一种改良矿区复垦土壤的长效方法

一种改良矿区复垦土壤的长效方法
1.技术领域
2.本发明属于复垦耕地土壤改良领域，具体涉及一种改良矿区复垦土壤的长效方法。
3.

背景技术：

4.矿区复垦耕地土壤改良是土地复垦后土壤管理的重要内容之一，由于矿区复垦耕地通常具有复垦前人为因素扰动大、复垦后地力条件差、优质土壤层缺失、复垦耕地土壤改良难度大等特点。据估计，土壤形成速率大约为0.066毫米/年，形成20cm厚的耕作土壤大概需要3000年，在土壤发育完成的基础上通过各种技术措施，使土壤的耕性不断改善，肥力不断提高的过程，即生土变熟土的过程。熟化的土壤主要表现为土层深厚，有机质含量高，土壤结构良好，水、肥、气、热诸肥力因素协调，微生物活动旺盛，供给作物水分养分的能力强。据研究，在自然状态下形成土壤有机分子化合物则需要上百年甚至几百年的时间。矿山开采和复垦工程过程常常改变原有土壤剖面的特征，使历经数十、数百甚至数千年形成的土壤受到破坏，致使矿区复垦土壤障碍因子复杂，多表现为耕层薄、土壤熟化不彻底、有机质含量低、板结、驱动养分循环的微生物数量少等不足。当前，表土剥离技术应用较为广泛，表土剥离即表土剥离再利用，是指将优质耕地30cm厚的表土搬运到矿区损毁土地上完成造地复垦的技术，该技术在土壤复垦中效率最高、复垦后土壤肥力恢复较快。然而，表土剥离技术成本较高，而且收到优质耕层土壤资源限制，难以保证拥有足够飞优质耕层土壤用于造地复垦工作。另外，农业领域土壤培肥技术也常用于改良矿区复垦土壤，如优化施肥、优化耕作方法、调整作物种植模式、推广秸秆还田、施用有机肥或土壤调理剂等，这些方法通常需要连续多年实施培肥技术并不断更新培肥方法才能缓慢提升土壤肥力，总体上，农业领域常用的土壤培肥技术能够改良矿区复垦土壤，但依旧耗时较长，需要时间多达几年甚至几十年。因此，急需研制一种能够快速改良矿区复垦土壤且能够长期保持的长效方法。
5.

技术实现要素：

6.解决的技术问题：本发明提供一种改良矿区复垦土壤的长效方法，该发明技术一次性实施完成土壤改良，大幅缩短矿区复垦土壤培肥时间，且投入成本远低于当前常用的表土剥离造土复垦技术，该发明技术实施后只需通过后续科学的土壤管理和平衡施肥即可长效保持。
7.技术方案：一种改良矿区复垦土壤的长效方法，利用煤矸石制成稳定性结构材料，使用土壤菌剂与玉米芯颗粒或麦麸按照1:9干基重量比例制成活性材料，利用秸秆颗粒、矿源腐殖酸钾粉剂、秸秆促腐菌粉剂、海藻酸钠粉剂、褐藻寡糖粉剂、氮肥按照500:2:1:1:1:5干基重量比例加水搅拌制成中性有机材料，利用污泥、农作物秸秆、木屑按照10:5:1干基重
量比例混合后经碳化处理制成惰性有机材料；最后，将结构材料、活性材料、中性有机材料、惰性有机材料按照30:3.5:17.5:49干基重量比例混合制成改良材料；将改良材料一次性均匀撒入土壤，并利用机械旋耕机将上述改良材料与耕层土壤充分混合，并立即对耕地进行一次灌溉，使耕作层土壤含水量达到田间持水量的30%左右，静置后进行播种施肥。
8.所述稳定性结构材料由煤矸石制成，将煤矸石破碎、研磨成粉得到煤矸石粉，其粒径《0.25mm，煤矸石粉的重金属含量不高于《土壤环境质量标准》（gb15618-1995）中要求土壤环境质量自然背景值含量。
9.所述活性材料由土壤菌剂与玉米芯颗粒或麦麸混合组成，将玉米芯或麦麸粉碎至粒径《0.5cm，将土壤菌剂与玉米芯颗粒或麦麸按照1:9干基重量比均匀混合，加水至含水率达到5 wt.%，制成活性材料。
10.所述中性有机材料由秸秆颗粒、矿源腐殖酸钾粉剂、秸秆促腐菌粉剂、海藻酸钠粉剂、褐藻寡糖粉剂和氮肥组成，首先收集作物秸秆，经粉碎得到秸秆颗粒，氮肥采用矿质肥料尿素或有机肥，使用前按照不同类型肥料的全氮含量折算成纯氮量确定使用量，将秸秆颗粒、矿源腐殖酸钾粉剂、秸秆促腐菌粉剂、海藻酸钠粉剂、褐藻寡糖粉剂、氮肥按照500:2:1:1:1:5比例加水搅拌混合，使秸秆颗粒等混合物含水率达到30 wt.%
‑ꢀ
40 wt.%，平均堆积厚度0.5-1m，保持30-50℃堆腐1个月，堆腐完成后在阴凉处通风、降温，并晾干至含水率为10
±
3wt.%，得到中性有机材料。
11.所述惰性有机材料由污泥、农作物秸秆、木屑经碳化处理制成；制作前将秸秆粉碎至长度《5cm，测定污泥、木屑重金属含量，污泥、木屑重金属含量不高于于《土壤环境质量标准》（gb15618-1995）中要求土壤环境质量自然背景值含量；收集的污泥经脱水处理是其含水率＜10 wt.%，将脱水后的污泥与粉碎的秸秆、木屑按照10:5:1干基重量比例混合后送入碳化机进行碳化处理，得到的碳化材料经粉碎后得到惰性有机材料。
12.所述改良材料由结构材料、活性材料、中性有机材料、惰性有机材料组成，结构材料、活性材料、中性有机材料、惰性有机材料按照30:3.5:17.5:49的重量比搅拌混合后得到改良材料，改良材料制成后加入适量水使其含水率达到5 wt.%
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20 wt.%。
13.根据《耕地质量调查监测与评价办法》（农业部令2016年第2号）和《耕地质量等级》（gb/t 33469—2016）国家标准评价复垦耕地等级，根据耕地质量等级确定改良材料施入量，具体为，当耕地质量为1-3等时无需改良；当耕地质量为4-6等时，改良材料投入量为12-15 t/hm2；当耕地质量为7-8等时，改良材料施入量为27-33 t/hm2；当耕地质量为9-10等时改良材料投入量为42-48 t/hm2。
14.有益效果：本发明技术一次性实施完成土壤改良，通过后续科学的土壤管理和平衡施肥即可长效保持。本发明能够快速消减土壤结构障碍，快速提升土壤有机质含量，快速构建优质土壤结构体，快速驯化土壤，建立养分循环系统，大幅缩减土壤培肥过程。本发明技术采用的煤矸石、秸秆、淤泥等主要材料来源广泛且价格低廉，改良材料加工、施用方法简单，具有较大的推广应用潜力。
15.附图说明
16.图1为本发明技术原理图；
图2为对照例和实施例耕层土壤有机质含量对比；图3为对照例和实施例耕层土壤易氧化有机质含量对比；图4为对照例和实施例耕层土壤微生物量碳含量对比；图5为对照例和实施例玉米产量对比；图6为对照例和实施例耕层土壤团聚体分布对比。
17.具体实施方式
18.以下土壤试验进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，试验中未注明的具体测定方法均采用鲁如坤等编著的《土壤农业化学分析方法》，中国农业科技出版社1999中所述的测定方法、中华人民共和国国家标准等权威土壤检查方法。
19.试验过程：采集某矿区损毁土地复垦耕地（33
°
46
′
n，113
°
15
′
e）0-20cm土壤，在农田空地进行盆栽试验，该地处于暖温带和北亚热带气候交错的边缘地区，具有明显的过渡性特征，该区域土壤类型为石质土，该土壤贫瘠、结构差。所用土壤根据《耕地质量调查监测与评价办法》（农业部令2016年第2号）和《耕地质量等级》（gb/t 33469—2016）国家标准评价的耕地等级为九等，改良材料施入量为45 t/hm2。所用的圆形盆内直径为40cm，深度为25cm，装土30kg。土壤装盆前经过筛处理，具体操作为：将采集的耕层土壤晾干，过1cm孔径筛，剔除石子、作物根系等杂质，测定含水率，计算30kg干基土壤需要称重数值，然后称重装盆。种植作物为冬小麦和夏玉米，采用冬小麦-夏玉米轮作制度，试验施用肥料类型为矿质化肥。按照0-20cm耕层土壤重量折算后，干基改良材料施入量为565.2 g/盆，基肥磷钾含量均为2.83g/盆（相当于225kg/ hm2），玉米扬花期或小麦拔节期追施矿质氮肥1.73g/盆（相当于135kg/ hm2）。设置两种处理，分别为对照例、实施例，每个处理设置3个重复试验。
20.结构材料制作过程：从洗煤厂收集煤矸石材料，利用机械碎石机（功率: 7.5kw，出料粒径≤5mm）将煤矸石破碎获得大颗粒煤矸石颗粒，再利用小型粉碎机（功率: 2kw容量: 1000g转速: 25000转/分钟）将煤矸石颗粒研磨成粉得到煤矸石粉，其粒径《0.25mm。对煤矸石粉取样测定重金属含量，煤矸石粉重金属含量须低于《土壤环境质量标准》（gb15618-1995）中要求土壤环境质量自然背景值含量（即土壤环境质量一级标准），否则需要重新收集满足重金属含量限值要求的煤矸石材料。为了防止扬尘，制得的煤矸石粉撒入适量水，使煤矸石粉保持5-10 wt.%的含水率。
21.活性材料制作过程：收集玉米芯，利用粉碎机粉碎成粒径《0.5cm的玉米芯颗粒，本试验从河南省沃宝生物科技有限公司购买土壤功能性菌剂（基础营养型，产品规格：粉剂，１公斤／袋），将购买的功能性菌剂与玉米芯颗粒1:9重量比均匀混合，加水至含水率达到5 wt.%，制成活性材料。
22.中性材料制作过程：
收集玉米芯，经粉碎机粉碎制成粒径《0.5cm的玉米芯颗粒，购买山西林海腐植酸科技有限公司生产的矿源腐殖酸钾粉剂，购买河南沃宝生物科技有限公司生产的秸秆促腐菌粉剂（规格：秸秆腐熟剂，1kg/袋，菌含量≥10亿／克），购买青岛明月海藻集团有限公司生产的海藻酸钠粉剂（规格：工业级海藻酸钠，ly1型），购买青岛海大海糖生物科技有限公司生产的褐藻寡糖粉，购买河南心连心化学工业集团股份有限公司生产的尿素（总氮含量≥46%，中颗粒尿素）作为氮肥。将秸秆颗粒、矿源腐殖酸钾粉剂、秸秆促腐菌粉剂、海藻酸钠粉剂、褐藻寡糖粉剂、尿素按照干基重量500:2:1:1:1:10.87的比例混合，制得“中性材料混合物”，边加水边搅拌充分混合，并用手持水份测试仪实时测定中性材料混合物的含水率，一次制得100公斤中性材料混合物（干基重量），最终得到含水率为34 wt.%的中性材料混合物。然后，选择白天平均气温大于25℃的时间，将中性材料混合物堆积在农田空地，呈小山型，堆积高度约为100cm，并用黑色塑料薄膜覆盖用于增温并减少水分散失，堆腐30天，堆腐完成后迅速摊开，在阴凉处晾干至含水率为10wt.%，用粉碎机械将堆腐后的中性材料混合物粉碎至粒径《0.3cm，得到中性有机材料。
23.惰性有机材料制作过程：从矿区河道中收集污泥，晒干，过筛（2mm孔径）后剔除杂质后备用，从附近家具加工厂收集木屑，测定收集到的污泥、木屑重金属含量，其重金属含量须低于《土壤环境质量标准》（gb15618-1995）中要求土壤环境质量自然背景值含量（即土壤环境质量一级标准），否则需要重新收集满足重金属含量限值要求的污泥和木屑材料。从农田收集小麦秸秆，并将小麦粉碎成长度≤5cm的秸秆碎屑。将收集的污泥、粉碎的秸秆、木屑按照干基重量10:5:1的比例混合后送入碳化机（郑州市捷恒机械设备有限公司生产的th-0.3型碳化机，产量300kg/h，功率11kw/h，高温仓直径300毫米）进行碳化处理，碳化处理经粉碎、加水得到惰性有机材料颗粒（含水率10 wt.%，粒径≤1mm）改良材料制作过程：将上述制得的结构材料、活性材料、中性有机材料、惰性有机材料按照干基30:3.5:17.5:49的重量比进行混合，用搅拌机搅拌后获得改良材料，为了便于撒施，改良材料使用前撒入适量水使其含水率达到15 wt.%。
24.对照例对比例按以下步骤实施：步骤1，于小麦收获后，在农田空地布置盆栽试验，每盆转入30kg耕层土壤，土壤容重与农田保持相同；步骤2，播种前施入基肥，每盆撒入6.15g尿素（尿素全氮含量≥46%），5.55g矿质硫酸钾（硫酸钾中全钾含量≥51%），6.15g矿质过磷酸钙（过磷酸钙中全磷含量≥46%），适当翻动土壤使化肥与土壤均匀混合，适当压实盆中土壤，使土壤容重接近附近农田耕作层土壤容重，然后每盆浇水5l；步骤3，步骤2完成后，静置1天，种植玉米，每盆播种8粒饱满的玉米种子，在苗期间苗，保留4棵长势均匀的玉米苗，玉米品种为登海605；步骤4，于玉米扬花期人工追施氮肥，每盆追施尿素（尿素全氮含量≥46%）3.76g，首先将尿素在3l水中充分融化，然后均匀撒在盆中土壤表层，施肥后再进行一次灌溉，每盆灌溉2l水，使追施的化肥充分渗入土壤。
25.步骤5，与玉米成熟期收获玉米，玉米收获后适当翻耕土壤，然后择期施肥、播种小麦，基肥和追肥施入量与玉米季相同，每盆播种200粒籽粒饱满的小麦种子，在小麦拔节期追肥，追肥方式与玉米季相同。实行冬小麦-夏玉米轮作制度。
26.实施例1按以下步骤实施：步骤1，于小麦收获后，在农田空地布置盆栽试验，每盆转入30kg耕层土壤，土壤容重与农田保持相同；步骤2，播种前施入基肥，每盆撒入6.15g尿素（尿素全氮含量≥46%），5.55g矿质硫酸钾（硫酸钾中全钾含量≥51%），6.15g矿质过磷酸钙（过磷酸钙中全磷含量≥46%），每盆撒入湿润的改良材料664.94 g（改良材料含水率为15%），适当翻动土壤使化肥、改良材料与土壤均匀混合，适当压实盆中土壤，使土壤容重接近附近农田耕作层土壤容重，然后每盆浇水5l，施肥方式与施肥时间与对照例相同；步骤3，步骤2完成后，静置1天，种植玉米，每盆播种8粒饱满的玉米种子，在苗期间苗，保留4棵长势均匀的玉米苗，玉米品种为登海605，播种方式、播种时间与对照例保持相同；步骤4，于玉米扬花期人工追施氮肥，每盆追施尿素（尿素全氮含量≥46%）3.76g，首先将尿素在3l水中充分融化，然后均匀撒在盆中土壤表层，施肥后再进行一次灌溉，每盆灌溉2l水，使追施的化肥充分渗入土壤，追肥方式、追肥时间与对照例保持相同。
27.步骤5，与玉米成熟期收获玉米，玉米收获后适当翻耕土壤，然后择期施肥、播种小麦，基肥和追肥施入量与玉米季相同，每盆播种200粒籽粒饱满的小麦种子，在小麦拔节期追肥，追肥方式与玉米季相同。改良材料在第一季玉米种植前随基肥一次性全部施入，后续不再施入，实行冬小麦-夏玉米轮作制度，田间管理与对照例均保持相同。
28.为了验证该发明技术的有效性，在采集试验实施1年和2年后玉米成熟期土样，测定土壤有机质、易氧化有机质，微生物量碳、水稳性团聚体，并测定玉米产量，用于分析本发明技术对土壤物理、化学、生物性质及作物产能的改良效果。各指标分析方法如下所示：有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，具体步骤参照中华人民共和国国家标准森林土壤有机质测定方法（gb7857-87），易氧化有机质采用高锰酸钾氧化法测定（浓度为333mol/l高锰酸钾氧化的有机碳，按照有机碳/有机质=0.58的比例转换成易氧化有机质含量）。微生物量碳含量参照鲁如坤主编的《土壤农业化学分析》中所述的氯仿熏蒸浸提法测定（p231-233）。土壤团聚体采用筛分法测定，获得粗大团聚体（》2mm）、大团聚体（0.25-2mm）、微团聚体（0.05-0.25mm）、粉粘粒（《0.05mm）。
29.对比例和实施例结果与分析：土壤有机质作为土壤肥力的物质基础，其含量高低直接反映了土壤养分状况。分析结果显示（图2），与对照例相比，实施例的第一年和第二年土壤有机质含量均明显高于对照例，第一年实施例土壤有机质增加量为3.86g/kg，第二年实施例土壤有机质增加量为3.74g/kg。土壤易氧化有机质含量也发生明显变化，具体为：与对照例相比，实施例的第一年和第二年土壤易氧化有机质含量均明显高于对照例，第一年实施例土壤易氧化有机质含量增长率为114%，第二年实施例土壤有机质含量增长率为87%（图3）。由此可见，一次撒入改良材料，实施例能大幅提升土壤有机质含量。
30.土壤微生物量碳（即土壤微生物生物量碳）是指土壤中体积《5000μm3活的和死的微生物体内碳的总和，土壤微生物量碳在土壤碳库中所占比例很小，但对土壤有效养分而言，却是一个很大的给源和库存，因此，提升土壤微生物量碳含量具有重要意义。分析结果显示（图4），与对照例相比，实施例土壤微生物量碳含量呈现大幅增加，具体为：与对照例相比，实施例第一年和第二年土壤微生物量碳含量增幅分别为55.60%、31.33 %。
31.土壤团聚体又叫土团，土壤颗粒(包括土壤微团聚体)经凝聚胶结作用后形成的个体。水稳性团聚体构成的主体，爽水性较好，有利于抗旱、保墒，不易产生地表径流；非水稳性团聚体构成的土体，雨后被分散的细小土粒堵塞土壤孔隙，不利渗水、保水，地面径流大，易引起水蚀。但在干旱地区，通过适宜的耕作所形成的非水稳性团聚体，在一定时间内也能起抗旱保墒作用。所以在干旱地区，雨后要勤锄地，使被雨打板的表土重新形成一层非水稳性团聚，切断由下向上引水的毛管，以利保墒（引自百度百科）。分析结果显示（图6），与对照例相比，实施例土壤粗大团聚体和大团聚体占比明显增加，微团聚体和粉粘粒占比明显降低。可见，改良材料施入土壤后土壤团聚体结构发生明显变化，主要促进了土壤大团聚体形成，间接反映了土壤结构得到一定程度提升。
32.粮食产能方面，第一年试验中，与对照例相比，实施例玉米籽粒产量得到大幅提升，第二年试验中，由于气候条件好于第一年，附近农田普遍高产，实施例玉米籽粒产量依旧明显高于对照例，实施例产量比对照例高30%左右（图5）。
33.综上所述，该发明技术实施后土壤测定结果验证了该发明技术有效性，实施例能够大幅提升了土壤有机质含量、明显提升了土壤微生物生物量、明显改良了土壤团聚体结构，而且大幅提升了玉米产量。