CN107432169A

CN107432169A - 一种强保水和蓄水性能的海绵土壤结构

Info

Publication number: CN107432169A
Application number: CN201710570393.3A
Authority: CN
Inventors: 谢冰; 魏华炜; 苏应龙; 王柳红
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2017-12-05

Abstract

本发明公开了一种强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，该结构至少由缓冲层、蓄水层和保水层组成；缓冲层位于底部，缓冲层内填充有第一填充物，第一填充物由碎石、煤矸石构成的缓冲层内设置有排水管；蓄水层位于缓冲层的上方，蓄水层内填充有第二填充物，第二填充物是农业废弃物堆肥基质和土壤的搅拌物，农业废弃物堆肥基质包括玉米、稻草秸秆和城市污水厂污泥；保水层位于蓄水层的上方，保水层内填充有第三填充物，第三填充物为添加了保水剂的土壤。利用本发明可对退化和污染土壤，特别是干旱地区土壤进行修复和改良，改良后的土壤透气性和持水能力可得到大幅提高，并可有效减少后期土壤灌溉，实现水资源高效利用。本发明结构、材料易得，在退化和污染土壤改良方面有很强的应用价值。

Description

一种强保水和蓄水性能的海绵土壤结构

技术领域

本发明属于土壤改良和修复技术领域，涉及污染土壤和退化土壤的改良技术，尤其涉及一种强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，适用于退化或污染土壤重新构建。

背景技术

土壤作为植物生长的介质，是植物生长所离不开的，土壤肥力是土壤的核心，土壤质量决定着植物生长状况。而由于人为活动的强烈影响，土壤的物理、化学性质发生了改变，如pH值偏高、有机质含量低、有效养分缺乏、土壤板结等。其中土壤污染及其物理性质的退化是最为普遍的，并且严重影响植物的正常生长。土壤的自然发育层次消失，土壤贫瘠，土壤结构差，其土体板结和沙化也是土壤退化的典型特征。而对土壤的保水和蓄水能力进行改良，不仅能增强土壤的保水性和土壤结构，还能提高降雨入渗率，减少土壤水分和养分的流失，最终促进降雨和灌溉水的高效利用，因此对退化或污染土壤进行合理改良对生态建设及区域社会经济可持续发展具有重要的现实意义和长远意义。

人与自然相互作用的不和谐是加剧土壤污染和退化的根本原因。土壤退化过程中土壤颗粒组成也发生变化，表现为粗粒部分增加，细粒部分减少，土壤硬度增大，孔隙度变小，土壤持水能力下降，并且土壤中水稳性的团聚体数量减少。运用保水剂构建海绵土壤，不但保水保肥，而且能够调节土壤水肥气热交换，有助于促进土壤团粒结构的形成，且无毒无害，在土壤中可降解，有效期长达3～6年，作为土壤修复基材，使土壤具有很好保水性能；并能达到污染土壤修复和退化土壤改良的目的。同时农业废弃物堆肥基质含有大量的磷、钾、钙、镁等营养元素，具有比表面积大、表面能高、孔隙度大等特点，其施入土壤后会产生明显的理化及生物效益，能改善土壤环境，有利于作物的生长。

目前，污染土壤或退化土壤改良方法有：添加有机质法、添加改良剂和客土法等，但均未考虑重构土体剖面结构对土壤不同层次上的不同功能进行土体的改良，不仅缺乏针对性，而且很大程度上解决不了土壤污染和退化问题。因此，针对土壤不同层次水资源利用特征构建海绵土壤，提出一种适合污染或退化土壤改良技术是非常必要的。

发明内容

本发明提出了一种强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，该结构至少由缓冲层、蓄水层和保水层组成；所述缓冲层位于底部，所述缓冲层内填充有第一填充物，所述第一填充物由碎石、煤矸石构成的；所述缓冲层内设置有排水管；所述蓄水层位于所述缓冲层的上方，所述蓄水层内填充有第二填充物，所述第二填充物是农业废弃物堆肥基质和土壤的搅拌物，所述农业废弃物堆肥基质包括玉米、稻草秸秆和城市污水厂污泥；所述保水层位于所述蓄水层的上方，所述保水层内填充有第三填充物，所述第三填充物为添加了保水剂的土壤。

本发明提出的所述强保水和蓄水性能的海绵土壤结构中，所述缓冲层的土层厚度为5～15厘米，所述蓄水层的土层厚度为10～15厘米，所述保水层的土层厚度为10～15厘米。

本发明提出的所述强保水和蓄水性能的海绵土壤结构中，所述第二填充物是由农业废弃物堆肥基质与土壤按重量比1:10～1:5的比例搅拌均匀混合制成。

本发明提出的所述强保水和蓄水性能的海绵土壤结构中，所述第二填充物的土壤容重为0.8～1.1g/cm³；所述第三填充物的土壤容重为1.1～1.3g/cm³。

本发明提出的所述强保水和蓄水性能的海绵土壤结构中，所述添加保水剂的质量为保水层土体重量的1～2％，所述保水剂包括聚谷氨酸树脂γ-PGA。

本发明提出的所述强保水和蓄水性能的海绵土壤结构中，所述排水管由打孔波纹管均匀排列组成，所述排水管的管孔直径为1～3cm。

本发明的有益效果在于：

(1)有效提高土壤的保水和蓄水性能。土壤改良后，保水层土壤可抗旱保水，提高土壤含水量和水分利用率，降低土壤容重，促进土壤团粒结构的形成，改进土壤的保水、保湿性能，增强土壤的透气性和透水性，防止土壤结块；同时由于蓄水层中土壤容重低，孔隙度增大，提高土壤入渗性能，加速灌溉水或降水迅速进入底层土壤，大量过剩的入渗降水由PVC排水管排出，排出水可循环利用，不仅减少地表蒸发对土壤水分的影响，还能提高水资源利用率，对污染或退化土壤改良来说，具有重要作用。

(2)通过构建海绵土壤可避免土壤污染、板结、土壤再次退化等问题。由于设置了不同层次，且不同层次对植物生长发挥不同功效，土壤保水层起水分调节功能，保水抗旱，减少水分蒸发作用，蓄水层具有蓄水功能，为植物生长提供养分，缓冲层为植物生长提供机械支撑能力，同时也有蓄水作用，为植物生长提供水分，可提高水资源利用率，有效降低灌溉需水量，节约成本。

(3)适用性强。可根据不同植物类型，根系生长长度及所需空间，灵活设计改良土体深度。如针对生长乔木土壤的改良，可适当增加各层的厚度，尤其是增加保水层和蓄水层厚度，以保证乔木生长的种植所需深度。

(4)变废为宝，节约成本。本发明利用农业废弃物堆肥基质作为改良剂，克服传统的大面积使用客土或大量添加有机介质的高成本改良技术，针对植物的养分需求，农业废弃物堆肥基质主要与土壤混合并形成蓄水层，在涵养水分的同时将养分溶于水溶液中，有利于植物的生长吸收，可减少对表土层的养分添加，不仅有效利用了农业废弃物，使其变废为宝，还能促进植物生长，改善作物品质，增加经济效益。

综上，利用本项发明，不仅可以大面积对污染或退化土壤进行改良，还可以根据特定种植植物进行单株数穴改良，有利于节约改良成本，提高改良效果，是一种值得推广应用的污染或退化土壤改良方法。

附图说明

图1为本发明的强保水和蓄水性能海绵土壤结构的截面图。

图2为本发明海绵土壤不同层次与对照组土壤的保水率图。

图3为本发明海绵土壤不同层次与对照组土壤的含水率图。

图4为本发明海绵土壤不同层次与对照组土壤累积渗出水量随时间变化曲线图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明提出的海绵土壤结构，具有强保水和蓄水性能。该海绵土壤结构由缓冲层、蓄水层和保水层组成。

缓冲层位于底部，缓冲层内填充有第一填充物，第一填充物由碎石、煤矸石构成的，缓冲层的土层厚度为5～15厘米。缓冲层内设置有排水管，排水管由打孔波纹管均匀排列组成，排水管的管孔直径为1～3cm。

蓄水层位于缓冲层的上方，蓄水层的土层厚度为10～15厘米，蓄水层内填充有第二填充物，第二填充物是农业废弃物堆肥基质和土壤的搅拌物，农业废弃物堆肥基质包括玉米、稻草秸秆和城市污水厂污泥。其中，农业废弃物堆肥基质与土壤按重量比为1:10～1:5，第二填充物的土壤容重为0.8～1.1g/cm³。第三填充物的土壤容重为1.1～1.3g/cm³。

保水层位于蓄水层的上方，保水层内填充有第三填充物，第三填充物为添加了保水剂的土壤。保水层的土层厚度为10～15厘米，添加保水剂的质量为保水层土体重量的1～2％，保水剂包括聚谷氨酸树脂γ-PGA等材料。

实施例：

对于西北黄土高原地区属半干旱大陆性气候，降雨少但瞬时强度大，大部分雨水经地表径流排走，不仅浪费水资源，而且造成大面积的水土流失，影响植被生长；尤其是退化土壤保水和肥力低、生态系统脆弱的问题，该区域水资源的高效利用以及土壤改良成为亟待解决的重要问题。本发明海绵土壤结构的土壤改良顺序如下进行：

从下到上设置不同土壤层次：

1)构建缓冲层。在底部土壤上铺10cm厚的碎石、煤矸石，直径大约为1cm左右，并安装由PVC打孔波纹管构成的排水管，管孔直径为1～3cm；缓冲层厚度为10cm，完成对缓冲层的构建。

2)在缓冲层上铺设蓄水层。加入蓄水土壤，该蓄水土壤由玉米、稻草秸秆等农业废弃物堆肥基质与土壤按重量比1:10比例搅拌均匀混合，加入的土层厚度为15cm，土壤容重为0.8～1.1g/cm³，完成了蓄水层的构建。

3)在蓄水层上部铺设保水层。在蓄水层上部加入15cm厚的保水土壤，该保水土壤由填入挖出的备用土和添加按重量比为1％的聚谷氨酸树脂(γ-PGA)构成，土壤容重为1.1～1.3g/cm³，完成了土壤保水层的构建。

本发明玉米、稻草秸秆等农业废弃物堆肥基质富含氮、磷、钾等作物所需营养元素，具有明显的增产增收效果。本发明海绵土壤结构不仅能为农业生产提供肥力资源，还能疏松土壤，增强土壤团粒结构，提供保水性能，增强土壤的通透性，有利于作物根系生长，提高作物的生命活力和抗旱能力。

采用实施例的方案构建海绵土壤的保水率、含水率、累积入渗量与对照土壤进行对比情况分别见图2，图3、图4。

图2中，对照组土壤历经21天，其土壤保水率由原来饱和水分降低至7.37％，而构建的海绵土壤的蓄水层保水率较对照组提高了400％，保水层保水率较对照组提高了13.11％。

图3中，对照组土壤历经21天，其土壤含水率由原来43.8％降低至9.5％，而构建的海绵土壤的蓄水层含水率较对照组提高了262.8％，保水层含水率较对照组提高了57.9％。

图4中，构建的海绵土壤的蓄水层、保水层渗透性较对照组均有所提高。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，其特征在于，该结构至少由缓冲层、蓄水层和保水层组成；

所述缓冲层位于底部，所述缓冲层内填充有第一填充物，所述第一填充物由碎石、煤矸石构成的；所述缓冲层内设置有排水管；

所述蓄水层位于所述缓冲层的上方，所述蓄水层内填充有第二填充物，所述第二填充物是农业废弃物堆肥基质和土壤的搅拌物，所述农业废弃物堆肥基质包括玉米、稻草秸秆和城市污水厂污泥；

所述保水层位于所述蓄水层的上方，所述保水层内填充有第三填充物，所述第三填充物为添加了保水剂的土壤。

2.如权利要求1所述的强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，其特征在于，所述缓冲层的土层厚度为5～15厘米，所述蓄水层的土层厚度为10～15厘米，所述保水层的土层厚度为10～15厘米。

3.如权利要求1所述的强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，其特征在于，所述第二填充物是由农业废弃物堆肥基质与土壤按重量比1:10～1:5的比例搅拌均匀混合制成。

4.如权利要求1所述的强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，其特征在于，所述第二填充物的土壤容重为0.8～1.1g/cm³；所述第三填充物的土壤容重为1.1～1.3g/cm³。

5.如权利要求1所述的强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，其特征在于，所述添加保水剂的质量为保水层土体重量的1～2％，所述保水剂包括聚谷氨酸树脂γ-PGA。

6.如权利要求1所述的强保水和蓄水性能的海绵土壤结构，其特征在于，所述排水管由打孔波纹管均匀排列组成，所述排水管上的管孔直径为1～3cm。