CN116746454A - 一种用于漂浮城市的人工模拟土壤及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于漂浮城市的人工模拟土壤及制备方法，涉及人工模拟土壤及其制备技术领域。按照重量份计，其原料包括：深海采矿土200～400份、腐殖质粉200～400份、膨润土10～20份、生物炭30～50份、底栖物粉原料100～300份、有机肥20～60份、微生物复合菌剂1～3份以及蒸馏水300～1000份。本发明利用各种原料的协同搭配，改造深海采矿土的土壤理化性状，使深海采矿土具有保水保肥的特性，提高土壤抵抗有机微生物的流失的能力，并有固定植被根系，提高植被抗病虫害的性能。
Description
技术领域
本发明涉及人工模拟土壤及其制备技术领域，具体涉及一种用于漂浮城市的人工模拟土壤及制备方法。
背景技术
随着社会经济不断发展，我国对土地资源的需求与陆地面积不足之间的矛盾日益突出，沿海地区不得不把空间发展的目光投向海洋。大规模填海造地，不仅耗资巨大，恶化海洋环境质量，严重破坏海洋自然生态平衡，影响海洋生物繁衍环境，还会直接造成海洋空间缩小，生物多样性锐减等问题。为了应对气候变化，创造可持续的生活，有研究计划建造一座漂浮城市，而漂浮城市种植蔬菜所需土壤与陆地不同，因此，需寻求一种适用于漂浮城市的人工模拟土壤。
深海采矿采集结核时，深海采矿土会伴随结核一起被采集器提升到海面或排放到海洋底部。随着深海采矿如火如荼的进行，深海采矿土的大量产出也危害着海洋环境及生态。据研究表明，这些排放的深海采矿土会对产生羽流，对海洋生物产生不可逆的危害。特别是，深海采矿土具有以下不利于植被种植的特性：
深海采矿土含水量较高，完全不适于植被种植；深海采矿土中有机物含量较低，且对有机物的保持能力也比较弱；深海采矿土的土壤强度低，对植被的根系固定较差；深海采矿土中有益于植被生长的微生物含量低。
以上不利因素使得深海采矿土不适于城市绿化、作物种植等领域。因此，需进一步开发深海采矿土的高效、稳定、回收利用的用途。
若将深海采矿土应用于漂浮城市的人工模拟土壤中，其不仅仅解决了深海采矿土的排放对环境造成的污染问题，还可实现深海采矿土的再利用。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其通过对深海采矿土进行改造，得到的人工模拟土壤具备保水保肥的特性，可提高土壤抵抗有机微生物的流失的能力，并且具有固定的植被根系，可提高植被的抗病虫性。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，按照重量份计，其包括以下原料：
深海采矿土200～400份、腐殖质粉200～400份、膨润土10～20份、生物炭30～50份、底栖物粉原料100～300份、有机肥20～60份、微生物复合菌剂1～3份以及蒸馏水300～1000份。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的腐殖质粉包括：树叶50～70份、秸秆40～100份、烟梗80～150份和农作物壳50～80份。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的膨润土为有机膨润土；所述的生物炭是由动物粪便或/和木屑加工而成的多孔碳。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的底栖物粉原料是由珊瑚沙、贝壳粉及牡蛎粉混合而成。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的有机肥中包含相应量的有机质、氮、磷。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的微生物复合菌剂包括菌液和胶结液。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的菌液为巴士芽孢杆菌，所述的胶结液为氯化钙和尿素的混合液，巴士芽孢杆菌pH值为9，胶结液的浓度为0.5mol/L。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，所述的深海采矿土是采用立管将其提升到水面以上的，深海采矿土的原始含水量为130％～150％。
本发明的另一目的在于提供上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤的制备方法，包括以下步骤：
a、将通过立管提升到水面以上的深海采矿土进行离心，得到固体物质；将该固体物质在一定温度下进行真空干燥，粉磨过筛至小于0.25mm，得到粉末状的深海采矿土；
b、将粉末状的深海采矿土与腐殖质粉混合，搅拌，得到混合物一；
c、将膨润土和生物炭加入到步骤b得到的混合物一中，搅拌，得到混合物二；
d、将微生物复合菌剂和底栖物粉原料与混合物二进行混合，搅拌，加入适量蒸馏水，得混合物三；
e、将有机肥加入到混合物三中，在氧气充足的环境中养护一段时间，定期翻铲土壤，即得。
上述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤的制备方法，步骤b中，腐殖质粉的制备步骤为：
第一步、将树叶、秸秆、烟梗和农作物壳进行清洗，去除原料中的杂质；
第二步、将第一步得到的树叶、秸秆、烟梗和农作物壳进行高温干燥，适时翻铲，确保其含水量为10～20％；
第三步、将第二步得到的树叶、秸秆、烟梗和农作物壳粉磨过筛至0.15mm，在150-250r/min下搅拌60-80s；
第四步、向第三步得到混合物中加入pH调节剂，离心，将pH调节至6～8，得腐殖质粉。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)本发明提出了一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其通过深海采矿土、腐殖质粉、膨润土、生物炭、底栖物粉原料、有机肥、微生物复合菌剂以及蒸馏水的协同搭配，改造深海采矿土的土壤理化性状，使深海采矿土具有保水保肥的特性。
(2)深海采矿土本身的含水率极高，不适合植被的种植，本发明中添加膨润土、生物碳和底栖物粉，通过控制三者的比例，使混合土壤具有与成熟土壤相识的含水率，同时膨润土和生物碳使混合土壤具有很强的保水保肥能力，并且可以为有益微生物提供理想载体，激发微生物的活性。
(3)在深海采矿土中添加腐殖质，不仅改善土壤原料的盐碱化的问题，还可以配合底栖物料原料增强人工土壤的强度，提高土壤的水土保持能力，增加土壤对营养元素的吸收能力。
(4)深海采矿土有益于植被生长的微生物较少，且深海采矿土较为松散，存在大量空隙。通过添加微生物复合菌剂，激活土壤微生物，在堆料中迅速繁殖，快速分解土壤有机质，使处于休眠期的孢子迅速进入活跃生长状态。同时，微生物固化后底栖物料原料颗被生成的碳酸钙，很好的充填进深海采矿土中，使深海采矿土空隙得到了有效的填充，有效的提高了土体强度。
(5)深海采矿产生的深海采矿土不论在海面和海底排放，都会对海洋及海洋生物造成极大地危害，破环生态环境。将深海采矿土制备成一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，解决了深海采矿土排放的环境问题，实现了深海采矿土再利用，具有一定的经济效益。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明一种用于漂浮城市的人工模拟土壤的制备方法示意图；
图2为西太平洋深海采矿土制备的人工模拟土壤的第一扫描电镜照片；
图3为西太平洋深海采矿土制备的人工模拟土壤的第二扫描电镜照片；
图4为西太平洋深海采矿土制备的人工模拟土壤的第三扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明公开了一种用于漂浮城市的人工模拟土壤及制备方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明中所述及的原料均可通过商业渠道购买获得。
本发明中所述及的“漂浮城市”，也指“海上家园”。
本发明主要通过对深海采矿土进行利用，即将其与其它组分进行配伍使用，可获得用于漂浮城市的人工模拟土壤，本发明的主要创新点为：第一、将深海采矿土应用于漂浮城市的人工模拟土壤，第二、如何使得深海采矿土具有保水保肥的特性。
一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，按照重量份计，其包括以下原料：
深海采矿土200～400份、腐殖质粉200～400份、膨润土10～20份、生物炭30～50份、底栖物粉原料100～300份、有机肥20～60份、微生物复合菌剂1～3份以及蒸馏水300～1000份。
根据各个原料的不同配比，可形成多种组合，分别为：
深海采矿土200份、腐殖质粉200份、膨润土10份、生物炭30份、底栖物粉原料100份、有机肥20份、微生物复合菌剂1份以及蒸馏水300份；
或：深海采矿土200份、腐殖质粉200份、膨润土10份、生物炭50份、底栖物粉原料300份、有机肥60份、微生物复合菌剂3份以及蒸馏水1000份。
或：深海采矿土400份、腐殖质粉400份、膨润土20份、生物炭50份、底栖物粉原料100份、有机肥20份、微生物复合菌剂1份以及蒸馏水300份。
或：深海采矿土400份、腐殖质粉200份、膨润土20份、生物炭30份、底栖物粉原料300份、有机肥20份、微生物复合菌剂1份以及蒸馏水300份。
或：深海采矿土300份、腐殖质粉300份、膨润土15份、生物炭40份、底栖物粉原料200份、有机肥40份、微生物复合菌剂2份以及蒸馏水600份。
在上述原料组合的指引下，本领域技术人员还可显而易见得到其它组合方式。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，按照重量份计，其包括以下原料：
深海采矿土300份、腐殖质粉250份、膨润土15份、生物炭40份、底栖物粉原料150份、有机肥20份、微生物复合菌剂2份以及蒸馏水300份。
制备方法为：
步骤一、将深海采矿土离心，离心速度为8000r/min，离心时间为10min，得到固体物质；
步骤二、将步骤一得到的固体物质在80℃的环境下进行真空干燥，磨细过筛得到粉质深海土，取300份粉质深海采矿土作为人工模拟土壤的原料；
步骤三、制作腐殖质粉备用：将腐殖质粉原料(树叶、秸秆、烟梗、农作物壳)进行清洗，去除原料中的杂质；将清洗过的腐殖质粉原料在80℃的环境下进行高温干燥，适时翻铲，保证腐殖质粉原料的含水量为10％；取树叶、秸秆、烟梗、农作物壳并将其混合，质量比例依次为50：40：80：80，将腐殖质粉原料磨细过筛至小于0.15mm，混合均匀；向得到的混合物中加入pH调节剂，充分搅拌，使其pH为6～8，由于不同作物的最佳生长pH有所不同，具体pH值根据种植作物具体调节；将所得混合物进行离心，最终得到腐殖质粉；
步骤四、对菌液和胶结液进行混合并活化得到微生物复合菌剂；
步骤五、将300份粉质深海采矿土与250份腐殖质粉混合均匀，得到混合物一；
步骤六、将15份膨润土和40份生物炭加入到混合物一中，搅拌，得到混合物二；
步骤七、将贝壳、牡蛎进行破碎，球磨至最大粒径小于120μm，然后分别干燥常温放置；
步骤八、将底栖物粉原料按照配方比例进行混合：珊瑚沙、贝壳粉、牡蛎粉的比例为70：40：40；
步骤九、将微生物复合菌剂和底栖物粉原料与混合物二进行混合，在450～550r/min下搅拌60～80s，搅拌过程中，加入适量蒸馏水，得到混合物三；
步骤十、将有机肥加入到混合物三中，在氧气充足的环境中养护24h以上，定期翻铲土壤，即得人工模拟土壤。
实施例2：
一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，按照重量份计，其包括以下原料：
深海采矿土300份、腐殖质粉300份、膨润土20份、生物炭30份、底栖物粉原料300份、有机肥30份、微生物复合菌剂3份以及蒸馏水1000份。
制备方法为：
步骤一、将深海采矿土离心，离心速度为8000r/min，离心时间为10min，得到固体物质；
步骤二、将步骤一得到的固体物质在80℃的环境下进行真空干燥，磨细过筛得到粉质深海土，取300份粉质深海采矿土作为人工模拟土壤的原料；
步骤三、制作腐殖质粉备用：将腐殖质粉原料(树叶、秸秆、烟梗、农作物壳)进行清洗，去除原料中的杂质；将清洗过的腐殖质粉原料在80℃的环境下进行高温干燥，适时翻铲，保证腐殖质粉原料的含水量为15％；取树叶、秸秆、烟梗、农作物壳并将其混合，质量比例依次为60：80：110：50，将腐殖质粉原料磨细过筛至小于0.15mm，混合均匀；向得到的混合物中加入pH调节剂，充分搅拌，使其pH为6～8，由于不同作物的最佳生长pH有所不同，具体pH值根据种植作物具体调节；将所得混合物进行离心，最终得到腐殖质粉；
步骤四、对菌液和胶结液进行混合并活化得到微生物复合菌剂；
步骤五、将300份粉质深海采矿土与300份腐殖质粉混合均匀，得到混合物一；
步骤六、将20份膨润土和30份生物炭加入到混合物一中，搅拌，得到混合物二；
步骤七、将贝壳、牡蛎进行破碎，球磨至最大粒径小于120μm，然后分别干燥常温放置；
步骤八、将底栖物粉原料按照配方比例进行混合：珊瑚沙、贝壳粉、牡蛎粉的比例为150：80：70；
步骤九、将微生物复合菌剂和底栖物粉原料与混合物二进行混合，在450～550r/min下搅拌60～80s，搅拌过程中，加入适量蒸馏水，得到混合物三；
步骤十、将有机肥加入到混合物三中，在氧气充足的环境中养护24h以上，定期翻铲土壤，即得人工模拟土壤。
实施例3：
一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，按照重量份计，其包括以下原料：
深海采矿土300份、腐殖质粉400份、膨润土10份、生物炭50份、底栖物粉原料100份、有机肥60份、微生物复合菌剂3份以及蒸馏水700份。
制备方法为：
步骤一、将深海采矿土离心，离心速度为8000r/min，离心时间为10min，得到固体物质；
步骤二、将步骤一得到的固体物质在80℃的环境下进行真空干燥，磨细过筛得到粉质深海土，取300份粉质深海采矿土作为人工模拟土壤的原料；
步骤三、制作腐殖质粉备用：将腐殖质粉原料(树叶、秸秆、烟梗、农作物壳)进行清洗，去除原料中的杂质；将清洗过的腐殖质粉原料在80℃的环境下进行高温干燥，适时翻铲，保证腐殖质粉原料的含水量为20％；取树叶、秸秆、烟梗、农作物壳并将其混合，质量比例依次为70：100：150：80，将腐殖质粉原料磨细过筛至小于0.15mm，混合均匀；向得到的混合物中加入pH调节剂，充分搅拌，使其pH为6～8，由于不同作物的最佳生长pH有所不同，具体pH值根据种植作物具体调节；将所得混合物进行离心，最终得到腐殖质粉；
步骤四、对菌液和胶结液进行混合并活化得到微生物复合菌剂；
步骤五、将300份粉质深海采矿土与400份腐殖质粉混合均匀，得到混合物一；
步骤六、将10份膨润土和50份生物炭加入到混合物一中，搅拌，得到混合物二；
步骤七、将贝壳、牡蛎进行破碎，球磨至最大粒径小于120μm，然后分别干燥常温放置；
步骤八、将底栖物粉原料按照配方比例进行混合：珊瑚沙、贝壳粉、牡蛎粉的比例为50：30：20；
步骤九、将微生物复合菌剂和底栖物粉原料与混合物二进行混合，在450～550r/min下搅拌60～80s，搅拌过程中，加入适量蒸馏水，得到混合物三；
步骤十、将有机肥加入到混合物三中，在氧气充足的环境中养护24h以上，定期翻铲土壤，即得人工模拟土壤。
图2为西太平洋深海采矿土制备的人工模拟土壤的第一扫描电镜照片；图3为西太平洋深海采矿土制备的人工模拟土壤的第二扫描电镜照片；图4为西太平洋深海采矿土制备的人工模拟土壤的第三扫描电镜照片。
本发明通过上述实施例1、2、3的人工模拟土壤以及西太平洋的原位土进行了一系列试验说明本发明的效果：
西太平洋的原位土作为对照组，实施例1作为试验组1，实施例2作为试验组2，实施例3作为试验组3，对以上四组进行土壤理化指标试验和养分指标试验。
养分指标试验主要测试土壤的全氮、全磷、有机质和肥力流失率。
有机质按通常的丘林容量法测定，即用氧化剂(K2Cr2O7·H2SO4混合液)将有机碳氧化成二氧化碳，按照氧化剂耗量计算出有机质的量。
磷的测定采用钼蓝法，即在经消煮处理后的样品中加入一定量的钼酸胺-硫酸混合试剂和1、2、4氨基萘酸磺酸还原剂，产生蓝色(NH4)PO4MoO3化合物后在721分光光度计上比色，然后计算其含量。
氮的测定同样进行消煮处理，使硝酸盐、有机氮素转化为(NH4)2SO4，然后加碱使NH3释放，用H3BO3吸收，最后用标准盐酸滴定计算出氮的含量。
实验结果与分析：
从表1可以看出，对照组的容重高达2.461g/cm3且孔隙度为81％，是由于其含水量为136％，这也导致深海采矿土的强度极低，仅有11.5KPa，这表明西太平洋的深海采矿土不适宜直接种植作物；但是，本发明的试验组1制备的人工土壤的容重为0.7g/cm3，孔隙度为35％，含水量为20％，强度为26.4KPa；本发明的试验组2制备的人工土壤的容重为1.1g/cm3，孔隙度为39％，含水量为22％，强度为29.6KPa；本发明的试验组3制备的人工土壤的容重为1.0g/cm3，孔隙度为37％，含水量为21％，强度为28.5KPa；这表明三个实施例制备的试验人工土壤结构发生了显著的变化，到达作物种植土壤的要求。
表1土壤理化性质检测表
从表2可以看出，试验组1-3的人工土壤全氮含量为1.934 -2.156g/Kg，明显高于对照组原位土全氮含量0.462g/Kg。试验组1-3的人工土壤全磷含量为1.986 -2.234g/Kg，明显高于对照组原位土全氮含量1.132g/Kg。试验组1-3的人工土壤有机质含量为14.332 -15.712g/Kg，明显高于对照组原位土有机质含量9.845g/Kg。试验组1-3的人工土壤肥力流失率为19％-21％，明显低于对照组原位土肥力流失率64％。
实施例1-3所制备的人工模拟土壤具有质地轻、透气性好，有机质及氮磷含量高等明显优良的理化性质。
表2养分指标检测表
本发明利用各种原料的协同搭配，改造深海采矿土的土壤理化性状，使深海采矿土具有保水保肥的特性，提高土壤抵抗有机微生物的流失的能力，并有固定植被根系，提高植被抗病虫害的功能。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，按照重量份计，其包括以下原料：
深海采矿土200～400份、腐殖质粉200～400份、膨润土10～20份、生物炭30～50份、底栖物粉原料100～300份、有机肥20～60份、微生物复合菌剂1～3份以及蒸馏水300～1000份。
2.根据权利要求1所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的腐殖质粉包括：树叶50～70份、秸秆40～100份、烟梗80～150份和农作物壳50～80份。
3.根据权利要求1所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的膨润土为有机膨润土；所述的生物炭是由动物粪便或/和木屑加工而成的多孔碳。
4.根据权利要求1所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的底栖物粉原料是由珊瑚沙、贝壳粉及牡蛎粉混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的有机肥中包含相应量的有机质、氮、磷。
6.根据权利要求1所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的微生物复合菌剂包括菌液和胶结液。
7.根据权利要求6所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的菌液为巴士芽孢杆菌，所述的胶结液为氯化钙和尿素的混合液，巴士芽孢杆菌pH值为9，胶结液的浓度为0.5mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤，其特征在于，所述的深海采矿土是采用立管将其提升到水面以上的，深海采矿土的原始含水量为130％～150％。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将通过立管提升到水面以上的深海采矿土进行离心，得到固体物质；将该固体物质在一定温度下进行真空干燥，粉磨过筛至小于0.25mm，得到粉末状的深海采矿土；
b、将粉末状的深海采矿土与腐殖质粉混合，搅拌，得到混合物一；
c、将膨润土和生物炭加入到步骤b得到的混合物一中，搅拌，得到混合物二；
d、将微生物复合菌剂和底栖物粉原料与混合物二进行混合，搅拌，加入适量蒸馏水，得混合物三；
e、将有机肥加入到混合物三中，在氧气充足的环境中养护一段时间，定期翻铲土壤，即得。
10.根据权利要求9所述的一种用于漂浮城市的人工模拟土壤的制备方法，其特征在于，步骤b中，腐殖质粉的制备步骤为：
第一步、将树叶、秸秆、烟梗和农作物壳进行清洗，去除原料中的杂质；
第二步、将第一步得到的树叶、秸秆、烟梗和农作物壳进行高温干燥，适时翻铲，确保其含水量为10～20％；
第三步、将第二步得到的树叶、秸秆、烟梗和农作物壳粉磨过筛至0.15mm，在150～250r/min下搅拌60～80s；
第四步、向第三步得到混合物中加入pH调节剂，离心，将pH调节至6～8，得腐殖质粉。
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