一种模拟盐碱土水盐运移装置及盐碱地抑盐方法

摘要

本发明涉及盐碱地治理领域，尤其是涉及一种模拟盐碱土水盐运移装置及盐碱地抑盐的方法。公开了一种用于模拟盐碱土水盐运移情况的土柱装置，包括装有连通管的土柱主体以及接液池等；公开了一种利用隔盐层实现盐碱地抑盐的方法，包括以下步骤：将不同隔盐层置于土柱的相同位置并将土柱装填完整，随后将土柱置于装有海水的接液池中。本发明所述土柱装置能够最大程度模拟土壤环境，避免了阳光直射对土壤内部结构的破坏，提高了模拟的准确性；能够模拟盐碱土返盐过程。同时，本发明能够降低底层盐分在地表的聚集速度，起到抑制土壤返盐的效果；利用两种固体废物及生物炭制备的隔盐层，既能达到抑制土壤返盐的效果，同时“变废为宝”，提高了经济、社会、环境效益。本发明可操作性强、效果好、效益高、可大范围推广使用。

说明书

技术领域

本发明盐碱地治理领域，尤其是涉及一种模拟盐碱土水盐运移装置及盐碱地抑盐的方法。

背景技术

土壤盐碱化和次生盐碱化是影响农业生产和生态环境的严重问题。目前，全世界约有20％的耕地和接近50％的灌溉农田严重受土壤高浓度盐碱的影响。我国是盐碱地大国，根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，我国盐碱地总面积为9913万公顷，占全球盐碱地总面积的10.4％。

盐碱土是指同时含有过量可溶性盐及较多交换性钠离子土壤的统称。伴随着土壤内部毛管水运动及土壤表层水分蒸发活动，土壤盐分逐渐从底部运动到土壤表层并积聚。同时，受地下水位的影响，盐碱土常常呈现出“盐随水来，盐随水去”等特征。因此，土壤盐分是影响土壤理化性质的主要限制因素。针对盐碱地的形成特点，即盐分随土壤毛管水上升并积聚于地表，因此，切断部分土壤毛细管理论上是有效降低土壤返盐的有效途径。针对这一理论，在盐碱土中设置隔离层或增加土壤孔隙度将会有效减少土壤返盐的概率。

在土壤盐分如此高频率的垂直运动的条件下，土壤结构被破坏，导致植物难以生存。针对这一特点，土壤盐分在垂直方向的运移情况成为判断盐碱地性状的指标之一。

针对我国土壤盐碱化程度日益加重、耕地资源日趋短缺以及粮食需求日益高涨的现状，从根本上降低盐碱地中的有害物质、改善盐碱地的理化性质具有十分重要的意义。目前，室内土柱实验主要利用有机玻璃桶进行模拟，目的是为了便于观察土壤结构，但其缺点是易受日光或灯光的照射影响，因此会造成土柱环境与土壤环境有较大的差别，影响实验效果。中国实用新型专利CN206627514U提供了一种研究地下水影响条件下土壤水盐运移规律的土柱装置，包括附有遮光帘的土柱装备及监测系统，该装置能够降低光照、温度等因素对试验数据的影响，但装置复杂，难以开展大型实验。中国发明专利CN108513753A公开了一种以牛皮纸或瓦楞纸为载体，以甲基纤维素、酒糟、木屑、枯草芽孢杆菌中的几种物质作隔盐物质，进而制备成能够在土壤中起到隔盐效果的隔盐纸。该方法能够起到缓冲和阻断土壤毛细作用、降低盐分、降低成本的作用，但隔盐层作用效果短。中国发明专利CN109757144A公开了一种滨海盐碱地的改良方法，其中用到了炉渣、脱硫石膏、枯枝落叶作隔离层。该方法能够防止盐分向上聚集，但通过客土方法会造成土壤资源的转移，耗费大量人力物力。

发明内容

本发明针对现有模拟水盐运移装置的不足，提供了一种适用范围广、模拟效果好的模拟装置，该装置能够较大程度模拟土壤内部真实环境，同时操作简便，适合实验室开展大型实验；同时，本发明利用该装置，发明了一种能够有效抑制土壤返盐的方法，该方法克服原有技术的不足，具有较高的经济、环境、社会效益。

为实现本发明的目的，本发明提供一种用于实验室模拟盐碱土水盐运移规律、监测各改良措施对土壤理化性质的改良效果的土柱装置，其特征在于：该装置包括接液池和土柱；所述接液池包括长方形不透光底盒以及打孔顶盖；所述土柱包括PVC圆柱主体以及连通管；所述土柱侧面连接连通管、底部密封后打孔；所述土柱下端放置于接液池中。

其中，所述土柱主体由PVC管制成，直径15～20cm、管长60～120cm，管壁侧面从下至上每20cm打孔，孔径2～4cm。

其中，所述土柱主体底部密封，在距底部高2cm的地方打进水口。

其中，所述进水口直径为4～8mm，打孔个数为8～12个，均匀分布。

其中，所述接液池为塑料箱，上置打孔盖子，孔径与土柱管径相同。

其中，所述接液池中装有定量海水。

其中，所述土柱连通管为PVC内丝直接和外丝直接构成，直径与土柱主体打孔直径相同，并附带有合适规格的PVC管帽。

为实现本发明的目的，另一方面，本发明利用上述土柱装置进行隔盐层抑制土壤返盐的室内实验，以筛选出最有效的盐碱地抑盐方法。包括以下步骤：

(1)土柱装置组装

(2)盐碱地现场取样、优质土现场取样；

(3)在土柱装置中填装铺设盐碱土层；

(4)再填装铺设隔盐层；

(5)再填装铺设优质土层；

(6)将土柱主体放置于接液池中。

进一步地，在步骤(1)中，应选择地面平整、基础稳固、采光合理的空间作为实验地点。将接液池5装入少量海水置于合适的地方。将外丝直接6从土柱主体圆管1侧壁的取样口穿出，将内丝直接7从土柱主体圆管1外侧旋接在外丝直接6上，随后将管帽8扣于内丝直接7外侧并压紧。

进一步地，在步骤(2)中，对盐碱地现场及优质土现场取样时采用五点取样法，同时剔除较大石块和生物组织、植物组织等。

进一步地，在步骤(3)中，将采集的盐碱土混合均匀后铺设于土柱底部，铺设厚度为20cm并压紧土壤。

进一步地，在步骤(4)中，根据实验设定，分别加入不同的隔盐层并铺设均匀后压紧。

进一步地，步骤(4)中所包含的隔盐层物质有铁尾矿、秸秆、生物炭。

进一步地，步骤(4)所述铁尾矿粒径不大于1cm，铺设厚度为5cm。

进一步地，步骤(4)所述秸秆为风干粉碎后的小麦秸秆，粉碎后的长度小于5cm。在未压实的情况下，秸秆层铺设厚度为20cm。

进一步地，步骤(4)所述生物炭为市售的小麦秸秆生物炭或在400℃下热解小麦秸秆得到的生物炭。铺设厚度为4-8cm。

进一步地，在步骤(5)中，将优质土混合均匀后均匀铺设于隔盐层上并压紧土层。

进一步地，土柱装置装填完毕后，将土柱置于装有海水的带盖接液池中，并通过取样口取样测定各位置土壤的pH、含盐量、含水率、有机质等数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明中的土柱装置能够模拟盐碱土水盐运移过程、探究盐碱土形成规律，为盐碱土的改良提供有效理论前提。

(2)本发明中的土柱装置避免光照和温差对土壤水盐运移过程的影响，较大程度的还原了土壤环境。

(3)本发明中的土柱装置材料来源广泛，制作过程简单，便于实验室开展大规模实验。

(4)本发明中所涉及的盐碱土隔盐层，由铁尾矿、秸秆、生物炭构成，其中铁尾矿及秸秆属于固体废物，是目前环境领域所要解决的问题之一。因此，本发明在抑制盐碱土返盐的同时，减少了铁尾矿、秸秆的堆存量，实现多种环境效益。

(5)本发明中所涉及的盐碱土隔盐层，包含铁尾矿、秸秆、生物炭三种材料。其中，铁尾矿具有较大的比表面积和孔隙度，能够增加土壤持水能力、减少土壤毛细作用；秸秆在土壤中会自行腐解，腐解过程中会产生大量的有机物质，从而增加土壤营养物质的含量、提高土壤肥力；生物炭具有较好的吸附性能，能够吸附土壤水分中的有毒物质及部分盐分，从而降低土壤中的盐分。

(6)本发明中所涉及的盐碱土隔盐层，能够有效降低土壤盐碱化的速度，达到抑制土壤返盐的效果。

(7)本发明所涉及的盐碱土隔盐层物质，来源广泛、成本低、资源化程度高，且该方法效果好，适用范围广。

附图说明

图1为本发明组合装置示意图。

图2为本发明的土柱装置结构示意图。

图3为本发明的接液池装置结构示意图。

图4为本发明的连通管结构放大图。

图5为本发明实施后土柱内部土壤剖面结构示意图。

附图标记说明：1-土柱圆管；2-连通管；3-小孔；4-接液池盖；5-接液池；6-连通管外丝直接；7-连通管内丝直接；8-管帽；9-盐碱土层；10-隔盐层；11-优质土层。

具体实施方式

为能清楚地说明本发明的技术特点，现结合附图以及具体实施例，对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种用于模拟盐碱土水盐运移过程的装置，主要包括土柱主体1、连通管2、接液池5四部分。

所述土柱主体圆管1为白色PVC材质，底部密封。土柱主体圆管1距底部2cm处打小孔3，孔径4～8mm，数量8～12个；土柱主体圆管1侧壁上根据试验条件设若干取样口，孔径2～4cm，取样口接有连通管2。该土柱主体采用PVC材质，来源广、成本低、无污染、结构稳定，同时具有良好的遮光性，能够最大程度还原土壤的原始环境。

所述连通管包括PVC外丝直接6、PVC内丝直接7以及PVC管帽8。所述外丝直接6和内丝直接7的管径与土柱主体圆管1侧壁开孔直径相同。将外丝直接6从土柱主体圆管内部穿出管外，将内丝直接7旋接到外丝直接6上，后将PVC管帽8紧扣在内丝直接7上。土柱装置安装后结构如图2。该连通管采用PVC材质且属于基本组件，具有来源广、操作简单等优点，同时，该连通管具有不同的规格，可以与土柱形成密封结构。

接液装置如图3所示，将接液池盖4置于接液池5上。所述接液池盖4根据土柱管径进行打孔，置于接液池5上。所述接液池5中装有适量海水，海水高度高于2cm。所述接液池5的高度根据土柱最底部的连通管高度确定。将装有连通管2的土柱穿过接液池盖4的孔后置于装有海水的接液池5中。土柱底部的小孔完全浸于海水中，既能模拟土壤水分作用，又能减少土柱内土壤溶出。

本发明与实验装置相关的实施过程为：

首先，选择地面平整、基础稳固、采光合理的空间作为实验地点。将接液池5装入少量海水置于合适的地方。将外丝直接6从土柱主体圆管1侧壁的取样口穿出，将内丝直接7从土柱主体圆管1外侧旋接在外丝直接6上，随后将管帽8扣于内丝直接7外侧并压紧。

将连通管2和土柱主体1安装完毕，随后进行原土采集及土柱装填工作。

将接液池盖4置于装有海水的接液池5上后，将填装好的土柱置于带盖接液池中。海水进入小孔3后，通过土壤毛细作用进行转移。将各个土柱摆放平稳后，打开管帽8，从各取样口取出少量土壤，测定初始土壤pH、含盐量、含水率、有机质等指标，取样后及时将管帽8扣紧。通过不同时间对土壤各位置的土壤含盐量和含水率的数据对比，分析盐碱土水盐运移过程及盐碱土形成机理。

实施例1

本实施例所用盐碱土取自河北省沧州市海兴县滨海盐碱地，所用优质土取自山东省青岛市即墨市农田。按以下步骤进行盐碱地抑盐实验：

(1)采用五点取样法分别在上述两个地区挖取土壤，剔除较大的石块以及生物组织、植物组织等，运回实验室；

(2)分别将盐碱土、优质土混合均匀；

(3)在图5中9所示的位置均匀铺设20cm厚度的盐碱土层，并将该土层压紧；

(4)在图5中10所示的位置均匀铺设20cm厚度的铁尾矿层作隔盐层，其中铁尾矿粒径不超过1cm；

(5)隔盐层铺设完毕后，将优质土均匀铺设到图5中11所示的位置并将土壤压紧，以保证后期实验过程中土壤的稳定性，铺设厚度为60cm；

(6)土柱装置装填完毕后，置于装有海水的接液池中，海水每日换新；

(7)取土柱各取样口及表层土壤，并测定pH、含盐量、含水率、有机质含量。之后每3个月测定一次土壤的pH、含盐量、有机质含量，共计4次。

实施例2

本实施例所用盐碱土取自河北省沧州市海兴县滨海盐碱地，所用优质土取自山东省青岛市即墨市农田。按以下步骤进行盐碱地抑盐实验：

(1)采用五点取样法分别在上述两个地区挖取土壤，剔除较大的石块以及生物组织、植物组织等，运回实验室；

(2)分别将盐碱土、优质土混合均匀；

(3)在图5中9所示的位置均匀铺设20cm厚度的盐碱土层，并将该土层压紧；

(4)在图5中10所示的位置均匀铺设20cm厚度的秸秆层作隔盐层，其中秸秆为打碎的小麦秸秆，秸秆长度不超过5cm；

(5)隔盐层铺设完毕后，将优质土均匀铺设到图5中11所示的位置并将土壤压紧，以保证后期实验过程中土壤的稳定性，铺设厚度为60cm；

(6)土柱装置装填完毕后，置于装有海水的接液池中，海水每日换新；

(7)取土柱各取样口及表层土壤，并测定pH、含盐量、含水率、有机质含量。之后每3个月测定一次土壤的pH、含盐量、有机质含量，共计4次。

实施例3

本实施例所用盐碱土取自河北省沧州市海兴县滨海盐碱地，所用优质土取自山东省青岛市即墨市农田。按以下步骤进行盐碱地抑盐实验：

(1)采用五点取样法分别在上述两个地区挖取土壤，剔除较大的石块以及生物组织、植物组织等，运回实验室；

(2)分别将盐碱土、优质土混合均匀；

(3)在图5中9所示的位置均匀铺设20cm厚度的盐碱土层，并将该土层压紧；

(4)在图5中10所示的位置均匀铺设20cm厚度的生物炭层作隔盐层，其中生物炭为在实验室400℃热解炉中将小麦秸秆热解后得到的生物炭；

(5)隔盐层铺设完毕后，将优质土均匀铺设到图5中11所示的位置并将土壤压紧，以保证后期实验过程中土壤的稳定性，铺设厚度为60cm；

(6)土柱装置装填完毕后，置于装有海水的接液池中，海水每日换新；

(7)取土柱各取样口及表层土壤，并测定pH、含盐量、含水率、有机质含量。之后每3个月测定一次土壤的pH、含盐量、有机质含量，共计4次。

实施例4

本实施例所用盐碱土取自河北省沧州市海兴县滨海盐碱地，所用优质土取自山东省青岛市即墨市农田。按以下步骤进行盐碱地抑盐实验：

(1)采用五点取样法分别在上述两个地区挖取土壤，剔除较大的石块以及生物组织、植物组织等，运回实验室；

(2)分别将盐碱土、优质土混合均匀；

(3)在图5中9所示的位置均匀铺设20cm厚度的盐碱土层，并将该土层压紧；

(4)在图5中10所示的位置从下到上依次均匀铺设5cm厚度的铁尾矿层、10cm厚度的秸秆层、5cm厚度的生物炭层作隔盐层，其中铁尾矿粒径不超过1cm，秸秆为长度不超过5cm的小麦秸秆碎末，生物炭为在实验室400℃热解炉中将小麦秸秆热解后得到的生物炭；

(5)隔盐层铺设完毕后，将优质土均匀铺设到图5中11所示的位置并将土壤压紧，以保证后期实验过程中土壤的稳定性，铺设厚度为60cm；

(6)土柱装置装填完毕后，置于装有海水的接液池中，海水每日换新；

(7)取土柱各取样口及表层土壤，并测定pH、含盐量、含水率、有机质含量。之后每3个月测定一次土壤的pH、含盐量、有机质含量，共计4次。

对比例

本实施例所用盐碱土取自河北省沧州市海兴县滨海盐碱地，所用优质土取自山东省青岛市即墨市农田。按以下步骤进行实验：

(1)采用五点取样法分别在上述两个地区挖取土壤，剔除较大的石块以及生物组织、植物组织等，运回实验室；

(2)分别将盐碱土、优质土混合均匀；

(3)在图5中9所示的位置均匀铺设20cm厚度的盐碱土层，并将该土层压紧；

(4)盐碱土层铺设完毕后，将优质土均匀铺设到盐碱土层上并将土壤压紧，以保证后期实验过程中土壤的稳定性，铺设厚度为80cm；

(5)土柱装置装填完毕后，置于装有海水的接液池中，海水每日换新；

(6)取土柱各取样口及表层土壤，并测定pH、含盐量、含水率、有机质含量。之后每3个月测定一次土壤的pH、含盐量、有机质含量，共计4次。

表1各位置土壤pH变化情况

表2各位置土壤含盐量(g/kg)变化情况

由表1及表2数据可知，在土壤地下海水的影响下，各组土壤的理化性质均发生了改变。表现在，在实验期间，土壤表层的pH和含盐量均呈上升趋势。但各实施例均比对比例表现出更低的变化速度，因此，此实验实施例所选隔盐层均有较好的抑制土壤返盐的效果。

所选隔盐层中，以实施例4抑盐效果最好，土壤表层盐碱化的速度相较于其他实施例表现为最低速度。因此，通过此实验选出具有最佳抑盐效果的隔盐层为：从下到上依次均匀铺设5cm铁尾矿层、10cm秸秆层、5cm生物炭层。

土壤含水量数据同样体现上述结果，且土壤含水率表现为与土壤含盐量相同的趋势。即随时间变化，各组土壤表层含水率会有所降低，但实施例土壤含水率均比对比例高。

土壤有机质变化不明显，因优质土占土柱体积的60％～80％，且优质土中含有大量的有机质。但在60cm厚度处的有机质数据差别较大，表现为添加秸秆组(实施例2、实施例4)有机质含量有所增加。

综上，利用本发明中的土柱装置，筛选出最佳的盐碱地抑盐方法，即在土壤中铺设隔盐层。其中，4种隔盐层中，以铁尾矿、秸秆、生物炭构成的隔盐层抑盐效果最好，隔盐层由依次均匀铺设的铁尾矿层(5cm厚)、秸秆层(10cm厚)、生物炭层(5cm厚)构成。利用铁尾矿、秸秆、生物炭作隔盐层来抑制土壤返盐是一种可操作性强、效果好、效益高、可大范围推广使用的方法。

本发明专利不局限于上述举例，以上实施例及附图仅用于对本发明的技术方案进行说明，其具体实施方式已结合实施例进行详细说明。本领域的普通技术人员从上述构思出发，在本发明的实质范围内所做出的的改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，均属于本发明的权利要求保护范围。