人工土壤及其制备方法和改良沙漠化土壤的方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 105660234 A (43)申请公布日 2016.06.15

(21)申请号 201610045235.1(22)申请日 2016.01.21

(71)申请唐国际发电股份有限公司高铝煤

炭资源开发利用研发中心

地址010321 内蒙古自治区鄂尔多斯市准格

尔旗大路新区大唐研发实验楼申请人内蒙古大学(72)发明人杨志杰 孙俊民 赵吉 康振中

许继飞(74)专利代理机构北京同立钧成知识产权代理

有限公司 11205

代理人陶敏 黄健(51)Int.Cl.

A01G 9/10(2006.01)A01B 79/00(2006.01)A01C 1/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页

()发明名称

人工土壤及其制备方法和改良沙漠化土壤的方法(57)摘要

本发明提供一种人工土壤及其制备方法和改良沙漠化土壤的方法，所述人工土壤按照重量份包括如下原料：畜禽粪便30～50份，硅钙渣50～70份，沙子0～20份，水15～25份，解磷释钾菌0.006～0.014份，且该人工土壤的pH为中性至弱碱性。本发明的人工土壤原料成本低，能够对工业固废和农业固废实现资源化利用，有效提高人工土壤对水分的保持利用率，实现沙漠化土壤的改良。 C N 1 0 5 6 6 0 2 3 4 ACN 105660234 A

权　利　要　求　书

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1.一种人工土壤，其特征在于，按照重量份包括如下原料：畜禽粪便30～50份，硅钙渣50～70份，沙子0～20份，水15～25份，解磷释钾菌0.006～0.014份，且该人工土壤的pH为中性至弱碱性。

2.根据权利要求1所述的人工土壤，其特征在于，所述禽畜粪便的粒径为3～8mm，所述硅钙渣的粒径为1～3mm，所述沙子的粒径为0.5～1mm。

3.根据权利要求1或2述所述的人工土壤，其特征在于，所述硅钙渣的pH值为7～8；按照重量百分数计，所述沙子和畜禽粪便的含水量不高于8％。4.根据权利要求1～3任一项所述的人工土壤，其特征在于，所述人工土壤按照下述方法制备得到：将4～6％的解磷释钾菌水溶液与畜禽粪便、硅钙渣、沙子混合，加入余量水，静置一周后调节pH值为中性至弱碱性，制得所述人工土壤。

5.权利要求1～4任一所述的人工土壤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)取部分水将0.006～0.014份解磷释钾菌配制成质量分数为4～6％的解磷释钾菌水溶液；

2)将50～70份硅钙渣，0～20份沙子，30～50份畜禽粪便混合，搅拌20～30min，得到第一混合物；

3)将所述解磷释钾菌水溶液与所述第一混合物混合，搅拌10～20min，随后加入余量水，在20～25℃下静置一周，得到第二混合物；

4)调节所述第二混合物的pH值为中性至弱碱性，制得所述人工土壤。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)前还包括将所述硅钙渣的预处理至pH值为7～8且粒径为1～3mm的颗粒。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)前还包括将所述沙子预处理至含水量不高于8％且粒径为0.5～1mm的颗粒。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)前还包括将所述畜禽粪便预处理至含水量不高于8％且粒径为3～8mm的颗粒。

9.一种改良沙漠化土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将权利权利要求1～4任一所述的人工土壤覆盖至沙漠化土壤表面，得到改良土壤，控制所述人工土壤在所述沙漠化土壤表面的覆盖厚度为2～3cm；

2)将植被在所述改良土壤中进行培育。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述植被为使用权利要求1～4任一所述的人工土壤培养草籽而成的幼苗。

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人工土壤及其制备方法和改良沙漠化土壤的方法

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技术领域

[0001]本发明涉及环保土技术，尤其涉及一种人工土壤及其制备方法和改良沙漠化土壤的方法。

背景技术

[0002]全球沙漠化问题导致人类的生存空间和可持续发展已经受到了严重的威胁，成为全世界关注的重要生态环境问题。全球有2/3的国家和地区受到沙漠化的危害，有近35.3亿m2的陆地面积正受到沙漠化的威胁，防治沙漠化是全人类所面临的最最严峻和紧迫的任务之一。中国也是深受沙漠化危害的国家之一，沙漠化遍及宁夏、陕西、山西、河北、吉林、辽宁、黑龙江、、内蒙古、、甘肃、青海等广大地区，总面积达17397万hm2，占国土面积的18.1％。我国沙漠化面积大，人口众多，广大沙漠地区，生态脆弱，经济条件较为落后，沙漠化防治的难度很大。

发明内容

[0003]本发明提供一种人工土壤及其制备方法和改良沙漠化土壤的方法，通过工业固废与农业固废的资源化利用，实现沙漠化土壤的改良。[0004]本发明提供一种人工土壤，按照重量份包括如下原料：畜禽粪便30～50份，硅钙渣50～70份，沙子0～20份，水15～25份，解磷释钾菌0.006～0.014份，且该人工土壤的pH为中性至弱碱性。

[0005]本发明的人工土壤pH值呈现中性至弱碱性，即pH在7～8之间，该pH值能够有效增强土壤肥力并且符合大多数植物的成生长环境。[0006]具体地，硅钙渣是煤基固废的一种，是粉煤灰通过碱法提取氧化铝后剩余的尾渣，主要成分为2CaO·SiO2，由于硅钙渣的产地有限，目前对其进行的研究较少。发明人经过大量研究后发现，粉煤灰经过提铝后，粉煤灰中玻璃微珠结构遭到严重破坏，颗粒表面受到严重腐蚀，使得硅钙渣颗粒呈多孔、疏松结构，从而具有粒度细、比表面积大、活性高等特点，因此，将硅钙渣作为人工土壤中的原料之一，既能增强土壤的疏松性，还能够充分利用硅钙渣资源，实现其资源化利用，不仅对提高粉煤灰综合利用率具有重要的意义，而且可以缓解硅钙渣因排放堆积带来的二次污染。

[0007]畜禽粪便是一种农业与农村固废，本发明中的畜禽粪可以是牛粪、鸡粪、猪粪等的一种或多种。另外，解磷释钾菌是一种能够将植物难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的形态的微生物，尤其是解磷释钾菌中的胶质芽孢杆菌能够有效的对硅钙渣和畜禽粪便中的磷元素以及钾元素进行释放和转化，有能够分解钾长石、磷灰石等不溶的硅铝酸盐的无机矿物，促进难溶性的钾、磷、镁等养分元素转化成为可溶性养分，增加土壤中速效养分含量，帮助增强人工土壤的营养功能。

[0008]本发明提供的人工土壤原料成本低，能够对工业固废和农业固废实现资源化利用，采用工业固废硅钙渣和农业固废畜禽粪便作为主要原料，有效提高人工土壤对水分的

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保持利用率，补充氮、磷、钾等大量营养元素和钙、硅、镁、铁、锌、铜、锰等中微量元素，提高土壤的营养水平，促使植物常量和微量营养元素均衡，满足植株生长发育对水分和营养的需求。

[0009]进一步地，所述禽畜粪便的粒径为3～8mm，所述硅钙渣的粒径为1～3mm，所述沙子的粒径为0.5～1mm。其中，将禽畜粪便和硅钙渣的粒径控制在该范围，能够有效增加解磷释钾菌对禽畜粪便和硅钙渣的接触面积，保证禽畜粪便和硅钙渣中营养元素的最大化释放；将沙子的粒径控制在该范围，能够保证土壤的最优蓬松度，利于植物和微生物的生长。[0010]进一步地，所述硅钙渣的pH值为7～8；按照重量百分数计，所述沙子和畜禽粪便的含水量不高于8％。具体的，可以使用重量分数为3～5％的水溶液调节硅钙渣的pH值以控制人工土壤的pH值。由于土壤原料中包括水，为了保证土壤的最佳形态，需要对沙子和畜禽粪便的含水量进行控制，当控制两者的含水量不高于8％时，土壤在呈现最佳形态的同时还具有最佳的含水量，因此能够为植物和微生物提供良好的生长环境。[0011]进一步地，所述人工土壤按照下述方法制备得到：将4～6％的解磷释钾菌水溶液与畜禽粪便、硅钙渣、沙子混合，加入余量水，静置一周后调节pH值为中性至弱碱性，制得所述人工土壤。在具体操作过程中，为了增加土壤中的氮含量，可以选用质量浓度为3～5％的水溶液调节土壤的pH值。优选的，可以将解磷释钾菌水溶液的质量浓度控制为5％。[0012]本发明还提供一种上述任一所述的人工土壤的制备方法，包括如下步骤：

[0013]1)取部分水将0.006～0.014份解磷释钾菌配制成质量分数为4～6％的解磷释钾菌水溶液；

[0014]2)将50～70份硅钙渣，0～20份沙子，30～50份畜禽粪便混合，搅拌20～30min，得到第一混合物；

[0015]3)将所述解磷释钾菌水溶液与所述第一混合物混合，搅拌10～20min，随后加入余量水，在20～25℃下静置一周，得到第二混合物；

[0016]4)调节所述第二混合物的pH值为中性至弱碱性，制得所述人工土壤。[0017]本发明并不步骤1)和2)的先后顺序，可以先配制解磷释钾菌水溶液，也可以先将硅钙渣，沙子和畜禽粪便混合生成第一混合物。[0018]步骤1)中，可以在15～25份水中取适量水将0.006～0.014份解磷释钾菌配制成质量分数为4～6％的解磷释钾菌水溶液。当将解磷释钾菌水溶液和第一混合物混合后，再向其中加入剩余的水，并且在20～25℃下静置一周，得到第二混合物。该静置过程能够保证各原料成分间的微生物相互作用发酵，从而为人工土壤提供大量的营养元素。步骤4)中，可以用质量浓度为3～5％的水溶液调节第二混合物的pH值至7～8，从而制备出中性至弱碱性的人工土壤。其中，控制该制备方法中的搅拌速率在1000～3000r/min。[0019]本发明提供的人工土壤的制备方法，操作简便，可实施性高，无需借助大型设备，通过控制原料的添加形态和添加顺序得到了富含多种营养元素的人工土壤。[0020]进一步地，步骤2)前还包括将所述硅钙渣的预处理至pH值为7～8且粒径为1～3mm的颗粒。具体地，可以采用质量浓度为3～5％的水溶液调节硅钙渣的pH值，并优选调节pH值至7.5。

[0021]进一步地，步骤2)前还包括将所述沙子预处理至含水量不高于8％且粒径为0.5～1mm的颗粒。

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进一步地，步骤2)前还包括将所述畜禽粪便预处理至含水量不高于8％且粒径为3

～8mm的颗粒。其中，可以直接将畜禽粪便堆叠，其中的微生物发酵产生的热量能够将畜禽粪便中的水分进行烘干。

[0023]本发明还提供了一种改良沙漠化土壤的方法，包括如下步骤：[0024]1)将上述任一所述的人工土壤覆盖至沙漠化土壤表面，得到改良土壤，控制所述人工土壤在所述沙漠化土壤表面的覆盖厚度为2～3cm；[0025]2)将植被在所述改良土壤中进行培育。

[0026]可以采用覆盖法将本发明的人工土壤覆盖在沙漠化土壤表面形成改良土壤并控制厚度在2～3cm即可，由于本发明的人工土壤富含多种营养元素土质肥沃，因此通过在改良土壤中进行植被的种植能够提高植被的存活率，有效提高沙漠化土壤对水分的保持利用率。

[0027]本发明提供的改良沙漠化土壤的方法，通过在沙漠化土壤表面覆盖本发明的人工土壤，能够满足生长发育对水分和营养的要求，植被发育后可长期固定并改良沙漠化土壤，治理沙漠化环境。[0028]进一步的，所述植被为使用上述任一所述的人工土壤培养草籽而成的幼苗。为了提高植被的存活率，可以选取抗旱、易成活的牧草或能源草草籽品种并预先使用本发明的

再将该幼苗移植至改良土壤中进行培育。人工土壤培育至发芽成为幼苗，

[0029]本发明的实施，至少具有以下优势：

[0030]1)本发明将硅钙渣和畜禽粪便资源作为人工土壤的主要原料，不仅能够减缓硅钙渣和畜禽粪便资源对环境的二次污染，还能够实现硅钙渣和畜禽粪便的资源化利用，生成高营养水平的人工土壤。

[0031]2)本发明中人工土壤的制备方法简单易操作，通过对原料进行预处理以及添加顺序的控制，能够生成土质肥沃的人工土壤，为工业固废和农业固废的资源化利用提供了可实施的操作基础。

[0032]3)通过在沙漠化土壤上覆盖本发明的人工土壤层，能够有效提高沙漠化土壤对水分的保持利用效率，为沙漠化土壤补充氮、磷、钾等大量营养元素和钙、硅、镁、铁、锌、铜、锰等中微量元素，提高沙漠化土壤的营养水平，促使植物常量和微量营养元素均衡，满足植株生长发育对水分和营养的需求，并且植被发育后可长期固定并改良沙漠化土壤，从而实现沙漠化环境的有效治理。

具体实施方式

[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0034]本实施例中原料来源与参数指标如下：[0035]硅钙渣：大唐国际脱碱处理后所得的硅钙渣[0036]牛粪：蒙牛集团公牛养殖场腐熟后的牛粪，含水量＜8％[0037]沙子：建筑用沙，含水量≤8％

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实施例1

[0039]本实施例的人工土壤，按照按照重量份包括如下原料：牛粪30份，硅钙渣70份，沙子15份，水25份，解磷释钾菌0.006份。[0040]该人工土壤可按如下方法制备：[0041]1)在25份水中取出适量水，将0.006份解磷释钾菌配制为质量浓度为5％的解磷释钾菌水溶液。

[0042]2)用粉碎机将硅钙渣的粉碎至粒径为1～3mm的颗粒，然后用3％的水溶液调节其pH值为7.5，备用；[0043]将沙子过筛，选取粒径为0.5～1mm的沙子备用；[0044]将牛粪研磨至粒径为3～8mm的颗粒，备用；[0045]将经过上述预处理后的硅钙渣、沙子和牛粪混合，在1000r/min的搅拌速率下搅拌20min，得到第一混合物。

[0046]3)将步骤1)中制备的解磷释钾菌水溶液接入第一混合物中，随后加入剩余的水，在20℃静置一周，得到第二混合物。

[0047]4)用3％的水溶液调节第二混合物的pH值为7.8，得到人工土壤，经检测，该人工土壤含水率为20％。

[0048]利用本实施例的人工土壤改良沙漠化土壤，方法如下：

[0049]1)利用人工土壤对牧草草籽进行育苗培养至发芽成为幼苗，育苗条件为：温度25℃，光照周期12h/d。实验结果：草籽发芽率为63％。

[0050]2)将本实施例的人工土壤通过覆盖法覆盖于沙漠化土壤表面，得到改良土壤，其中人工土壤在沙漠化土壤表面的覆盖厚度为2～3cm。

[0051]3)将步骤1)中的幼苗移植入改良土壤进行常规培育。[0052]实施例2

[0053]本实施例的人工土壤，按照按照重量份包括如下原料：牛粪50份，硅钙渣50份，水15份，解磷释钾菌0.012份。

[00]该人工土壤可按如下方法制备：[0055]1)在15份水中取出适量水，将0.012份解磷释钾菌配制为质量浓度为6％的解磷释钾菌水溶液。

[0056]2)用粉碎机将硅钙渣的粉碎至粒径为1～3mm的颗粒，然后用5％的水溶液调节其pH值为7，备用；[0057]将沙子过筛，选取粒径为0.5～1mm的沙子备用；[0058]将牛粪研磨至粒径为3～8mm的颗粒，备用；[0059]将经过上述预处理后的硅钙渣、沙子和牛粪混合，在2000r/min的搅拌速率下搅拌10min，得到第一混合物。

[0060]3)将步骤1)中制备的解磷释钾菌水溶液接入第一混合物中，随后加入剩余的水，在25℃静置一周，得到第二混合物。

[0061]4)用5％的水溶液调节第二混合物的pH值为7.5，得到人工土壤，经检测，该人工土壤含水率为17％。

[0062]利用本实施例的人工土壤改良沙漠化土壤，方法如下：

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1)利用人工土壤对牧草草籽进行育苗培养至发芽成为幼苗，育苗条件为：温度25

℃，光照周期15h/d。实验结果：草籽发芽率为70％。

[00]2)将本实施例的人工土壤通过覆盖法覆盖于沙漠化土壤表面，得到改良土壤，其中人工土壤在沙漠化土壤表面的覆盖厚度为2～3cm。

[0065]3)将步骤1)中的幼苗移植入改良土壤进行常规培育。[0066]实施例3

[0067]本实施例的人工土壤，按照按照重量份包括如下原料：牛粪40份，硅钙渣60份，水18份，解磷释钾菌0.012份。

[0068]该人工土壤可按如下方法制备：[0069]1)在18份水中取出适量水，将0.012份解磷释钾菌配制为质量浓度为5％的解磷释钾菌水溶液。

[0070]2)用粉碎机将硅钙渣的粉碎至粒径为1～3mm的颗粒，然后用4％的水溶液调节其pH值为8，备用；[0071]将沙子过筛，选取粒径为0.5～1mm的沙子备用；[0072]将牛粪研磨至粒径为3～8mm的颗粒，备用；[0073]将经过上述预处理后的硅钙渣、沙子和牛粪混合，在2000r/min的搅拌速率下搅拌15min，得到第一混合物。

[0074]3)将步骤1)中制备的解磷释钾菌水溶液接入第一混合物中，随后加入剩余的水，在25℃静置一周，得到第二混合物。

[0075]4)用4％的水溶液调节第二混合物的pH值为8，得到人工土壤，经检测，该人工土壤含水率为16％。

[0076]利用本实施例的人工土壤改良沙漠化土壤，方法如下：

[0077]1)利用人工土壤对牧草草籽进行育苗培养至发芽成为幼苗，育苗条件为：温度26℃，光照周期15h/d。实验结果：草籽发芽率为75％。

[0078]2)将本实施例的人工土壤通过覆盖法覆盖于沙漠化土壤表面，得到改良土壤，其中人工土壤在沙漠化土壤表面的覆盖厚度为2～3cm。

[0079]3)将步骤1)中的幼苗移植入改良土壤进行常规培育。[0080]土壤营养物质含量检测：[0081]分别对实施例1、实施例2、实施例3制备的人工土壤以及普通农田土壤进行相关检测，检测参数如下：

[0082]利用全自动化学分析仪(Smartchem 140)对实施例1～3的人工土壤以及普通农田土壤进行氨氮、硝氮、总氮、速效磷、全磷的含量测定；

[0083]利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES 8000)对实施例1～3的人工土壤以及普通农田土壤进行速效钾、全钾的含量测定；

[0084]利用重铬酸钾外加热法对实施例1～3的人工土壤以及普通农田土壤进行有机质含量测定；

[0085]利用环刀法对实施例1～3的人工土壤和普通农田土壤进行水含量测定。[0086]测定结果如下：[0087]1、实施例1～3的人工土壤中的氨氮、速效钾、全钾含量与农田土壤中的氨氮、速效

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钾、全钾含量相近。[0088]2、实施例1～3的人工土壤中的有机质、硝氮、总氮、速效磷、全磷含量高于农田土壤中的含水量、有机质、硝氮、总氮、速效磷、全磷含量。[00]上述结果表明：本发明制备的人工土壤含有大量的营养元素，土壤的营养水平高，能够满足植物生长发育对水分以及营养的需求，有利于植物的生长。[0090]改良后沙漠化土壤营养物质含量测定：

[0091]将实施例1～3的人工土壤改良沙漠化土壤培育6个月后，采用上述方法分别对实施例1～3的人工土壤改良后的沙漠化土壤以及未改良的沙漠化土壤进行氨氮、硝氮、总氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾、有机质以及水的含量测定。[0092]测定结果如下：

[0093]实施例1～3的人工土壤改良后的沙漠化土壤中的氨氮、硝氮、总氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾、有机质以及水的含量明显高于未改良的沙漠化土壤中的氨氮、硝氮、总氮、速

速效钾、全钾、有机质以及水的含量。效磷、全磷、

[0094]上述结果表明：本发明的人工土壤以及改良方法能够有效改良沙漠化土壤，在提高沙漠化土壤营养元素含量的同时还能提高沙漠化土壤的水分涵养能力，易于植被生长，因此植被发育后可长期固定并改良沙漠化土壤。[0095]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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