的透明容器，避免透明容器内发生蒸发作用对实验数据造成干扰。
在自然环境中静置1个月、2个月、3个月后，分别取各样品杯中表层土10g，按土壤pH值测定法和电导率测定法，采用上海雷磁PHSI-3F数显台式酸度计和上海雷磁DDB-303A电导率仪分别测定各个样品杯中表层土电导率和pH值，并通过电导率推算出含盐量，同时观察每个透明容器中溶液液位的变化并记录观察到的现象。
表4
表5
表6
表7
从表4和表5中可以看出，在没使用阻隔剂的对比例中，透明容器中碱性溶液的液位出现了明显下降，并且样品杯中的土壤pH值也出现了非常明显的升高，由于对透明容器进行了密封，避免了透明容器内的碱性溶液因与外界自然环境直接接触而发生蒸发作用。可见，透明容器中碱性溶液液位下降正是由于样品杯中的土壤与自然环境接触，在土壤毛细管的作用下将透明容器中的碱性溶液吸入，使其进入到样品杯里的土壤中，并且样品杯里土壤pH值出现非常明显的升高，也很好的验证了这一点。
而在使用阻隔剂后，能够有效阻止透明容器中的碱性溶液通过土壤毛细管进入样品杯中的土壤中，在三个月的时间内，实施例1～6的土壤中pH值较之实验初期的pH值几乎无变化，且碱性溶液的液位也没有变化，由此也能证明透明容器中的碱性溶液没有进入到样品杯里的土壤中。
同时，从表6和表7中可以看出，在没使用阻隔剂的对比例中，在2个月之后土壤的电导率和含盐量有了明显上升，这表明溶液中的盐类物质也已经开始在蒸发和土壤毛细管的共同作用下进入样品杯中的土壤内，而使用了阻隔剂的实施例中，含盐量与起初实施例选用的土壤中本身含盐量变化不大，由此可以证明本发明制备得到的返盐阻隔剂能够有效阻止地下盐碱水向上渗透浸入，避免土壤因蒸发作用而出现返盐现象。
本发明还通过在宁夏的某盐碱地进行进一步扩大实验来验证。
在宁夏某盐碱地选用一亩土地作为验证田，在验证田1/2处挖一条宽20cm、深度40cm的沟将该验证田分开；其中，一半作为实验田，采用本发明所述返盐阻隔剂及其应用方法对该实验田进行改良，另一半作为对比田。
为了检验返盐阻隔效果，特选择了一块中度偏重度的盐碱地作为扩大实验来进行进一步的验证。实验前2018年10月25日测得原土壤pH值为9.4，电导率为2.793，含盐量6.982‰，属于中度偏重度的盐碱地，在对实验田和对比田同时进行多次现有技术常用的泡田洗盐法处理后，在2018年12月8日分别对两块田里的土壤进行检测，测得两块土壤pH值为7.2，电导率为1.762，含盐量为4.406‰。从2018年12月10日开始，采用与实施例相同的方法，每月对两块土地进行一次pH值和电导率的检测，直至2020年8月25日为止，共计检测20次。检测结果如下表：
表8
表9
实验测试结果表明，在20个月的时间内，未使用阻隔剂的对比田逐渐恢复到泡田洗盐法处理之前初始土壤的盐碱状况。可以看出，通过现有技术处理后的盐碱地在一段时间后会出现重新盐碱化的现象，而使用了返盐阻隔剂的实验田，与泡田洗盐法处理后的土壤盐碱状态差别不大。由此可以证明，返盐阻隔剂能有效阻隔地下盐碱水向地面返盐，致使土壤盐碱化的发生。
四、荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的应用
如本发明所述盐碱地返盐阻隔剂在防止盐碱地返盐的应用。
具体应用方法，包括如下步骤：
1)可对大面积土地进行机械化改良，也可对小面积土地进行半机械化改良，包括如下步骤：
A、将盐碱地挖去厚度为40～50cm的表层土壤，挖去的表层土壤厚度要大于后续种植粮食作物的根系长度，并将底层土推平并压实。
B、在步骤A中压实的底面上铺撒所述返盐阻隔剂并将其压实，压实后返盐阻隔剂层厚度为2～3cm，再在该返盐阻隔剂上覆盖一层稻草或秸秆作为保护层，并在该保护层上用泥土压实，防止返盐阻隔剂层被破坏影响使用效果。
C、将步骤A挖去的表层土壤回填并平整土地，其中，回填时应注意不能将返盐阻隔剂层的整体性破坏。
2)对荒漠、坡地植树造林可局部化改良实施，可使种植的树种多样化，提高种植的经济效益，包括如下步骤：
①挖好树坑，平整底部，在树坑底部铺上返盐阻隔剂并将其压实，压实后返盐阻隔剂层为2～3cm，回填土壤覆盖在返盐阻隔剂层上。
②放入树苗，回填土壤将树苗种好固定后浇水。
该方法在荒漠盐碱地上植树可最大限度防止返盐，提高了树苗的存活率，并可栽种非耐盐碱地的植物，使植被多样化，极大地提高了种植的经济效益。同时，因东北、华北半干旱地区的盐碱地有明显的脱盐、返盐季节之分，此方法应选择在脱盐季节使用。
本发明通过酸性矿物与阴离子表面活性剂之间发生螯合反应，矿物粒子表面的羟基与活性剂的亲水基发生键合反应，从而使矿物粒子表面形成一层疏水基团，地下盐碱水因矿物粒子表面疏水基团使其与矿物粒子的接触角度变大，液体在固体的表面润湿性变小，由于地下盐碱水与返盐阻隔剂离子表面形成不浸润现象，盐碱水不能通过返盐阻隔剂进入土壤的毛细管重新返回到土壤中，避免土壤返盐板结，从根本上解决了土壤盐碱化的问题，根据实验测试结果表明有效率可达95％以上，只要返盐阻隔剂层没有波破坏，理论上讲可确保2年甚至更长时间土壤不会出现返盐现象，用此方法再配合其他盐碱地的改良方法，可逐步根治我国土壤盐碱化的难题，向荒漠要森林，向盐碱地要粮食的夙愿将得以成为现实，具有良好的经济效益和社会效益。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.荒漠、盐碱地返盐阻隔剂，其特征在于，其原料包括酸性矿物和阴离子表面活性剂，所述酸性矿物与阴离子表面活性剂的重量比为100：3~7；
所述酸性矿物包括风化沙石、花岗岩、酸性白土、红壤、黄壤或泥炭土中的一种；
所述阴离子表面活性剂包括羧酸盐类表面活性剂，具体为重庆涅瓦科技有限公司生产的RCA-1、RCA-2或RCA-3系列表面活性剂；
其制备方法包括如下步骤：
a、将酸性矿物粉碎后过筛，收集粒径为800~1200目的颗粒，烘干至水分≤1%，入贮罐待用；
b、将计量好的酸性矿物物料加入到反应器中，搅拌加热至80℃；
c、将按照配比备好表面活性剂，分多次间隔加入表面活性剂，反应一段时间后得到所述返盐阻隔剂。
2.根据权利要求1所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂，其特征在于，步骤c中反应温度控制在80~100℃，反应时间为20~25min。
3.根据权利要求1所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂，其特征在于，所述多次为3~5次，每次间隔时间为5min。
4.荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的应用，其特征在于，采用权利要求1、2或3任一荒漠、盐碱地返盐阻隔剂，应用方法包括如下步骤：
1）对大面积土地进行机械化改良，或对小面积土地进行半机械化改良，包括如下步骤：
A、将盐碱地挖去厚度为40~50cm的表层土壤，并将底层土推平并压实；
B、在步骤A中压实的底面上铺撒所述返盐阻隔剂并将其压实，压实后返盐阻隔剂层厚度为2~3cm，再在该返盐阻隔剂上覆盖一层稻草或秸秆作为保护层，并在该保护层上用泥土压实；
C、将步骤A挖去的表层土壤回填并平整土地；
2）对荒漠、坡地植树造林可局部化改良实施，包括如下步骤：
①挖好树坑，平整底部，在树坑底部铺上所述返盐阻隔剂并将其压实，压实后返盐阻隔剂层厚度为2~3cm，回填土壤覆盖在返盐阻隔剂层上；
②放入树苗，回填土壤将树苗种好固定后浇水。
5.根据权利要求4所述荒漠、盐碱地返盐阻隔剂的应用，其特征在于，本方法在脱盐季节使用。
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