CN113880669A - 一种高寒地区露天煤矿土壤改良剂的制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高寒地区露天煤矿土壤改良剂的制备方法与应用，包括以下质量份原料：砒砂岩50‑100份，生物炭30‑50份，牛羊粪有机肥20‑40份，粉煤灰10‑20份，聚丙烯酸钠1‑5份，菌剂0.5‑1份。本发明针对闭坑煤矿表层土壤被破坏而导致的土壤理化性质退化提供了一种土壤改良剂，该改良剂可提高土壤团聚体的稳定性、降低土壤容重、增加土壤粘聚力、提高土壤中微生物活性、提高土壤肥力及保水保肥能力、提高土壤抗风蚀能力、加快排土场生态系统的能量流动和物质循环，为实现快速生态修复提供立地条件。该土壤改良剂经济环保，且能实现资源的合理利用。

Description

一种高寒地区露天煤矿土壤改良剂的制备方法与应用

技术领域

本发明属于露天煤矿生态修复领域，具体涉及一种高寒地区露天煤矿土壤改良剂的制备方法与应用。

背景技术

由于生态修复的高效性、长期性和经济性等优点，在矿山修复中得到了广泛的应用，但露天煤矿开采须经历“剥－采－运－排－复”等过程，导致大量的土地资源被损毁和占用，严重破坏了土壤肥力和各种理化性质。煤矿露天开采形成排土场，排土场主要由粉砂岩、泥岩等组成，由于其为非耕作层表土，土壤尚未熟化，加之开采过程中大型机械设备频繁往来及土方堆叠与积压，故排土场的营养结构不良，缺乏植物生长所需要的有机质、N、P、K及各种微量元素，土壤结构被破坏，保水保肥性差，容重高、粘聚力低，易发生风蚀等问题，缺乏土壤中的微生物及相关的酶，物质循环与能量转化的途径不畅。而对于高寒地区排土场来说，由于其寒冷的气候和严酷的自然条件，植物的生长期非常短，更加导致了其生态修复的困难。如何对土壤进行改善，恢复其物理结构及肥力，是生态修复顺利进行的必要条件。

目前，排土场的土壤改良主要有工程法、化学法和生物法，其中，工程法主要是取外界熟土进行表土覆盖，该法成本较高，且由于运输及搬运等过程，土壤物理结构被破坏，需再次熟化；化学法主要是施用化肥，但由于土壤结构被破坏，土壤保肥能力差，不仅降低肥料利用率，未及时利用的肥料，还会随降水进入水体中，造成二次污染；生物法主要是利用先锋植物对土壤的改良作用，但该种方法见效较慢。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高寒地区露天煤矿土壤改良剂的制备方法与应用，该土壤改良剂可快速高效地修复土壤。

为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：

一种高寒地区露天闭坑煤矿的土壤改良剂，包括以下质量份原料：砒砂岩50-100份，生物炭30-50份，牛羊粪有机肥20-40份，粉煤灰10-20份，聚丙烯酸钠1-5份，菌剂0.5-1份。

优选的，所述砒砂岩粒径<20mm。

优选的，所述牛羊粪有机肥由含水率70％的牛羊粪堆肥15-20天而成。

优选的，所述生物炭是将粉碎后的植物秸秆进行炭化处理所得。所述植物秸秆为秸秆、草本、枯枝败叶等原料构成。

优选的，所述生物炭粒径为0.2-0.3mm。

优选的，所述粉煤灰粒度为200-400目。所述粉煤灰为火电厂排放的工业废弃物。

优选的，所述菌剂为植物乳杆菌、约氏黄杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、固氮菌组成，各菌剂等质量混合；所述菌剂有效活菌数≧100亿/g。

本发明还提供一种土壤改良剂的制备方法，包括以下步骤：将砒砂岩、粉煤灰、生物炭、牛羊粪有机肥、聚丙烯酸钠混合，搅拌，然后加入菌剂，继续搅拌，即得土壤改良剂。

本发明还提供一种土壤改良剂在高寒地区露天煤矿生态修复中的应用。

优选的，所述土壤改良剂施加量为800-1000kg/hm²。使用时，将土壤改良剂施加到土壤表面，进行翻耕，与表土混合。

砒砂岩成岩的程度低、易风蚀，各团聚体胶结程度差，易风化，容易导致水土流失，对区域生态环境会产生不利的影响。然而砒砂岩和质地较粗的排土场土壤相结合，砂粒与土壤团聚体之间就会形成很强的粘滞力，从而提高土壤水稳性团聚体的含量，改善土壤的物理结构，同时其含有大量的蒙脱石，具有很强的吸附能力和阳离子交换能力，能够有效的阻滞土壤中Na⁺、Ca²⁺等阳离子的运移，从而解决土壤保水保肥能力低下、植物对养分难以吸收的问题。在改善土壤的同时，还能有效地实现废物的资源化利用。

牛羊粪有机肥含大量的N、P、K及有机质，营养元素释放到土壤中，可解决土壤肥力低下的问题，有机组分与无机组分相互作用，影响土壤结构，改善土壤的理化性质。

生物炭具有的孔隙度和比表面积较大，对铵离子和磷酸根离子的吸附能力较强，可有效改善土壤养分淋失的问题，增加土壤保水保肥的能力，同时，还可以显著提高微生物的生物活性，提高土壤阳离子交换量，加快土壤的物质与能量的循环。

粉煤灰会造成很多的环境污染问题，甚至影响动植物及人体的健康。将粉煤灰应用于生态修复中，粉煤灰的添加有助于改变土壤的颗粒级配，改善矿山土壤孔隙大、孔隙分布不均匀的问题，另一方面，粉煤灰可提供许多植物生长所需要的微量元素，如Mg、N、B、Fe、Ca等，解决由于微量元素缺乏而导致的植物生长困难的难题。

约氏黄杆菌和植物乳杆菌可在较低温度下对植物残体进行降解，促进物质循环；枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌可显著提高植物的抗逆性，有效降低植物病虫害，促进植物根毛发育；酵母菌、放线菌可加速有机质腐解和氮矿化，增加生物可利用碳氮含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)施用本发明制备的土壤改良剂能明显地对土壤结构进行改善，增加其肥力，增强其保水保肥能力，根据实验证明，实施例与对照组相比，土壤容重降低12％-14％，土壤有机碳增加12％-14％，土壤总氮增加17％-21％，土壤总磷增加14％-17％，种植牧草后生物量增加95％-98％。(2)通过施加砒砂岩和粉煤灰，不仅增大土壤的密度和容重，增强其水土保持能力并提供植物所需要的微量元素，而且有效地实现了工业废物的资源化。

(3)生物炭和牛羊粪有机肥的配施延长了肥料的施放时间，提高肥料利用率，有效避免了环境的污染和资源的浪费，生物量提高10％。

(4)本发明将所有原料合理的配伍，最终实现修复生态土壤的目的。该土壤改良剂经济环保，且能实现资源的合理利用。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

以下实施例所用原料：

1、砒砂岩粒径<20mm，砒砂岩中蒙脱石含量大概在30％左右，在改善土壤物理结构的同时还可以增强土壤的阳离子交换量，促进植物对土壤养分的吸收。

2、牛羊粪有机肥由含水率70％的牛羊粪堆肥15-20天而成，牛羊粪的pH在7.5-8.5之间，含氮量2％以上，含磷量0.6％以上，有机质含量30％以上。

3、生物炭是将粉碎后的植物秸秆进行炭化处理所得。所述植物秸秆为秸秆、草本、枯枝败叶等原料构成，这些原料可就地取材，实现资源的高效利用。热解温度为400℃，该温度下生物炭的总体孔隙率大、比表面积大，适合作为土壤改良剂。生物炭粒径为0.2-0.3mm。

4、粉煤灰粒度为200-400目，较大颗粒需进行研磨破碎等预处理，pH为7-9，含水率<4％，氧化钙含量>15％。

5、菌剂为植物乳杆菌、约氏黄杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、固氮菌组成，各菌剂等质量混合；所述菌剂有效活菌数≧100亿/g。上述菌剂均为商购的现有菌剂。

实施例1

一种高寒地区露天闭坑煤矿的土壤改良剂，由以下质量份原料组成：砒砂岩70份，生物炭45份，牛羊粪有机肥30份，粉煤灰10份，聚丙烯酸钠2份，菌剂0.5份。

将上述原料均匀混合，得到土壤改良剂。

施用方法：将所得土壤改良剂施加到土壤表面，进行翻耕，翻耕深度20cm，与表土混合，施加量为1000kg/hm²，与表土混合均匀后，撒播牧草草种。

实施例2

一种高寒地区露天闭坑煤矿的土壤改良剂，由以下质量份原料组成：砒砂岩50份，生物炭50份，牛羊粪有机肥40份，粉煤灰20份，聚丙烯酸钠1份，菌剂0.5份。

将上述原料均匀混合，得到土壤改良剂。

施用方法：将所得土壤改良剂施加到土壤表面，进行翻耕，翻耕深度20cm，与表土混合，施加量为900kg/hm²，与表土混合均匀后，撒播牧草草种。

实施例3

一种高寒地区露天闭坑煤矿的土壤改良剂，由以下质量份原料组成：砒砂岩100份，生物炭30份，牛羊粪有机肥20份，粉煤灰15份，聚丙烯酸钠5份，菌剂1份。

将上述原料均匀混合，得到土壤改良剂。

施用方法：将所得土壤改良剂施加到土壤表面，进行翻耕，翻耕深度20cm，与表土混合，施加量为850kg/hm²，与表土混合均匀后，撒播牧草草种。

对比例1

同实施例1，区别在于，土壤改良剂仅含牛羊粪有机肥。

对比例2

同实施例1，区别在于，不添加砒砂岩。

对比例3

同实施例1，区别在于，不添加生物炭和粉煤灰。

对比例4

同实施例1，区别在于，不添加牛羊粪有机肥。

对比例5

同实施例1，区别在于，将菌剂替换成枯草芽孢杆菌。

将实施例1-3与对比例1-5制备的土壤改良剂以及对照组(未施加任何改良剂的土壤)在实验种植后进行性能测试，结果如表1所示。

表1

从表1中可以看出，各原料相互协调，共同作用，可有效改善土壤的理化性质，与对照组相比，实施例1-3与对照组相比，土壤容重降低12.6％-14.0％，土壤有机碳增加12.5％-14.4％，土壤总氮增加17.2％-21.8％，土壤总磷增加14.2％-17.4％，种植牧草后生物量增加95％-98.6％，说明该改良剂可以有效改善土壤结构，提高氮磷及有机物等养分指标的含量，增强土壤的保水保肥能力，促进植物生长，提高区域内的生物量；实施例1-3与对比例1相比，土壤容重降低10％-11.5％，土壤总有机碳增加5.7％-7.5％，土壤总氮增长7.1％-11.4％，土壤总磷增长7.5％-10.4％，这说明原土壤对肥力各元素的固持能力差，施加的有机肥不能充分利用，由于降水及地表径流等作用造成淋失，生物炭、砒砂岩及粉煤灰可有效地改善土壤结构，加强土壤的吸附作用，提高土壤内养分的利用率；实施例1-3与对比例2相比，土壤容重降低8.1％-9.6％，土壤有机碳增加3.9％—5.7％，土壤总氮增加2.7％-6.8％，土壤总磷增加4.3％-7.2％，种植牧草后生物量增加29.1％-31.5％，这说明砒砂岩能够降低土壤容重，改善土壤的物理结构，促进植物对营养元素的利用；实施例1-3与对比例3相比，土壤容重降低6.7％-8.2％，土壤有机碳增加4.9％-6.7％，土壤总氮增加5.6％-9.9％，土壤总磷增加5.9％-8.8％，种植牧草后生物量增加30.2％-32.6％，该步骤说明生物炭与粉煤灰具有很强的吸附作用，可以使肥料缓释，增大肥料的利用率，还可以改善土壤结构，有利于植物的生长发育；实施例1-3与对比例4相比，土壤容重降低3.1％-4.7％，土壤有机碳增加6.8％-8.6％，土壤总氮增加13.6％-18.2％，土壤总磷增加10.8％-13.8％，种植牧草后生物量增加45.4％-48.1％，对比说明原排土场土壤肥力低，缺乏氮磷及有机质等植物生长必需元素，而牛羊粪有机肥含有大量的营养成分，可有效改善土壤肥力低的问题，增强土壤养分，进而促进植物生长发育；实施例1-3与对比例5相比，土壤有机碳增加4.1％-5.9％，种植牧草后生物量增加32.6％-35％，这主要是因为菌剂中的植物乳杆菌、约氏黄杆菌能在较低的温度下对植物残体进行降解，促进物质循环；枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌可显著提高植物的抗逆性，有效降低植物病虫害，促进植物根毛发育；酵母菌、放线菌可加速有机质腐解和氮矿化，增加生物可利用碳氮有机质含量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高寒地区露天闭坑煤矿的土壤改良剂，其特征在于，包括以下质量份原料：砒砂岩50-100份，生物炭30-50份，牛羊粪有机肥20-40份，粉煤灰10-20份，聚丙烯酸钠1-5份，菌剂0.5-1份。

2.根据权利要求1所述的改良剂，其特征在于，所述砒砂岩粒径<20mm。

3.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述牛羊粪有机肥由含水率70％的牛羊粪堆肥15-20天而成。

4.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述生物炭是将粉碎后的植物秸秆进行炭化处理所得。

5.根据权利要求4所述的土壤改良剂，其特征在于，所述生物炭粒径为0.2-0.3mm。

6.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述粉煤灰粒度为200-400目。

7.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述菌剂由植物乳杆菌、约氏黄杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、固氮菌组成；所述菌剂有效活菌数≧100亿/g。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的土壤改良剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将砒砂岩、粉煤灰、生物炭、牛羊粪有机肥、聚丙烯酸钠混合，搅拌，然后加入菌剂，继续搅拌，即得土壤改良剂。

9.一种如权利要求1-7任一项所述的土壤改良剂在高寒地区露天煤矿生态修复中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述土壤改良剂施加量为800-1000kg/hm²。