CN114634817A - 土壤调理剂、土壤改良方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种土壤调理剂、土壤改良方法及其应用。本发明提供的土壤调理剂包括含钙矿物质、腐植酸、高分子聚合物、粘合剂、发酵有机肥和黄土。采用本发明的土壤调理剂可有效降低盾构渣土盐碱化程度，改善土壤结构，提高渣土土壤肥力，提升土壤质量，增强渣土保水保肥能力，为植物正常生长和发育创造了适宜的土壤环境条件。
Description
技术领域
本发明属于土壤改良领域，具体涉及一种土壤调理剂、土壤改良方法及其应用。
背景技术
近年来，随着社会经济的快速发展，我国道路交通建设发展飞速。盾构法是隧道暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，具有安全开挖和衬砌同步、掘进速度快等优点，广泛应用于地铁和道路隧道建设施工中，其产生的盾构渣土也逐渐成为城市固体废弃物主要来源，给城市环境带来了极大的挑战。据统计，采用盾构法施工每1km可产生约5万m3渣土。大量盾构渣土直接排放造成的危害涉及占用土地资源、降低土壤质量、破坏市容和卫生环境、堆体边坡具有滑坡灾害风险、风力作用下渣土易形成扬尘而极大地污染大气环境、自然降水条件下污染物下渗和平流而污染周边土壤及地下水、影响航运及道路交通安全等。
为了保证施工工程的顺利进行，往往要求盾构渣土具有良好的流动性、合适的塑性、较低的抗剪强度和黏附强度、较小的渗透系数和一定的压缩性，因此盾构法施用掘进过程中需要投加大量的药剂如泡沫剂(表面活性剂、稳泡剂等)、分散剂(纤维素衍生物、聚羧酸盐类、硅酸盐类、碱金属磷酸盐类等)、黏土矿物质(钙基膨润土、钠基膨润土等)、絮凝剂(聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素等)等，结果导致产生的盾构渣土存在盐碱化严重、土壤结构差、土壤肥力贫瘠、土壤保水保肥能力差等问题，主要表现为渣土含盐量较高、pH偏大、团粒结构缺乏、保水保肥能力差、各养分及有机质含量低等，其不仅会对土壤、水体和大气造成污染，而且还会降低渣土资源化利用效率，影响植树造林的顺利进行。因此，盾构渣土盐碱化严重及其土壤质量低、土壤肥力贫瘠等问题的解决迫在眉睫。积极改良和改善盾构渣土，将其用于地形用土和绿化基质用土，有利于提高盾构渣土的资源化利用效率和附加值，减少渣土的无效搁置堆放和对环境的危害，有利于农林业生产发展，保障林草植被生长，有效改善生态环境。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种土壤调理剂，其能够降低盾构渣土pH、减少全盐含量、提升渣土养分和有机质含量、促进渣土中团粒结构的形成，增强渣土保水保肥能力，改善渣土结构，提高盾构渣土质量。此外，本发明还提供了采用本发明的土壤调理剂改良土壤的方法及其应用。
在第一方面，本发明提供了一种土壤调理剂，其包括含钙矿物质、腐植酸、高分子聚合物、粘合剂、发酵有机肥和黄土。
根据本发明的一些实施方式，按重量份计，所述土壤调理剂包括0.50-1.00份含钙矿物质、1.00-2.40份腐植酸、0.01-0.02份高分子化合物、0.40-0.50份粘合剂、2.00-3.00份发酵有机肥和20-30份黄土。
根据本发明的一些实施方式，所述含钙矿物质包括脱硫石膏。本发明中，所述脱硫石膏来自燃煤或燃油的工业企业在治理烟气中的二氧化硫后而得到的工业副产石膏，主要成分为二水硫酸钙和少量的粘性物质，含量≥93％。脱硫石膏是燃煤烟气脱硫副产物，对其加工利用不仅有力地促进了国家环保循环经济的进一步发展，而且还大大降低了矿石膏的开采量，保护了资源。
根据本发明的一些实施方式，所述腐植酸为氨化腐植酸。本发明中，腐植酸是动植物遗骸，主要是植物的遗骸，经过微生物的分解和转化，以及地球化学的一系列过程造成和积累起来的一类有机-无机大分子物质，其基本结构是芳环和脂环，环上连有羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等官能团。向土壤中添加腐植酸，可有效改善土壤结构，调节土壤酸碱环境平衡，提高土壤有机质含量和通气孔隙度，提升土壤质量。
根据本发明的一些实施方式，所述高分子聚合物包括聚丙烯酰胺和聚丙烯酸盐。根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯酰胺和所述聚丙烯酸盐的质量比为1:(5-10)，例如可以为1:5、1:6、1:7、1:8、1:9和1:10以及它们之间的任意值。
根据本发明的一些实施方式，优选地，所述高分子聚合物的分子量300万-600万，水解度为10％-30％。根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯酸盐选自聚丙烯酸钠，优选选自颗粒型聚丙烯酸钠。根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯酰胺为阴离子型聚丙烯酰胺。本发明中，采用的低分子量的聚丙烯酸盐具有良好的保水性和润滑性，分子量较小；采用的聚丙烯酰胺是一种良好的土壤结构改良剂，可有效促进土壤中团粒结构的形成，增加土壤入渗率，减少地表径流，增强土壤保水保肥能力，利于土壤植物的生长。具有交联结构的聚丙烯酸盐是一种高吸水树脂，用于改良土壤结构的通常是水溶性的线形聚合物。本发明的发明人经过研究发现，若高分子聚合物的分子量过低，则其稳定土壤的效能太低，而若分子量过高，生产成本增加，并且产品粘度过大导致施用困难；另外，分子量过大，聚丙烯酰胺难以渗透到土壤内部，也会影响它对土壤的稳定效果。因此，本发明中采用的高分子聚合物为聚丙烯酸酰胺和聚丙烯酸钠组成的复合颗粒型聚丙烯酸盐，分子量10-20万，水解度10-30％。
根据本发明的一些实施方式，所述粘合剂包括黑矾。
根据本发明的一些实施方式，所述发酵有机肥包括牛粪发酵产物和任选的添加剂，优选地，所述添加剂包括破碎秸秆、稻壳或树叶中的一种或多种。本发明中，牛粪经过发酵剂腐熟后，即是优质的有机肥，其有效活菌数含量高，降解能力强，同时能够达到升温、除臭、消除病虫害、杂草种子和提高养分的效果。
本发明中的黄土为半熟黄土或地表熟土。根据本发明的一些实施方式，所述黄土包括0.6wt％以上的有机质。根据本发明的一些实施方式，所述黄土的容重为1.0-1.35g/cm3。土壤经过人为的耕作、施肥后，土壤熟化程度高，土壤疏松，结构较好，较易耕作，具有良好的通气透水性，肥力较高，属于熟土。本发明中采用黄土是优质的土壤，它不仅具备土壤腐殖层、淋溶层、淀积层三层的分层特征，还有其他土壤所不具备的独特品质，且是一种很肥沃的土层，对农业生产极为重要，并且具有较好的固定资源来源。
在第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的土壤调理剂进行土壤改良的方法，其包括以下步骤：
S1：将待改良土壤与所述含钙矿物质进行第一混合，得到第一混合土壤；
S2：将所述第一混合土壤与所述黄土进行第二混合，得到第二混合土壤；
S3：将所述第二混合土壤与所述腐植酸、高分子聚合物、粘合剂和发酵有机肥进行第三混合，得到第三混合土壤；
S4：对所述第三混合土壤进行浇水处理，待所述土壤调理剂与所述待改良土壤反应稳定后，再进行栽植植物。
根据本发明的一些实施方式，所述待改良土壤为盾构渣土。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述第一混合采用第一交叉旋耕进行。
根据本发明的一些实施方式，所述待改良土壤的厚度为30-40cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第一交叉旋耕的深度为20-30cm，所述第一交叉旋耕的次数为2-3次。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述第二混合采用第二交叉旋耕进行。
根据本发明的一些实施方式，所述第二交叉旋耕的深度为20-30cm，所述第二交叉旋耕的次数为2-3次。
根据本发明的一些实施方式，步骤S3中，所述第三混合采用第三交叉旋耕进行。
根据本发明的一些实施方式，优选地，所述第三交叉旋耕的深度为20-30cm，所述第三交叉旋耕的次数为2-3次。
根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述浇水处理至土壤含水量为75％-85％。
根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述反应稳定的时间为7天。术语“反应稳定”指的是本发明的土壤调理剂与待改良土壤之间的反应基本完成，达到基本稳定的状态。
根据本发明的一些实施方式，以所述待改良土壤的干质量为100％计，所述土壤调理剂包括0.50％-1.00％含钙矿物质、1.00％-2.40％腐植酸、0.01％-0.02％高分子聚合物、0.40％-0.50％粘合剂、2.00％-3.00％发酵有机肥和20％-30％黄土。
根据本发明的一些具体实施方式，所述方法包括如下步骤：(1)将盾构渣土用车运到存土场，人工耙平将渣土平铺30-40cm，在其上均匀散施含钙矿物质，用旋耕机交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，达到旋耕均匀即可；(2)再在其上铺设渣土体积百分比20％-30％黄土，将黄土用钩机抚平后，用旋耕机交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，充分拌土；(3)再在其上铺腐植酸、高分子聚合物、粘合剂和发酵有机肥，用旋耕机十字交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，达到旋耕均匀即可；(4)浇灌水分适量(土壤田间含水量80％)后，土壤调理剂与渣土反应稳定7日(一周)以上，再进行栽植植物。土壤调理剂的具体添加量为：按照渣土干质量的百分比添加，0.50％-1.00％含钙矿物质、1.00％-2.40％腐植酸、0.01％-0.02％高分子聚合物、0.40％-0.50％粘合剂、2.00％-3.00％发酵有机肥、20％-30％黄土。
在第三方面，本发明提供了根据第一方面所述的土壤调理剂或根据第二方面所述的方法在土壤改良中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述土壤改良为盾构渣土绿化基质改良。
本发明提供的土壤调理剂易于渣土处置场实施，操作简单，实用性强。另外，本发明提供的土壤调理剂所需材料资源丰富，价廉易得，具有主要的功能性、环境协调性、经济性特点。本发明的土壤调理剂可有效降低盾构渣土盐碱化程度，改善土壤结构，提高渣土土壤肥力，提升土壤质量，增强渣土保水保肥能力，为植物正常生长和发育创造了适宜的土壤环境条件。
具体实施方式
本申请通过以下实施例详细描述本申请，可使本专业技术人员更全面的理解本申请，但这些实施例并不对本申请的范围构成任何限制。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下实施例中，所采用的的土壤调理剂中的含钙矿物质为脱硫石膏，高分子聚合物为聚丙烯酰胺和颗粒型聚丙烯酸钠(使用比例为1:6)，粘合剂为黑矾，黄土含有0.6wt％以上的有机质，黄土的容重为1.14g/cm3，发酵有机肥为纯牛粪发酵产物和破碎秸秆、稻壳或树叶的混合物。
实施例1
(1)将盾构渣土用车运到北京市通州区马驹桥试验基地，人工耙平将渣土平铺30cm，在其上均匀散施0.50％含钙矿物质，用旋耕机交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，达到旋耕均匀即可。
(2)再在其上铺设30％马驹桥试验基地当地黄土，将黄土用钩机抚平后，用旋耕机交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，充分拌土。
(3)再在其上铺设0.18％腐植酸、0.01％高分子聚合物、0.45％粘合剂和2.00％发酵有机肥，用旋耕机十字交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，达到旋耕均匀即可。
(4)浇灌水分适量(土壤田间含水量80％)后，土壤调理剂与渣土反应稳定7日(一周)以上，再进行分别栽植沙地柏和马蔺两种植物幼苗。
上述步骤中，土壤调理剂的添加量均基于渣土的干质量计。
该方法在北京市通州区马驹桥实施3个月后，可使改良后的盾构渣土较空白的比重、容重和pH有一定降低，渣土总孔隙度有所提升，土壤结构得到有效改善；有机质和氮磷钾速效养分等肥力指标明显提高。改良后的盾构渣土质量达到《园林绿化种植土壤技术要求(DB11/T864-2020)》土壤主控指标一般绿化土的要求。
实施例2
(1)将盾构渣土用车运到北京市顺义区六元桥试验基地，人工耙平将渣土平铺30cm，在其上均匀散施0.80％含钙矿物质，用旋耕机交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，达到旋耕均匀即可。
(2)再在其上铺设30％六元桥试验基地当地黄土，将黄土用钩机抚平后，用旋耕机交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，充分拌土。
(3)再在其上铺设0.20％腐植酸、0.01％高分子聚合物、0.40％粘合剂和3.00％发酵有机肥，用旋耕机十字交叉旋耕2-3遍，旋耕深度为20-30cm，达到旋耕均匀即可；
(4)浇灌水分适量(土壤田间含水量80％)后，土壤调理剂与渣土反应稳定7日(一周)以上，再进行分别栽植三七景天和银杏幼苗。
上述步骤中，土壤调理剂的添加量均基于渣土的干质量计。
该方法在北京市顺义区六元桥实施3个月后，可使改良后的盾构渣土较空白的比重、容重和pH有一定降低，渣土总孔隙度有所提升，土壤结构得到有效改善；有机质和氮磷钾速效养分等肥力指标明显提高。改良后的盾构渣土质量达到《园林绿化种植土壤技术要求(DB11/T864-2020)》土壤主控指标一般绿化土的要求。
实施例3
采用与实施例1相同的方法进行盾构渣土改良，区别仅在于步骤(2)中向盾构渣土中掺拌黄土的用量不同，以研究土壤调理剂中黄土用量对盾构渣土理化性质的影响，该影响主要包括土壤容重、总孔隙度和田间持水量等方面，结果如表1所示。
表1
由表1可以得出，与纯砂土空白组相比，掺拌一定比例的黄土均可有效降低土壤容重，增大土壤总孔隙度，田间持水量得到小幅度提升。其中，盾构渣土中掺拌20％黄土时，即可使改良后的盾构渣土质量达到《园林绿化种植土壤技术要求(DB11/T864-2020)》土壤主控指标一般绿化土的要求，即盾构渣土用于绿化基质用土改良处理时，可掺拌渣土体积百分比20％-30％的黄土。
实施例4土壤调理剂优化组合筛选
采用与实施例1相同的方法进行盾构渣土改良，区别仅在于步骤(3)中腐殖酸、高分子聚合物和粘合剂的用量不同，以研究土壤调理剂中腐殖酸、高分子聚合物和粘合剂的用量对盾构渣土理化性质的影响。本实施例采用三因素三水平正交试验设计，腐植酸(简称为H)、高分子聚合物(简称为S)、粘合剂(简称为N)用量水平处理见表2和表3。
表2各因素用量编码
表3盾构渣土改良材料筛选正交试验设计L9(33)
通过正交试验设计开展盾构渣土改良的土壤培养试验，采用正交分析、Pearson相关性分析、热图分析、主成分分析和因子分析方法，对改良材料施入后土壤指标及其相关关系进行分析，参考相关土壤养分丰缺程度的指标可得复合材料对盾构渣土改良效果评价较高是A5处理(H2S2N3)，即腐殖酸用量为13.00g/kg渣土，高分子聚合物用量为0.10g/kg渣土，粘合剂用量为4.00g/kg。
实施例5土壤调理剂对盾构渣土物理化学性质的影响
采用与实施例1相同的方法进行盾构渣土改良，本发明的土壤调理剂对盾构渣土物理化学性质的影响主要包括土壤pH、容重、比重、总孔隙度、有机质、水解性氮、有效磷和速效钾指标，结果如表4所示。
表4土壤调理剂对盾构渣土物理化学性质的影响
由表4可以得出，与空白对照组相比，采用本发明的土壤调理剂进行盾构渣土改良具有如下的效果：盾构渣土pH降低了12.72％，符合土壤动植物所需的酸碱性条件；渣土容重、比重分别降低了4.32％、4.55％，均达到了植物正常生长发育所需环境条件；渣土总孔隙度上升了19.25％，但满足土壤动植物生存和土壤微生物群落增殖条件；土壤有机质、水解性氮、有效磷和速效钾均有大幅度提升，提升了盾构渣土土壤肥力，改善了土壤结构，增强了渣土保水保肥能力，符合植物正常生长发育所需条件。由此，说明施用本发明的土壤调理剂可有效提高盾构渣土土壤肥力，改善土壤结构，提升土壤质量，增强渣土保水保肥能力。
本发明土壤调理剂可有效降低盾构渣土盐碱化程度，改善土壤结构，提高渣土土壤肥力，提升土壤质量，增强渣土保水保肥能力，为植物正常生长和发育创造了适宜的土壤环境条件。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种土壤调理剂，其包括含钙矿物质、腐植酸、高分子聚合物、粘合剂、发酵有机肥和黄土。
2.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，按重量份计，所述土壤调理剂包括0.50-1.00份含钙矿物质、1.00-2.40份腐植酸、0.01-0.02份高分子化合物、0.40-0.50份粘合剂、2.00-3.00份发酵有机肥和20-30份黄土。
3.根据权利要求1或2所述的土壤调理剂，其特征在于，所述高分子聚合物包括聚丙烯酰胺和聚丙烯酸盐，优选地，所述聚丙烯酰胺和所述聚丙烯酸盐的质量比为1:(5-10)。
4.根据权利要求3所述的土壤调理剂，其特征在于，所述高分子聚合物的分子量300万-600万，水解度为10％-30％；优选地，所述聚丙烯酸盐选自聚丙烯酸钠。
5.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述黄土包括0.6wt％以上的有机质；优选地，所述黄土的容重为1.0-1.35g/cm3。
6.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述含钙矿物质包括脱硫石膏；和/或
所述粘合剂包括黑矾；和/或
所述发酵有机肥包括牛粪发酵产物和任选的添加剂，优选地，所述添加剂包括破碎秸秆、稻壳或树叶中的一种或多种。
7.一种采用权利要求1-6中任一项所述的土壤调理剂进行土壤改良的方法，其包括以下步骤：
S1：将待改良土壤与所述含钙矿物质进行第一混合，得到第一混合土壤；
S2：将所述第一混合土壤与所述黄土进行第二混合，得到第二混合土壤；
S3：将所述第二混合土壤与所述腐植酸、高分子聚合物、粘合剂和发酵有机肥进行第三混合，得到第三混合土壤；
S4：对所述第三混合土壤进行浇水处理，待所述土壤调理剂与所述待改良土壤反应稳定后，再进行栽植植物。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待改良土壤为盾构渣土；和/或
步骤S1中，所述第一混合采用第一交叉旋耕进行；优选地，所述待改良土壤的厚度为30-40cm，所述第一交叉旋耕的深度为20-30cm，所述第一交叉旋耕的次数为2-3次；和/或
步骤S2中，所述第二混合采用第二交叉旋耕进行；优选地，所述第二交叉旋耕的深度为20-30cm，所述第二交叉旋耕的次数为2-3次；和/或
步骤S3中，所述第三混合采用第三交叉旋耕进行；优选地，所述第三交叉旋耕的深度为20-30cm，所述第三交叉旋耕的次数为2-3次；和/或
步骤S4中，所述浇水处理至土壤含水量为75％-85％；所述反应稳定的时间为5-10天。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，以所述待改良土壤的干质量为100％计，所述土壤调理剂包括0.50％-1.00％含钙矿物质、1.00％-2.40％腐植酸、0.01％-0.02％高分子聚合物、0.40％-0.50％粘合剂、2.00％-3.00％发酵有机肥和20％-30％黄土。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的土壤调理剂或根据权利要求7-9中任一项所述的方法在土壤改良特别是在盾构渣土绿化基质改良中的应用。
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