CN103650692B - 一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，步骤如下：将各种富含细菌的污泥，各种富含放线菌和真菌的陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤，以及有机絮凝剂分别常温干燥后混合形成混合物，保存；将当地粘土矿物、风化煤或腐殖土，以及混合物加水充分搅拌，再掺加交联剂的水溶液进行常温交联，形成絮凝状混合物，最后破碎成为微生物/微生物培养基团簇的颗粒；将微生物/微生物培养基团簇颗粒、植物秸秆、含固氮菌的土壤混合，与沙地一起翻耕，每亩沙地泼洒5-50公斤的淀粉或糖蜜的水溶液进行微生物复壮激活即可。本发明改良后的沙地保水性高，抗风蚀、水蚀能力强，并且成本低。

Description

一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法

【技术领域】

本发明涉及一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法。

【背景技术】

在高风蚀地区如绝大部分沙漠和海边沙丘，高水蚀地区如绝大部分河滩与水土流失地区，土壤的细颗粒成分极易在振动下产生析离分层现象，并为流体（如沙漠中的风，地表径流重的水）所携带分离，分离出的细颗粒在远处沉积形成黄土区和淤积区，同时在原地留下粗颗粒，形成沙化或碎石富集的土地。通常黄土区和淤积区利用容易，但沙化区面积广，自然条件恶劣，目前尚不易规模化利用。

由于高等植物生长需要较高的土壤含水量和土壤微生物群落分解有机物和矿物，固氮，释放植物生长激素和抗生素的配合，而沙化或碎石富集的土地因缺乏良好的土壤团块结构保水能力不足，导致沙地农业用水量通常为旱作农业的3-5倍；且土壤微生物数量相当有限，导致土壤肥力极差且无法保肥；因此不易实现绿化或供人类农业使用。从理论上讲，高风蚀水蚀地区沙地改良，必须采用如下技术路线：

重建土壤微生物群落，要求补充土壤微生物群落栖息材料；土壤微生物群生存所需营养基；同时尽可能使用微生物群快速培养和复壮的低成本方式加快土壤生态的重建。

大幅提高已构建土壤的抗风蚀水蚀能力，在尽量保证土壤透气性基础上提高土壤保水能力。

目前国际上沙地治理体系主要有以下三类：

1、机械固沙是以木条、土块、石块和秸秆及其制品等材料竖立或平铺等方式，形成挡风墙或草方格阻碍风沙的流动，该工艺无法有效改善沙体理化性质。不适合绿化或供人类农业使用；该方法同样可以用于减弱地表径流冲刷作用，即减少水蚀。

2、化学固沙是以天然或合成的高分子材料为基础，以液膜的形式喷覆于沙体表面，将沙粒团聚一层连续膜，防止风蚀的发生。化学固沙相较于机械固沙的最明显的优势在于理论上可大规模机械化实施，且有些高分子材料具有保水保肥等优点。目前化学固沙材料已向生物可降解高分子材料方向发展，降解后的有机质可被微生物转化为植物所需的营养基质，避免二次污染。但是高分子固沙材料虽可以将沙面固封，但也存在如风沙的机械磨损、严重阻碍沙体的水气交流、降低沙面粗糙度导致种子难以停留，昂贵以及形成二次污染等缺陷，很不利于生物群落构建，实际上难以用于沙地绿化和农业使用。

3、生物固沙是建立在植物或微生物基础上的治沙工艺，以生物与沙体的相互作用而固沙。生物固沙工艺需要考虑的因素要远远多于上两种治沙工艺，如降雨量、植被土壤承载量、微生物，乔灌及草本植物的互配比例以及病虫害等因素。就目前而言，生物结皮治沙工艺是该领域研究较深的部分，生物结皮可提供较为完整的生态演化，建立稳态的土壤生成机制，为根治荒漠提供了较为理想的工艺；生物结皮地表粗糙度要大于裸沙面，因此其可以有效地收集凝结水，增加浅沙层的含水量；生物结皮对浅层沙体中的水分有强烈的分配作用，增加了表层土壤的持水量，但其较低的反净辐射能促使表层水的蒸发，影响深根系植物的生长；再者，旱季生物结皮休眠甚至死亡，风沙易将其揭损或掩埋，致使生物结皮呈周期性损坏；最后，生物结皮具有促进土壤发育的特性，但该过程极其缓慢，短时间内无法满足高生物量的微生态圈的建立。

例如，申请日为2011.08.12，申请号为201110233140.X的中国专利公开了一种沙地的保水方法，该发明属于沙地治理领域，具体是一种沙地的保水方法，将沙地整理平整；将古、中生代沉积岩粉碎；将粉碎后的沉积岩平铺在沙地表面；通过机械旋耕将古、中生代沉积岩和沙充分混合，得到30cm厚度的古、中生代沉积岩和沙复合层，该30cm厚度的复合层中，古、中生代沉积岩和沙的体积比为1∶(1～5)。本发明的沙地的保水方法得到的沉积岩和沙混合后的沙土具有良好的渗透性和持水保水性，其物理化学特性与土壤的特性相当，使得在治理后的沙地种植农作物的产量可达到在一般土地上种植相同农作物的产量。

该发明存在问题在于：在风蚀作用下，该沉积岩土因为颗粒小很容易与沙分离形成沙尘暴物质，在漫灌或暴雨时土从沙中分离漂浮到地表，导致风蚀现象及导致地表板结；土壤中缺乏微生物和腐殖质，因生态环节缺失导致实际上土壤肥力很差；成本较低的优势也被劣质粘土较大的用量（运输费用相应增高）所抵消。

再例如，申请日为2012.04.13，申请号为201210113255.X的中国专利公开了一种膨润土生产沙地改良剂的方法及应用，该发明公开了一种膨润土生产沙地改良剂的方法及应用，其步骤为：1)膨润土经提纯、改性处理，并加入专用添加剂生产出沙地改良剂；2)在平整好的沙地、旱作农田和缺水农田上，将沙地改良剂通过人工或机械均匀撒施在沙质土壤表面；3)利用旋耕机进行旋耕作业，使沙地改良剂与沙质土壤在耕层内均匀混合；4)经充分浇水，使沙地改良剂吸水发挥其胶黏性，使其更好的与沙质土壤结合形成土壤团粒，从而达到节水、保水、保肥、防风固沙的目的，实现种植作物的增产增收。本发明的沙地改良剂主要用于沙质土壤、旱作农田、缺水农田改造，也可以用作盐碱土、贫瘠土、黄泥土、易板结土的土壤改造以及荒漠化治理和各种固沙工程。

该发明除了如同上一例子一样的弊端外，膨润土价格的成本昂贵，不易就地取材更限制了该技术的运用。

沙区通用技术之一是运黄土覆盖在沙地上，形成约30厘米的黄土层然后种植。该方法土地保水能力强，但该技术改造费用约1000元/亩，远高于该申请100-200元/亩的改造费用，且土地肥力明显不足，也易起尘，无竞争力；沙区通用技术之二是平整土地后放置半年到两年，施加1-3吨/亩农家肥后翻耕，以腐殖酸复合肥为常规肥料种植3-5年豆科植物后可转化为沙壤土。但同样存在粗细颗粒较易分离，抗风蚀能力差，成本高（主要因为腐殖酸复合肥是昂贵的工业产品），改造时间长，同样无竞争力。

另外，合格的污泥往往因为含有微量重金属成分，业内往往担心其溶出渗入地下水而较少使用，该方法通过风化煤被微生物转化为腐殖酸而络合固定重金属，基本可避免溶出重金属对地下水的污染。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题，在于提供一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，该方法利用微生物/微生物培养基团簇颗粒的高保水性，粘性，及与周边介质较大的静摩擦力，使得改良后的沙地保水性高，抗风蚀、水蚀能力强，并且成本低。

本发明是这样实现的：

一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，所述方法包括如下步骤：

步骤10、将各种富含细菌的污泥，各种富含放线菌和真菌的陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤，以及有机絮凝剂分别常温干燥后混合形成混合物，保存；

步骤20、将当地粘土矿物、富含腐殖酸的高度风化的风化煤或腐殖土，以及步骤10形成的混合物加水充分搅拌，再掺加交联剂的水溶液进行常温交联，转化为见水可膨胀但不会散开的高吸水性絮凝状混合物，最后破碎成为微生物/微生物培养基团簇；

步骤30、将微生物/微生物培养基团簇、植物秸秆、含固氮菌的土壤混合，与沙地一起翻耕，每亩沙地泼洒5-50公斤的淀粉或糖蜜的水溶液进行微生物复壮激活即可。

进一步地，所述富含细菌的污泥污泥为生活污泥、农牧业污泥、食品加工污泥或沼渣中的至少一种。

进一步地，所述有机絮凝剂为聚丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、微生物絮凝剂、改性海藻粉、改性淀粉或改性蓝藻藻泥中的至少一种。

进一步地，所述加交联剂为硼酸根离子、铝离子、铁离子或钛离子中的至少一种。

进一步地，所述步骤10中各种组分重量份比如下：污泥：陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤：有机絮凝剂为5～20：5～20：1～5。

进一步地，所述步骤20中各种组分重量份比如下：当地粘土矿物：风化煤或腐殖土：混合物：交联剂为100：5～50：5～50：0.1～2。

进一步地，所述步骤20中微生物/微生物培养基团簇的粒径为0.5～10mm。

进一步地，所述方法还包括以下步骤31：为提高保水能力，可通过调节翻耕的耕作深度，二次翻耕形成下部多微生物/微生物培养基团簇，上部多秸秆的构造，使用储水能力明显提高。（

进一步地，所述方法还包括以下步骤32：

可使用淀粉或糖蜜水溶液不定时对改良后的沙地泼洒以保持土壤微生物活性及促进土壤团块结构和提高土壤保水性的腐殖酸的生成析出。

进一步地，每100份干重量的淀粉或糖蜜水溶液内可添加0-50份腐殖酸盐，0-100份污泥。泼洒时由于表面会形成一层较致密的粘性土壤层，与二次翻耕的结构组合形成紧—松—紧的高度保水保温结构。

本发明具有如下优点：

本发明在欲改良沙地内，形成较大的非连续相微生物/微生物培养基团簇颗粒，与砂砾混合在一起，利用该微生物/微生物培养基团簇的高保水性，粘性，与周边介质较大的静摩擦力，来达到抗风蚀和水蚀的能力。具体优点如下：

一、在刮风，浇灌或短时间流水冲刷时，由于细粒土壤成分成团状颗粒存在，不易散开且密度和沙粒相似，不会和沙粒分离；

二、微生物群和风化煤均团聚在高吸水多孔状颗粒中，菌落密度大，好氧厌氧气氛均存在，因此可以可靠并缓慢将风化煤等转化为土壤关键组成部分—腐殖酸。

三、即保留了沙地的高透气性又具备较好保水性和微生物群落，很有利于植物根系发育。

四、成本低廉，粘土可就地取材无需选择，利用腐殖酸的PH缓冲能力和高离子交换能力甚至可以使用轻度盐碱化的土壤并可固定住污泥可能残存的微量重金属；生活污泥类本身含聚丙烯酰胺可降低成本，且处置国家有政策补贴，若采用农牧业污泥则当地即可获取；风化煤等为煤矿下脚料，难燃且价格仅略高于粘土；不需要很准确的配方且可机械化操作，因此人工成本低，尤其在毛乌素，科尔沁，浑善达克三大沙地以及沿海，南方沙化地带，由于降雨量较好，污泥和风化煤易得，改良沙地的技术优势特别明显。

【具体实施方式】

本发明涉及一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，所述方法包括如下步骤：

步骤10、将各种富含细菌的污泥，各种富含放线菌和真菌的陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤，以及有机絮凝剂分别常温干燥后混合形成混合物，保存；

步骤20、将当地粘土矿物、富含腐殖酸的高度风化的风化煤或腐殖土，以及步骤10形成的混合物加水充分搅拌，再掺加交联剂的水溶液进行常温交联，转化为见水可膨胀但不会散开的高吸水性絮凝状混合物，最后破碎成为微生物/微生物培养基团簇；

步骤30、将微生物/微生物培养基团簇、植物秸秆、含固氮菌的土壤混合，与沙地一起翻耕，每亩沙地泼洒5-50公斤的淀粉或糖蜜的水溶液进行微生物复壮激活即可。该微生物/微生物培养基团簇的外观特征是：有强大吸水膨胀能力的沙状颗粒物，有一定粘性，相当长时间可耐一定振动和外力不会散开但会对外缓慢释放腐殖质导致周边砂粒被轻度固定，有微生物的气味；上述各组分的量根据当地资源量和欲改良的状况而定。

所述富含细菌的污泥污泥为生活污泥、农牧业污泥、食品加工污泥或沼渣中的至少一种。

所述有机絮凝剂为聚丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、微生物絮凝剂、改性海藻粉、改性淀粉或改性蓝藻藻泥中的至少一种。

所述加交联剂为硼酸根离子、铝离子、铁离子或钛离子中的至少一种。

所述步骤10中各种组分重量份比如下：污泥：陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤：有机絮凝剂为5～20：5～20：1～5。

所述步骤20中各种组分重量份比如下：当地粘土矿物：风化煤或腐殖土：混合物：交联剂为100：5～50：5～50：0.1～2。所述步骤20中微生物/微生物培养基团簇的粒径为0.5～10mm。

所述方法还包括以下步骤31：为提高保水能力，可通过调节翻耕的耕作深度，二次翻耕形成下部多微生物/微生物培养基团簇，上部多秸秆的构造，使用储水能力明显提高。

所述方法还包括以下步骤32：

可使用淀粉或糖蜜水溶液不定时对改良后的沙地泼洒以保持土壤微生物活性及促进土壤团块结构和提高土壤保水性的腐殖酸（主要来源于微生物群协同作用下风化煤的液化和秸秆的分解）的生成析出。

每100份干重量的淀粉或糖蜜水溶液内可添加0-50份腐殖酸盐，0-100份污泥。泼洒时由于表面会形成一层较致密的粘性土壤层，与步骤31二次翻耕的结构组合形成紧—松—紧的高度保水保温结构。

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一、内蒙古鄂尔多斯0.3亩实验沙地，风蚀和肥力实验。

将富含细菌的生活污泥（取自鄂尔多斯乌审旗污水处理厂）和沼渣（农村自产），富含放线菌和真菌的陈腐秸秆（牧区自产），有机絮凝剂聚丙烯酰胺分别常温干燥后形成混合物，保存，各组分的重量份比为15:15:1。

取当地栗钙土100份，高度风化的风化煤10份，上述混合物10份，水适量充分搅拌，掺加交联剂硼酸根离子0.1份的水溶液进行常温交联，转化为见水可膨胀但不会散开的高吸水性絮凝状混合物，略干后破碎成为微生物/微生物培养基团簇。该微生物/微生物培养基团簇的外观特征是：有较大吸水膨胀能力的沙状黑色颗粒物，有一定粘性，相当长时间可耐一定振动和外力不会散开但会对外缓慢释放腐殖质导致周边砂粒被轻度固定，有微生物的气味。

将微生物/微生物培养基团簇约2立方，植物秸秆约2立方，苜蓿地土壤（约1立方混合，与沙地一起翻耕，后按照每亩泼洒15公斤的劣质淀粉加热配置出的糊液进行微生物复壮激活。为提高保水能力，通过调节旋耕机的耕作深度，二次旋耕形成下部多微生物/微生物培养基团簇，上部多秸秆的构造，同时撒播少量玉米种子。

14天后发现，该地玉米种子已经形成苗高10厘米，根系长15厘米，根系十分发达的玉米苗，土地有明显腐熟味道。

对比情况显示：土地肥力，湿度，抗外力扰动，抗风蚀，植物生长状况等各项指数较对照的掺30%黄土的对照组沙地均明显优秀。另一对照组裸露沙地玉米苗则不发芽。

实验体现出该方法相对传统方法有明显的优越性。实验室内2011-2013年2年小试实验发现，絮凝剂逐渐分解并最后为腐殖酸和微生物多糖替代，但土壤颗粒依然保持团块性，2年后抗风蚀能力略有下降，抗流水冲刷能力明显下降但仍可保障漫灌时即使有较大振动细小颗粒也不上浮。

实施例二、福建泉州海边宽2米长10米实验沙滩，涨到最高潮时可淹没，水蚀实验。

将富含细菌的生活污泥（泉州某污水处理厂），富含放线菌和真菌的林区腐烂落叶（破碎成粉），有机絮凝剂阳离子改性淀粉分别常温干燥后形成混合物，保存，各组分的重量份比为20:6:5。

取当地红土100份，高度风化的风化煤10份，上述混合物25份，水适量充分搅拌，掺加交联剂硼酸根离子0.3份的水溶液进行常温交联，转化为见水可膨胀但不会散开的高吸水性絮凝状混合物，略干后破碎成为微生物/微生物培养基团簇。该微生物/微生物培养基团簇的外观特征是：有强大吸水膨胀能力的沙状褐色颗粒物，有一定粘性，相当长时间可耐一定振动和外力不会散开但会对外缓慢释放腐殖质导致周边砂粒被轻度固定，有微生物的气味。

将该微生物/微生物团簇和海沙按照约1:6的比例混合好，形成15厘米厚的混合层，待次日经过一次涨潮后观看，沙滩表面5厘米的微生物/微生物培养基团簇大部分被冲走，5厘米下的则越向下保留量明显增加，10厘米下未发现被冲走或散开现象。

取回该混合物，充分水洗后放于室外烧杯内，沙层厚20厘米撒播油菜种子，15天后发芽并明显成长，40天后因沙层干燥枯萎

对比组红土和海沙按照1:6比例混合的，除最底部数厘米尚有红土残余外均被海水冲洗走。沙层种植油菜实验发现，10天沙层即干燥，油菜未出苗。

实验体现出该方法改良的沙地有明显的抗水蚀能力，同样可在降雨量较大或实施漫灌的地区使用。

本发明在欲改良沙地内，形成较大的非连续相微生物/微生物培养基团簇颗粒，与砂砾混合在一起，利用该微生物/微生物培养基团簇的高保水性，粘性，与周边介质较大的静摩擦力，来达到抗风蚀和水蚀的能力。具体优点如下：

一、在刮风，浇灌或短时间流水冲刷时，由于细粒土壤成分成团状存在，不易散开且密度和沙粒相似，不会和沙粒分离；

二、微生物群和风化煤均团聚在高吸水多孔性颗粒中，菌落密度大，好氧厌氧气氛均存在，因此可以可靠并缓慢将风化煤等转化为土壤关键组成部分—腐殖酸。

三、即保留了沙地的高透气性又具备较好保水性和微生物群落，很有利于植物根系发育。

四、成本低廉，粘土可就地取材无需选择，利用腐殖酸的PH缓冲能力和高离子交换能力甚至可以使用轻度盐碱化的土壤及固定住生活污泥中微量的重金属；生活污泥类本身含聚丙烯酰胺可降低成本，且处置国家有政策补贴，若采用农牧业污泥则当地即可获取；风化煤等为煤矿下脚料，难燃且价格仅略高于粘土；不需要很准确的配方且可机械化操作，因此人工成本低，尤其在毛乌素，科尔沁，浑善达克三大沙地以及沿海，南方沙化地带，由于降雨量较好，污泥和风化煤易得，改良沙地的技术优势特别明显。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤10、将沼渣或各种富含细菌的污泥，各种富含放线菌和真菌的陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤，以及有机絮凝剂分别常温干燥后混合形成混合物，保存；

步骤20、将当地粘土矿物、富含腐殖酸的高度风化的风化煤或腐殖土，以及步骤10形成的混合物加水充分搅拌，再掺加交联剂的水溶液进行常温交联，转化为见水可膨胀但不会散开的高吸水性絮凝状混合物，最后破碎成为微生物/微生物培养基团簇颗粒；

步骤30、将微生物/微生物培养基团簇颗粒、植物秸秆、含固氮菌的土壤混合，与沙地一起翻耕，每亩沙地泼洒5-50公斤的淀粉或糖蜜的水溶液进行微生物复壮激活即可。

2.根据权利要求1所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述富含细菌的污泥为生活污泥、农牧业污泥或食品加工污泥中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述有机絮凝剂为聚丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、微生物絮凝剂、改性海藻粉、改性淀粉或改性蓝藻藻泥中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述加交联剂为硼酸根离子、铝离子、铁离子或钛离子中的至少一种。

5.根据权利要求1～4之一所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述步骤10中各种组分重量份比如下：污泥：陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤：有机絮凝剂为5～20：5～20：1～5。

6.根据权利要求1所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述步骤20中各种组分重量份比如下：当地粘土矿物：风化煤或腐殖土：步骤10形成的混合物：交联剂为100：5～50：5～50：0.1～2。

7.根据权利要求1所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述步骤20中微生物/微生物培养基团簇颗粒的粒径为0.5～10mm。

8.根据权利要求1所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤31：为提高保水能力，通过调节翻耕的耕作深度，二次翻耕形成下部多微生物/微生物培养基团簇，上部多秸秆的构造，使用储水能力明显提高。

9.根据权利要求1或8所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤32：

使用淀粉或糖蜜水溶液不定时对改良后的沙地泼洒以保持土壤微生物活性及促进土壤团块结构和提高土壤保水性的腐殖酸的生成速度，并形成一层易降解地表保护膜进一步保水和防风沙侵蚀。

10.根据权利要求9所述的一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，其特征在于：每100份干重量的淀粉或糖蜜水溶液内添加0-50份腐殖酸盐，0-100份污泥。