CN114287313A

CN114287313A - 一种人工海绵土壤及其应用

Info

Publication number: CN114287313A
Application number: CN202111580217.0A
Authority: CN
Inventors: 李艳; 魏丹; 张馨元; 金梁; 丁建莉; 胡钰; 张新源
Original assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Current assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: CN114287313B

Abstract

本发明公开了一种人工海绵土壤及其应用。本发明人工海绵土壤包括位于表层的种植层、位于中间层的渗水层和位于底层的蓄水层；所述种植层由土壤、腐熟物料、珍珠岩和蛭石组成；所述渗水层由土壤、腐熟物料和砾石组成；所述蓄水层由土壤、腐熟物料和火山岩组成。本发明以农林废弃物经腐熟发酵得到的有机腐熟物料为原料构建人工海绵土壤，在实现农林废弃物资源化利用的同时制备人工海绵土壤，所制备得到的人工海绵土壤具有优异的入渗性能和持水能力，可应用于海绵城市建设，还可应用于城市花卉基质、设施土壤和绿色屋顶、墙壁等单项设施的建设。

Description

一种人工海绵土壤及其应用

技术领域

本发明涉及一种人工海绵土壤及其应用，属于人工土壤技术领域。

背景技术

土壤是陆地生态系统的主体，是农业生产的基础，属于不可再生资源。然而，由于人类的过度不合理开发利用，土壤资源日益减少，现有的许多土壤也面临着退化和污染问题。近年来国内外研究学者提出利用人工合成的人工土壤实施对土壤退化和污染土壤的修复，已被证明是行之有效的方法。

土体构型是发生在土壤剖面尺度上的物理非均质现象。它反应整个土体各个层次的排列组合关系，显示了土体发生过程和土体类型的特征，与土壤肥力和土壤分类有着密切的联系。土壤的基本发生层分为三个层次：表土层、心土层和底土层，作为农业生产重要的立地条件之一，深刻影响着水分、养分在土壤中的储存、运移以及作物的根系生长。

中国北京大学在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中首次提出“海绵城市”一词。海绵城市定义为城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将储存的水“释放”并加以利用。海绵城市六要素：渗、蓄、滞、净、用、排。设施构型从下到上包括：防水层、保护层、排水层、过滤层、基质层。

随着生产的快速发展和人民生活水平的提高，随之带来固体废弃物的排放量急剧増加，而堆放和处置场地却日益减少的问题日益突出。因此对选择合适的固体废物处理与处置方式不仅是经济发展的需要，也是保持人类生存所依赖的自然环境所必须的。虽然城市中已经有多处园林废弃物处理基地，但仍存在闲置状况严重、资源化利用技术与产业化水平滞后等问题。农林废弃物是土壤天然的养分，腐解后对土壤有机质含量的提升具有重要意义。

通过“海绵城市”和“土壤构型”的启示，提出“人工海绵土壤”这一概念，这种“土壤”具有功能清晰的土体结构，具有蓄水、净水、滞水能力，且在雨水密集的时期具有较一般土壤更强的渗水能力；在为植物提供养分和生物量方面具有更多的有机质含量和微生物代谢活动，高效进行养分的积聚或分解的转化过程。

目前国内人工土壤构建多应用于固定岩质边坡或作为边坡基质使用，为了适应海绵城市发展需求和都市农业的发展，未来应用于如公园农业、屋顶农业、阳台农业等城市建设以及构建适种观赏、食用等植物的不同的土壤形式，需要开发可调控水分、养分的人工海绵土壤。如何利用有机废弃物构建上述人工海绵土壤，提高有机废弃物利用率，同时替代不可再生资源草炭，是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种人工海绵土壤及其应用，以农林废弃物经腐熟发酵得到的有机腐熟物料为原料构建人工海绵土壤，在实现农林废弃物资源化利用的同时制备人工海绵土壤，所制备得到的人工海绵土壤具有优异的入渗性能和持水能力。

本发明提供的人工海绵土壤，包括位于表层的种植层、位于中间层的渗水层和位于底层的蓄水层；

所述种植层由土壤、腐熟物料、珍珠岩和蛭石组成；

所述渗水层由土壤、腐熟物料和砾石组成；

所述蓄水层由土壤、腐熟物料和火山岩组成。

上述的人工海绵土壤中，所述腐熟物料可由有机腐熟物料、枯草芽孢杆菌、保水剂和生物炭组成。

进一步地，所述有机腐熟物料可由畜禽粪便、食用菌菌渣、板栗壳、枯枝落叶、腐植酸和微生物菌剂制成；

优选地，所述畜禽粪便、所述食用菌菌渣、所述板栗壳和所述枯枝落叶的质量比为4：3：2：1；

优选地，所述腐植酸的质量为所述畜禽粪便的5％。

进一步地，所述腐熟物料中，所述枯草芽孢杆菌以菌液的形式添加；所述枯草芽孢杆菌菌液的浓度为1000000000cfu·g^-1；优选地，所述有机腐熟物料、所述枯草芽孢杆菌的菌液、所述保水剂和所述生物炭的体积比为7：1：0.5：1.5。

上述的人工海绵土壤中，所述种植层、所述渗水层和所述蓄水层的厚度比可为3：1：2。

作为实例，所述种植层的深度为0～30cm；所述渗水层的深度为30～40cm；所述蓄水层的深度为40～60cm。

上述的人工海绵土壤中，优选地，所述种植层中，所述土壤、所述腐熟物料、所述珍珠岩和所述蛭石的体积比为3：3：2：2。

上述的人工海绵土壤中，优选地，所述渗水层中，所述土壤、所述腐熟物料和所述砾石的体积比为3：1：1。

上述的人工海绵土壤中，优选地，所述蓄水层中，所述土壤、所述腐熟物料和所述火山岩的体积比为5：3：2。

本发明进一步提供上述的人工海绵土壤在作为能够同时调控水分和养分的植物栽培基质或土壤中的应用。

上述的应用中，所述人工海绵土壤具体可作为城市园林基质(如城市花卉基质)、设施土壤、绿色屋顶土壤或绿色墙壁土壤。

本发明具有如下有益效果：

本发明以农林废弃物经腐熟发酵得到的有机腐熟物料为原料构建人工海绵土壤，在实现农林废弃物资源化利用的同时制备人工海绵土壤，所制备得到的人工海绵土壤具有优异的入渗性能和持水能力。可应用于海绵城市建设，还可应用于城市花卉基质、设施土壤和绿色屋顶、墙壁等单项设施的建设。

附图说明

图1为制备有机腐熟物料的膜式发酵系统的结构示意图。

图中，1-控制器；2-通风管道；3-堆肥；4-沙袋。

图2为实施例2中人工海绵土壤水分渗滤调控实验中所用的柱形桶的照片。

图3为实施例2中CK组和S4处理组种植的菊花的株高对比照片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、筛选人工海绵土壤基质层材料配比

一、腐熟发酵制备有机腐熟物料

制备有机腐熟物料的各原料来源如下：

鸡粪是从北京市密云区北庄镇朱家湾村凯诚农业养鸡场采集的；

板栗壳取自北京市密云区黑山寺村的板栗壳；

食用菌菌渣取自北京市密云区黑山寺村(食用菌种植基地)，该食用菌菌渣为培养食用菌后的菌渣，菌渣参照地方标准生产食用菌菌渣型基质生产技术规程(DB 13/T2723—2018)；

枯枝落叶是从北京市密云区黑山寺村采集的；

腐植酸(粉剂)：购买于山西鑫金祥农业科技有限公司；腐植酸分子量为2000-5000，氮含量为2wt％～5wt％；

微生物菌剂购自购买于北京沃土天地生物科技有限公司，产品名称为微生物菌剂(通用型)-VT1000。

按照如下步骤有机腐熟物料：

(1)准备鸡粪、板栗壳、食用菌菌渣、枯枝落叶、腐植酸和微生物菌剂，各原料的基本化学性质见表1，将枯枝落叶、板栗壳粉碎至粒径不超过50mm与鸡粪、食用菌菌渣、腐植酸和微生物菌剂混匀，混料前加水控制物料的含水率为50％，碳氮比为1：30-35；

物料组成与配比(重量比)如下：

鸡粪：食用菌菌渣：板栗壳：枯枝落叶＝4：3：2：1；

每吨堆肥原料加1升微生物菌剂；

腐植酸的添加量为鲜粪污质量的5％；

表1、各原料的基础化学性质

(2)如图1所示，将物料堆成堆体(L×B×H＝15m*2m*1.5m)，建堆覆膜完成后，采用膜式发酵系统进行腐熟发酵，其中，堆肥在0.15m³/min通气量下进行，温度小于等于40℃时，曝气间隔10min，每次曝气30min；温度大于40℃，曝气间隔30min，每次曝气30min，曝气管在底层回旋布置，每根管距离为0.2m；温度探头分上、中、下三个部位垂直存在于堆体中心：垂直高度为0.3m—0.6m—0.9m，实时监测并形成温度走势图。温度为自动连续监测，曝气风机为固定频率进行曝气，根据肥堆的温度连续变化检测腐熟进度。前期发酵7d，发酵温度降为室温后，关闭设备开关，让腐熟物料沉化30d左右，期间，经过50℃以上72h杀虫卵、灭菌，备用。发酵后有机物料的检测数据如表2所示。

表2、发酵后有机物料检测数据

二、制备腐熟物料

制备腐熟物料的各原料来源如下：

有机腐熟物料：实施例1中制备得到的有机腐熟物料；

枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)购自北京伊塔生物科技有限公司，货号为YT2644。实验室保存，配成1000000000cfu·g^-1菌液(发酵培养液：蔗糖20g，淀粉20g，酵母膏1g，蛋白胨5g，NaNO₃ 3g，KH₂PO₄ 5g，CaCO₃ 10g，H₂O 1 000ml；pH 7.0。)。

保水剂：采购于青岛首科新材料有限公司，货号为SDK320(成分为聚丙烯酸盐)。

生物炭粉：由板栗壳烧制而成，具体在400-600℃厌氧热解5h制得，其基础化学性质如表3所示。

表3、生物炭粉基础化学性质

按照如下步骤腐熟物料：

按照表4中配比设置各试验处理，分别称取原料，混合，粉碎，即可得到腐熟物料，备用。

表4、试验处理：不同物料体积比

各试验处理的检测结果如表5和表6所示。

表5、各试验处理的理化指标

表6、各试验处理的理化指标

综合考虑以上理化指标，同时保水剂含量比例的添加会影响土壤含水量，所以选择T1处理配比为腐熟物料配比，并继续进行实验。

三、人工海绵土壤基质层材料配比筛选试验

通过不同物料的配比，测定物理、化学性质，同时进行植物种植试验，最终筛选出的基质层(种植层)物料配比。

土壤：采自于北京园林土壤，土壤类型为褐土；

草炭：粒径范围0.2-5mm；

珍珠岩：吸水率50％；

蛭石：吸水率50％-65％。

人工海绵土壤的基质层试验设备为普通塑料花盆(15L)，试验设置6个处理(如表7)，材料搅拌均匀后装盆，种植作物为生长一致的菊花，其品种为“神马”。

表7人工海绵土壤基质层物料配比表(体积比)

各试验处理之前，土壤基本理化性质如表8和表9所示。

表8、土壤基本理化性质

表9、土壤基本理化性质

各实验组按照其物料配比混合，处理土壤基本理化性质如表10和表11所示。

表10、处理土壤理化性质

表11、处理土壤理化性质

植物指标：测定土壤毒理性，各处理后期农艺措施均保持一致。每间隔一个月测定作物株高、茎粗、光合速率、叶绿素含量，菊花生长周期(7个月)完成后测定根长等指标，实验结果如表12和表13所示，通过以上指标测定结果筛选出适合植物生长的最佳材料配比。

表12、各处理作物株高、茎粗、光合速率和叶绿素含量

表13、各处理根系指标

综合以上不同物料配比实验，土壤理化特性和植物生长指标测定结果分析，T4处理作为最佳选择。

实施例2、构建人工海绵土壤

通过人工海绵土壤对水分的控制试验确定渗水层和蓄水层物料比例。

砾石：吸水率22％，粒径范围为5-10mm，外表平滑没有棱角。

火山石：吸水率50-60％，粒径范围为3-6mm。

试验设置6个处理(如表14)，种植层中基质为上步试验筛选出的基质最佳材料配比(T4处理配比)。种植作物为生长一致的“菊花”，其品种为“神马”。各处理后期农艺措施均保持一致。

试验装置：长宽高分别为50cm、50cm、60cm的柱形桶(如图2)。该装置已申请发表使用新型专利：一种人工海绵土壤水分渗滤调控实验模拟装置(CN211955464U)。实验装置每10cm具有取样孔，底部带有排水阀和排水孔，对应取样面背部带有联通管，可用于监测水位高度。

人工海绵土壤分三个层次：基质层、渗水层和蓄水层。基质层作为植物的种植层，是整个人工海绵土壤最厚且养分含量最高的部分，相当于常规土壤的有机层和腐殖质层，其厚度设置为30cm。渗水层孔隙结构相对较大，有利于雨水的快速下渗和过滤吸附，其厚度设置为10cm。蓄水层蓄水能力最强，作为人工海绵土壤的最下层，为作物需水时提供水分，其厚度设置为20cm。人工海绵土壤土层深度确定为基质层：渗水层：蓄水层＝3：1：2。构建方案如表14所示。

表14、人工海绵土壤的构建方案

对不同物料配比的基质进行水分调控实验，实验结果如表15所示。

表15、不同基质配比的水分调控实验

由表15可以看出，添加腐熟物料可以提高土壤的入渗性能，其中土壤：腐熟物料：砾石＝3：1：1时，初渗速率和稳渗速率最大，入渗性能最好；土壤：腐熟物料：火山岩＝5：3：2时，持水能力最强。

表16、不同处理的渗水系数和最大持水量

表17、土的渗透系数参考表

将人工海绵土壤各处理的渗水系数对照土壤渗透系数(表17)后可知，不同处理的人工海绵土壤的土壤质地均属于细砂级别，由表16可以看出，S4和S5的渗水系数最大，CK的最大持水量最高。

基于以上数据，可以知道单独添加腐熟物料可以提高土壤的入渗性能，但可能会降低土壤的持水能力；添加适当比例的海绵材料和腐熟物料可以提高土壤的入渗性能和持水能力，但并不能改变土壤质地。综上所述，在各处理配比中，S4处理的入渗性能和持水能力最好。

CK处理和S4处理种植神马菊花的试验结果如表18和表19所示，株高对比照片见图3。

表18、不同处理下植物的株高

表19不同处理下植物的生物量

表18和图3可见，人工海绵土壤可以促进菊花生长，株高增加，同时地上植株分支增加，花序数量随之增加。表19可见，人工海绵土壤增加了植物生物量。本发明人工海绵土壤可作为城市花卉基质。