CN112175625B - 一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备及使用方法，使用H2O2溶液对碳质泥岩进行常温浸泡离心，获得黄腐酸一次浸提液和一次离心固体，将一次离心固体加入混合酸溶液搅拌离心，获得黄腐酸二次浸提液和二次离心固体；将黄腐酸一次浸提液与黄腐酸二次浸提液混合浓缩得到黄腐酸浓缩液；所述黄腐酸浓缩液中添加木醋液和竹醋液，得到改良剂液体组分；将二次离心固体行风干研磨，与农产品废弃物，磷石膏粉混合，加入土壤微生物菌，获得改良剂固体组分；所述改良剂固体组分用量为50‑200 kg/亩，改良剂液体组分用量为50‑200kg/亩；本方法采用碳质泥岩作为原料并对其进行氧化酸化处理，有效并同时解决表土替代材料pH值、有机质等问题，使表土替代材料快速适应植物生长。

Description

一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备及使用方法
技术领域
本发明涉及矿区排土场植被重建领域，具体是涉及一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备及使用方法。
技术背景
露天煤矿开采过程中需要剥离煤层上方全部岩层及土层，剥离物的堆砌造成需要复垦的地标表面积增大，土壤结构和养分是实现矿区土地复垦与生态重建的关键因素，表土替代材料为植物生长提供了立地条件，但表土替代材料不同于表土，其氮素缺乏、有机质含量低、pH值偏高、容重大、孔隙度小等问题，未经改良的表土替代材料在应用过程中往往会出现土壤板结，盐碱化严重等问题，种植的植物因根系缺氧导致根系活力下降，易出现弱苗病苗、缺素黄化等现象，严重影响土地复垦效果，阻碍了绿色矿山推进过程，因此对表土替代材料进行改良是实现矿区可持续发展的关键之一。
表土替代材料的研究尚处于探索阶段，对其改良剂的研究成果与成熟的产品更是鲜有报道，在现有技术中所记载的均为土壤改良剂，主要用于改善土壤某一方面的不足，且主要应用于农田、果园、蔬菜大棚等领域，待复垦的矿区土地环境复杂程度远远大于农田，针对矿区土地复垦工作中对表土替代材料的改良剂尚未发现。
发明内容
为了弥补上述现有技术的不足，本发明的目的是提出一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备及使用方法，采用碳质泥岩作为原料并对其进行氧化酸化处理，提取并富集其中的黄腐酸、棕腐酸等腐殖酸，提高表土替代材料中有机碳含量，解决表土替代材料pH值偏高、有机质缺失以及微生物数量及活性差等问题，使表土替代材料快速提供适合植物生长的立地条件。
本改良剂的使用可以全面提高表土替代材料中氮、磷等大量元素含量，镁、锌、铁、锰等植物生长所必需的微量元素，提高腐殖酸含量，降低表土替代材料容重，促进团聚体形成，降低表土替代材料pH，提高表土替代材料中微生物水平，改善土壤微环境，从养分供应、物理性状及微生物全方面对表土替代材料起到改良作用，加速表土替代材料的熟化进程。
本发明提出了一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备方法，其技术要点包括以下步骤：
（1）备料
筛选粒径小于1cm的碳质泥岩；
（2）浸泡
使用质量浓度为10-20%的H2O2溶液对上述碳质泥岩进行常温浸泡处理，所述碳质泥岩与H2O2溶液固液质量比为1:2.5-1:2.7，浸泡2-4小时后进行离心分离，获得黄腐酸一次浸提液和一次离心固体；
（3）酸化
所述离心后的一次离心固体加入相同质量的混合酸溶液，在50-70℃环境下搅拌20-40min后进行离心分离，获得黄腐酸二次浸提液和二次离心固体；
所述混合酸溶液包括硝酸（质量浓度为10-20%）、盐酸（质量浓度为4-8%）、乙二胺四乙酸EDTA（质量浓度为4-8%）、草酸铵（质量浓度为0.05-0.2%）、草酸铁钾（质量浓度为0.05-0.2%）；
（4）混合浓缩
将黄腐酸一次浸提液与黄腐酸二次浸提液混合，于65-85℃环境下加热浓缩至原体积的5-15%，加热过程中不断搅动，获得黄腐酸浓缩液；
（5）制备改良剂液体组分
所述黄腐酸浓缩液中添加木醋液和竹醋液，得到改良剂液体组分；
所述黄腐酸浓缩液、木醋液、竹醋液添加的添加体积比为97-99:0.5-1.5：0.5-1.5；
（6）制备改良剂固体组分
将二次离心固体清水冲洗至pH7.5-7.8，然后进行风干研磨，得到棕腐酸和黑腐酸混合物；所述混合物中富含棕腐酸和黑腐酸；所述棕腐酸和黑腐酸混合物与农产品废弃物，磷石膏粉混合，获得改良剂混合原粉；所述改良剂混合原粉按质量份数包括棕腐酸和黑腐酸混合物70-87，农产品废弃物10-25，磷石膏粉3-5；所述农产品废弃物为粒径低于0.5cm的颗粒（或小段）；
所述改良剂混合原粉中加入土壤微生物菌，获得改良剂固体组分；所述改良剂固体组分中土壤微生物菌菌量为有效活菌数为104-105 /克；
所述土壤微生物菌包括哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌，所述哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌菌量比为（1:1-1.5:1-1.5），
进一步的，所述碳质泥岩为采矿剥离物中的碳质泥岩，所述碳质泥岩的总有机碳含量30%-40%。
进一步的，所述农产品废弃物包括玉米秸秆、草场（原）枯落物，所述玉米秸秆、草场（原）枯落物含水量低于20%；所述玉米秸秆、草场（原）枯落物重量比为3-7：3-7。
进一步的，所述的磷石膏为磷矿生产磷酸的湿法工艺的产物，使用粒径范围0.5-3mm。
本发明还提出了一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂使用方法，其技术要点为：所述改良剂固体组分用量为50-200 kg/亩，改良剂液体组分原液50-200kg/亩；所述改良剂固体组分均匀撒于待复垦的表土替代材料表面，将改良剂液体组分原液稀释5-10倍均匀喷洒于待复垦的表土替代材料表面，稳定3-5h后用旋耕机进行旋耕作业，旋耕深度15-20cm。
进一步的，所述改良剂固体组分与改良剂液体组分原液按1:1配合使用。
进一步的，所述改良剂固体组分用量为150 kg/亩，改良剂液体组分原液150kg/亩。
本发明的有益效果：
（1）碳质泥岩在露天煤矿底层中含量丰富，改良剂固体组分中的腐殖酸来源于碳质泥岩，本专利将作为废弃物的碳质泥岩进行氧化酸化处理，提取黄腐酸并激活棕腐酸、黑腐酸，提高了植物的利用率，实现了变废为宝。
（2）改良剂固体组分中含有大量的黄腐酸、棕腐酸、黑腐酸等腐殖酸，这些成分作为土壤中大分子有机物，是土壤有机质中的活跃组分，相比于秸秆等生物质有机质，可以减少有机质矿化时间，增强肥力的效力时限。
（3）露天煤矿采矿剥离物大多呈碱性，pH值大于8，不利于大部分植物生长，本改良剂液体组分呈酸性，施用后可以降低土壤pH值。
（4）改良剂液体组分中含有木醋液和竹醋液，木醋液和竹醋液中含有有机酸，具有较强的杀菌、抗菌的功能，施用于待复垦矿区中可以起到改良土壤的作用。
（5）本发明中的改良剂包括粉剂和液体两部分，使用时配合使用，并且可以根据待改良的表土替代材料情况进行比例调整。
附图说明
图1为所述用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备及使用方法
所述用于露天煤矿表土替代材料的改良剂制备方法包括以下步骤：
（1）将采矿剥离物中的碳质泥岩进行破碎、筛分，选出颗粒粒径小于1cm的碳质泥岩备用；
（2）使用质量浓度为10-20%的H2O2溶液对上述碳质泥岩进行常温浸泡处理，所述碳质泥岩与H2O2溶液固液质量比为1:2.5-1:2.7，浸泡时间2-4小时后进行离心分离，获得黄腐酸一次浸提液和一次离心固体；
（3）所述离心后的一次离心固体加入相同质量的混合酸溶液，在50-70℃环境下搅拌20-40min后进行离心分离，获得黄腐酸二次浸提液和二次离心固体；
所述混合酸溶液包括硝酸（质量浓度为10-20%）、盐酸（质量浓度为4-8%）、乙二胺四乙酸EDTA（质量浓度为4-8%）、草酸铵（质量浓度为0.05-0.2%）、草酸铁钾（质量浓度为0.05-0.2%）；
（4）将黄腐酸一次浸提液与黄腐酸二次浸提液混合，于65-85℃环境下加热浓缩至原体积的5-15%，加热过程中不断搅动，获得浓缩黄腐酸浓缩液；浓缩液C有效成分为黄腐酸。
（5）所述黄腐酸浓缩液中添加木醋液和竹醋液，得到改良剂液体组分；所述黄腐酸浓缩液、添加木醋液、竹醋液添加体积比为97-99: 0.5-1.5：0.5-1.5；
所述木醋液和竹醋液来源为市售即可。
本实施例中采用的木醋液和竹醋液来源为：
所述木醋液（农业级）：济南坤鸿生物科技有限公司，有机醋酸含量3%以上； 所述竹醋液（蒸馏）：青岛优索化学科技有限公司，有机酸含量3%以上；
（6）将二次离心固体清水冲洗至PH 7.5-7.8，然后进行风干研磨，得到粒径范围为0.5-3mm棕腐酸和黑腐酸混合物；
（7）所述棕腐酸和黑腐酸混合物与农产品废弃物，磷石膏粉混合，获得改良剂混合原粉；所述改良剂混合原粉按质量份数包括棕腐酸和黑腐酸混合物70-87，农产品废弃物10-25，磷石膏粉3-5；
所述的磷石膏为磷矿生产磷酸的湿法工艺的产物，使用粒径范围0.5-3mm。
所述改良剂混合原粉中加入土壤微生物菌，获得改良剂固体组分；所述改良剂固体组分中土壤微生物菌菌量为有效活菌数104-105 /克；
所述土壤微生物菌包括哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌，所述哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌菌量为（1:1-1.5:1-1.5）；
本实施例中采用的上述微生物菌来源为：
哈茨木霉菌：山东绿陇生物科技有限公司，有效活菌数≥200亿/克；
枯草芽孢杆菌：山东绿陇生物科技有限公司，有效活菌数≥10亿/克；
根瘤菌：南京宁粮生物肥料有限公司，有效活菌数：2亿/克；
所述农产品废弃物包括玉米秸秆、草场（原）枯落物，所述玉米秸秆、草场（原）枯落物含水量低于20%；所述玉米秸秆、草场（原）枯落物重量比为3-7：3-7；秸秆与草原枯落物粉碎成粒径大小低于0.5cm的颗粒（或小段）。 所述用于露天煤矿表土替代材料的改良剂使用方法为：所述改良剂固体组分用量为50-200 kg/亩，改良剂液体组分原液50-200kg/亩；所述改良剂固体组分均匀撒于待复垦的表土替代材料表面，将改良剂液体组分原液稀释5-10倍均匀喷洒于待复垦的表土替代材料表面，稳定3-5h后用旋耕机进行旋耕作业，旋耕深度15-20cm。
实施例2：
将该改良剂应用于蒙东地区某露天矿，在露天矿排土场进行效果试验。将该改良剂固体组分与改良剂液体组分原液按1:1配合使用。
处理为：
T1：改良剂固体组分50kg/亩，改良剂液体组分原液50kg/亩；
T2：改良剂固体组分100kg/亩，改良剂液体组分原液100kg/亩；
T3：改良剂固体组分150kg/亩，改良剂液体组分原液150kg/亩；
T4：改良剂固体组分200kg/亩，改良剂液体组分原液200kg/亩；
对照CK：以不施用本改良剂。
处理方法：使用时按上述用量均匀撒于待复垦的表土替代材料表面，将改良剂液体组分原液稀释10倍后均匀喷洒于待复垦的表土替代材料表面，稳定3h后用旋耕机进行旋耕作业，旋耕深度15cm。
旋耕作业后种植紫花苜蓿，种子用量3kg/亩。根据需要进行浇水等管理工作，并对其长势进行监测，结果如下：
表1 紫花苜蓿平均株高（cm）
处理 5月25日 6月15日 6月30日 7月15日 7月30日
CK 13.5 31.5 49.6 55.2 63.5
T1 20.2 43.3 58.8 67.3. 75.2
T2 23.6 47.1 62.2 70.4 79.4
T3 27.8 52.7. 69.4 74.5 82.3
T4 28.8 55.3 68.9 76.6 85.1
表2 紫花苜蓿盖度（%）
处理 5月25日 6月15日 6月30日 7月15日 7月30日
CK 18.3 27.6 48.5 58.9 69.2
T1 23.2 31.2 51.5 63.5 87.2
T2 25.8 32.8 52.1 66.8 83.5
T3 27.9 35.8 55.5 67.9 89.5
T4 28.1 36.4 60.2 69.6 92.5
表3 紫花苜蓿生物量（kg/m2）
CK T1 T2 T3 T4
第一次刈割 652 795 924 1023 1090
第二次刈割 523 770 852 923 940
表1、表2、表3可以看出，施用本改良剂后，植物的株高、盖度、生物量均有所提高，并且三者均随着改良剂用量的增加而增加。
表4 土壤养分与pH值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
黄腐酸、黑腐酸、棕腐酸等腐殖酸是土壤中对植物生长有益的小分子有机质，可以直接被植物根系吸收利用，可通过有机质含量间接反映出表土替代材料中黄腐酸、黑腐酸、棕腐酸含量水平。由表4可以看出，通过施用改良剂，可以提高表土替代材料中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，施用量由改良剂固体组分100kg/亩，改良剂液体组分原液100kg/亩提高至改良剂固体组分150kg/亩，改良剂液体组分原液150kg/亩对上述养分提高效果明显。同时，通过施用改良剂，可以降低表土替代材料的pH值，使其更接近中性土壤标准。
实施例3：
将该改良剂应用于蒙东地区某露天矿，在露天矿排土场进行效果试验。将该改良剂固体组分与改良剂液体组分原液按1:1配合使用，亩用量150kg，记为T1，施用方式同实施例1。使用鸡粪作为改良剂对表土替代材料进行改良，亩用量150kg，记为T2。使用市售某品牌复合肥（N：P：K=28:6:6），亩用量15kg，记为T3。使用粉碎后玉米秸秆翻耕还田，秸秆用量0.5t/亩，记为T4。种植紫花苜蓿，种子用量3kg/亩。根据需要进行浇水等管理工作，并对其长势进行监测，结果如下：
表5紫花苜蓿平均株高（cm）
处理 5月25日 6月15日 6月30日 7月15日 7月30日
CK 13.5 31.5 49.6 55.2 63.5
T1 27.8 52.7. 69.4 74.5 82.3
T2 15.2 32.3 51.3 54.9 61.2
T3 25.6 53.1 70.2 72.3 78.2
T4 15.8 31.8 50.9 54.2 64.5
表6紫花苜蓿盖度（%）
处理 5月25日 6月15日 6月30日 7月15日 7月30日
CK 18.3 27.6 48.5 58.9 69.2
T1 27.9 35.8 55.5 67.9 89.5
T2 19.5 32.6 49.8 62.3 73.6
T3 21.7 36.2 562 66.2 74.5
T4 23.5 31.8 54.2 65.2 72.4
表7紫花苜蓿生物量（kg/m2）
CK T1 T2 T3 T4
第一次刈割 652 1023 785 1009 896
第二次刈割 523 923 652 889 721
表8土壤养分与pH值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由上表可知，所述改良剂固体组分与改良剂液体组分有效的调整了表土替代材料的pH值，有机质含量高，提高了表土替代材料中速效态氮、磷、钾的水平，对作物生长具有促进作用，其作用效果优于鸡粪和秸秆还田。同时，肥力持久性测定结果表明，T1处理的有机质、速效态氮、磷、钾含量可以在较长时间内维持该水平，可见，T1处理不仅可以提高表土替代材料肥力，而且肥力具有较长的持久性。
本发明的原理：
腐殖酸大量存在于褐煤、风化煤、碳质泥岩、页岩等含碳的沉积岩中，本方法通过氧化活化、酸化活化腐殖酸，使碳质泥岩中的腐殖酸利用率大大提高。木醋液、竹醋液的添加向表土替代材料中引入了植物生长所需要的微量元素，降低了表土替代材料的pH值。外源微生物的添加提高了土壤中微生物总量，土壤微生物的在表土替代材料中进行的氧化、氨化、硝化、固氮以及硫化等活动促进了养分的分解与转化。根瘤菌剂与木醋液中的微量元素结合生成的钼铁蛋白是豆科植物根瘤菌固氮酶的组成成分。

Claims (4)

1.一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂的制备方法，其特征是：所述改良剂包括改良剂液体组分和改良剂固体组分，所述改良剂液体组分和改良剂固体组分的制备包括以下步骤：
（1）备料
筛选粒径小于1cm的碳质泥岩；所述碳质泥岩为采矿剥离物中的碳质泥岩，总有机碳含量30%-40%；
（2）浸泡
使用质量浓度为10%-20%的H2O2溶液对上述碳质泥岩进行浸泡处理，所述碳质泥岩与H2O2溶液固液质量比为1:2.5-1:2.7，浸泡时间2 h-4 h后进行离心分离，获得黄腐酸一次浸提液和一次离心固体；
（3）酸化
所述一次离心固体加入相同质量的混合酸溶液，50℃-70℃下搅拌20 min-40 min后进行离心分离，获得黄腐酸二次浸提液和二次离心固体；
所述混合酸溶液包括硝酸，盐酸，EDTA，草酸铵，草酸铁钾；
所述硝酸质量浓度为10%-20%，所述盐酸质量浓度为4%-8%，所述EDTA质量浓度为4%-8%，所述草酸铵质量浓度为0.05%-0.2%，所述草酸铁钾质量浓度为0.05%-0.2%；
（4）混合浓缩
将黄腐酸一次浸提液与黄腐酸二次浸提液混合浓缩至原体积的5%-15%，获得黄腐酸浓缩液；
（5）制备改良剂液体组分
所述黄腐酸浓缩液中添加木醋液和竹醋液，获得改良剂液体组分；
所述黄腐酸浓缩液、木醋液、竹醋液添加的添加体积比为97-99:0.5-1.5：0.5-1.5；
（6）制备改良剂固体组分
所述二次离心固体清水冲洗至PH 7.5-7.8后干燥研磨，获得棕腐酸和黑腐酸混合物；所述棕腐酸和黑腐酸混合物与农产品废弃物，磷石膏粉混合，获得改良剂固体组分原粉；所述改良剂混合原粉按质量份数包括棕腐酸和黑腐酸混合物70-87，农产品废弃物10-25，磷石膏粉3-5；所述农产品废弃物粒径大小低于0.5cm；
所述农产品废弃物包括玉米秸秆、草场枯落物，所述玉米秸秆、草场枯落物含水量低于20%；所述玉米秸秆、草场枯落物重量比为3-7：3-7；
所述的磷石膏为磷矿生产磷酸的湿法工艺的产物，使用粒径范围0.5 mm -3mm；
所述改良剂混合原粉中加入土壤微生物菌，获得改良剂固体组分；所述改良剂固体组分中土壤微生物菌菌量为有效活菌数为104个/克-105个/克；
所述土壤微生物菌包括哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌，所述哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌、根瘤菌比为1:1-1.5:1-1.5。
2.根据权利要求1所述的一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂的制备方法，其特征为：所述改良剂的使用方法为：所述改良剂固体组分用量为50 kg/亩-200 kg/亩，改良剂液体组分原液50 kg/亩-200kg/亩；所述改良剂固体组分均匀撒于待复垦的表土替代材料表面，将改良剂液体组分原液稀释5倍-10倍均匀喷洒于待复垦的表土替代材料表面，稳定3h-5 h后旋耕作业，旋耕深度15 cm -20 cm。
3.根据权利要求2所述的一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂的制备方法，其特征为：所述改良剂固体组分与改良剂液体组分原液按1:1重量比配合使用。
4.根据权利要求2所述的一种用于露天煤矿表土替代材料的改良剂的制备方法，其特征为：所述改良剂固体组分用量为150 kg/亩，改良剂液体组分用量150 kg/亩。
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