一种离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法
【专利摘要】本发明提供了一种离子型稀土矿尾砂地改良剂，以及一种利用所述改良剂改良稀土矿尾砂地并通过种植杂交狼尾草或红麻达到植被复垦目的的方法。所述改良剂是畜禽粪肥或污泥和锯末或秸秆生物炭等有机废弃物。所述方法有效改善了离子型稀土矿尾砂地土壤粘粒含量低、大于5mm砂粒含量高、容重大等物理结构差造成的土壤保水保肥能力弱、有机质含量极低和养分匮乏等植被复垦障碍因子，实现了离子型稀土矿尾砂地的植被复垦，且改良效果持久、土壤保水保肥能力强，植被生长良好。上述方法不仅仅能够改良尾砂地土壤，治理污染、保护生态环境，同时，利用常见有机废弃物作为改良剂，实现了废弃物循环利用，种植狼尾草或红麻，兼具很大的经济价值。
【专利说明】一种离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于稀土矿尾砂地治理修复领域。更具体地，涉及一种离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法。
【背景技术】
[0002]离子型稀土矿是我国重要的战略资源，主要分布在南方的江西、广东、福建、湖南和广西，其中以江西省赣州市开采时间最早、开采量最多，也为当地经济发展做出了巨大贡献。但长期以来，离子型稀土矿开采特别是早期多采用堆浸工艺开采:即富含稀土的矿砂从位于表土下层的风化层和半风化层搬运至堆浸场，用硫酸铵反复浸取，得到稀土母液的同时，遗留了大面积的稀土尾砂地。据江西省赣州市矿产局统计，截止2011年，赣州全市尚未治理的矿区面积101.43平方公里。这些尾砂不仅占用大量土地资源，还破坏矿区及其周边正常植被，产生严重的水土流失，导致当地河流堵塞、农田被淹、水库淤积；尾砂地残留的硫酸铵易随水土流失进入当地水体，造成水体氮素和硫酸根污染；此外，稀土矿区土壤环境中稀土金属含量均比较高，矿区周边水体中稀土含量高于一般淡水的百倍。稀土尾砂地给当地的生态环境以及当地居民的身心健康带来严重的威胁。因此，尾砂地生态修复已刻不容缓。[0003]遗憾的是，自上世纪70年代离子型稀土矿开采以来，离子型稀土矿尾砂地的危害及其治理一直得不到重视，以致矿区遗留的尾砂地越来越多。近两年，随着人民环保意识的提高，在国家政策和法律的支持下，政府和相关企业也开始投入大量资金对尾砂地进行整治。但是由于一方面对离子型稀土矿尾砂地的植被复垦障碍因子分析不足，另一方面对尾砂地改良技术研究不足，复垦植物选择不佳，改良目的不明确，很多治理点不经土壤改良直接种植玉米、杉木、马尾松，甚至桉树，复垦效果很不理想。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有离子型稀土矿尾砂地修复治理的缺陷和技术不足，通过探索离子型稀土矿尾砂地植被复垦的障碍因子，提供一种改良效果好且持久、土壤保水保肥能力强、生态环保，同时兼具经济价值的离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法。
[0005]本发明的目的是提供一种离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法。
[0006]本发明上述目的通过以下技术方案实现:
本发明提供了一种稀土矿尾砂地改良剂，包括速效有机肥和缓效有机肥，速效有机肥与缓效有机肥的重量比为I~10:1 ;所述速效有机肥为畜禽粪肥或污泥，缓效有机肥为锯末或秸杆生物炭等营养元素含量低、稳定态碳含量高的有机废弃物。
[0007]所述畜禽粪肥是畜禽粪便经高温发酵、烘干、除臭所得。市购的粪肥产品均可。所述污泥为各种符合国家标准GB4284-84的自然界污泥、生活污泥或市政污泥。
[0008]优选地，所述速效有机肥为鸡肥、猪肥或牛肥中的一种或几种，速效有机肥与缓效有机肥的重量比为2.5~5:1。
[0009]更优选地，所述速效有机肥为鸡肥，缓效有机肥为锯末或红麻生物炭；速效有机肥与缓效有机肥的重量比为2.5:1。
[0010]本发明还提供上述稀土矿尾砂地改良剂在稀土矿尾砂地改良中的应用。
[0011]另外，本发明还提供了一种稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法，即先使用上述稀土矿尾砂地改良剂处理稀土矿尾砂地，再种植杂交狼尾草或红麻，具体步骤如下:
51.将上述稀土矿尾砂 地改良剂与稀土矿尾砂地土壤混匀，得混合稀土矿尾砂地土
壤；
52.隔天浇水，平衡IOd~30d;
53.杂交狼尾草或红麻种子均匀播种于混合稀土矿尾砂地土壤；
54.隔天浇水培养。
[0012]其中，SI所述稀土矿尾砂地改良剂占稀土矿尾砂地土壤总质量的I~3.5%。
[0013]优选地，SI所述稀土矿尾砂地改良剂占稀土矿尾砂地土壤总质量的3.5%。
[0014]同时，S3所述杂交狼尾草或红麻种子需先经10%的过氧化氢溶液消毒10~20min,纯水洗净，经过催芽后，挑选发芽状况良好的种子，再均匀播种于混合稀土矿尾砂地土壤，并覆上一层I~3_的混合矿尾砂地土壤。
[0015]更优选地，S2所述平衡15d ;S3所述消毒15min ；S3所述覆上一层2mm的SI混匀的有机废弃物矿尾砂地土壤。
[0016]所述秸杆生物炭为秸杆粉碎后过10目筛，于550°C下烧制而成。秸杆如红麻杆、玉米杆、水稻杆等。
[0017]优选地，所述矿尾砂地为离子型稀土矿尾砂地。
[0018]另外，将上述稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法应用于矿尾砂地治理修复也在本发明的保护范围之内。
[0019]本发明选择江西省赣州市定南县离子型稀土矿尾砂地为调查对象，通过土壤理化性质分析，并与周边未开采正常植被区对比，在大量野外调查的基础上，分析发现，不同废弃时间(3~10年)的离子型稀土矿尾砂地土壤理化性质并没有随着时间的推移有明显改善，其植被复垦的障碍因子主要有:尾砂地土壤粘粒含量低(〈10%)，土壤大于5mm砂粒含量高(20%~40%), 土壤容重大,土壤物理结构极差；有机质匮乏(〈1.5 g.kg-1);并且尾砂地土壤养分贫乏(碱解氮低于8.0 mg* kg_S有效磷低于0.82 mg.kg'速效钾低于22.78mg.kg-1)。
[0020]另外，大量研究显示，不同类型的尾砂地所存在的改良和植被复垦的障碍因子不尽相同，甚至相差非常大。如铜矿、锡矿等重金属矿尾砂地土壤中最主要的植被复垦障碍因子是含有大量的这些重金属，对植被产生胁迫和毒害作用。针对不同的矿尾砂地，修复改良的方法和思路，以及所使用的改良物质和植被作物等等，都是非常关键的影响改良和植被复垦效果的因素，且这些因素之间是会发生协同或抑制作用的，因此目前对矿尾砂地的改良技术仍然十分不成熟，效果不甚理想，不同类型矿尾砂地的改良技术研究仍是一项重要且艰巨的任务。
[0021]本发明针对离子型稀土矿尾砂地，为了克服上述稀土矿尾砂地植被复垦存在的问题，通过鸡肥、城市污泥、锯末和秸杆生物炭四种有机废弃物组合配比进行改良实验，发现了四种有机废弃物中锯末、城市污泥和鸡肥都能显著增加杂交狼尾草生物量，其中以城市污泥和鸡肥效果最好，其生物量分别是对照处理的10.2倍和13.4倍。四种改良处理中，锯末和稻草增加土壤有机质最多，达16.76g/kg和12.78g/kg,远高于城市污泥和鸡肥处理的
8.43g/kg和4.83g/kg，但相对锯末和稻草，城市污泥和鸡肥处理大量提高了土壤碱解氮、有效磷和有效态钾钙钠镁等土壤有效态营养元素含量。2.5%鸡肥配比1%红麻生物炭或1%锯末处理都显著增加了红麻生物量，且相对单独的2.5%和5%鸡肥处理，2.5%的鸡肥配比1%红麻生物碳或锯末处理明显提高了尾砂地土壤有机质含量；同时相对于5%的鸡肥及鸡肥配红麻生物碳或锯末处理，2.5%的鸡肥配比1%的红麻生物碳或者锯末处理还降低了土壤电导值。
[0022]综上所述，考虑到改良的长效性，以及改良前后的环境风险，2.5%的鸡肥配比1%的红麻生物碳或者锯末是最佳的改良处理，尤其是2.5%的鸡肥配比1%的红麻生物碳。[0023]使用的红麻生物炭具有营养元素含量低、碳含量比较高、不易分解、质量轻、比表面积大的特点，生物碳运用到土壤中，不仅可以显著提高土壤阳离子交换量，而且能促进作物对营养元素的吸收，从而提高了土壤肥力并增加作物产量。同时生物炭可以吸附土壤中的营养元素，减少铵氮等营养元素的淋失。而锯末则同样营养元素含量低、碳氮比高、较难分解，当它们与碳氮比较低的有机肥如鸡肥、猪粪等配施使用时，可以显著增加植物产量。C/N比高的有机肥可以对氮素等营养物质进行固定，从而减少营养元素的流失，因此鸡肥配比红麻生物炭或锯末，可以大大减少氮素的损失，具有保氮的作用，且红麻生物炭或锯末分解速度慢，保证了改良效果的持久性。
[0024]本发明所述离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法中所使用到的各有机废弃物和种子等均无需特殊限定，任何渠道获得均可实现。所用改良剂的产生量都极大，来源极其广泛，成本低廉，还同时解决了它们产生的环境问题。
[0025]同时，本发明通过优化选择，选择种植狼尾草或红麻，不仅能够起到固着沙土、保水保肥的作用，根系也可以降低土壤容重，根系分泌的有机酸类还能够促进矿质营养元素磷钾等的溶解、促进微生物繁殖、促进土壤团聚体的形成等；而且收割后残留的狼尾草或红麻根系也是一种有机物，可以分解成营养物质进行循环改良尾砂地土壤。另外，种植狼尾草或红麻还兼具一定的经济价值。杂交狼尾草應americanumXP.Purpureum)?.无本科狼尾草属植物，多年生草本，狼尾草生性强健，萌发力强，容易栽培，对水肥要求不高，少有病虫害，一般产鲜草15万kg/公顷。其全草、根或根茎均可药用，其中，全草可清热、凉血、止血；根或根茎清热解毒。且鲜草粗蛋白质含量高，氨基酸含量比较平衡，是喂养禽畜和鱼类的优质饲料。此外，它还是一种极具潜力的能源植物和观赏植物，也是编织或造纸的原料。红麻，正名大麻槿cannabinus),锦葵科木槿族植物,一年生草本韧皮纤维作物。红麻纤维银白色，有光泽，吸湿散水快，适宜织麻袋、麻布、麻地毯以及制绳索，是优质的天然纤维素，也是重要的轻纺工业原料，纯麻类产品具有较高的摩擦系数和弹性模量、高吸湿性、高吸油性、耐热性以及自行降解性等，麻袋、麻绳是红麻的传统用途。在农田基本建设、环境工程、水利设施、道路施工等方面，各种土工布的应用日趋广泛。织成蜂窝状的麻类产品具有极好的吸附性能，敷设于坡地后，既可蓄留水分，又保持土壤不被风雨侵蚀。置作物种子肥料于蜂窝，会很快发芽，形成植被。即使麻纤维年久腐烂，植被既成，百年无患。现代家庭，无论室内装饰，还是屋顶绿化，都可使用红麻产品。红麻墙布天然质朴，还有呼吸作用，可调节湿度，吸收不良气体，让你享受健康的实惠，黄、红麻织物用于屋顶绿化，可使保温、包暖的复杂工程变得易如反掌。红麻还可作为复合材料的增强纤维。黄、红麻的强度，特别是弹性模量很高，因此适宜作补强材料。在有些场合，甚至可代替价格昂贵的碳纤维。日本已有汽车制造厂用红麻加某种树指制做高级轿车的车门背板，质轻、强韧而抗冲击性能优越。因此，本发明先经过改良处理再种植狼尾草或红麻的方法，不仅能够协同发挥更好地修复稀土矿尾砂土壤的作用，改善生态环境，还具有巨大的经济价值。
[0026]本发明具有以下有益效果:
本发明提供了一种离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法。所述方法以鸡肥等畜禽粪肥或污泥和锯末或秸杆生物炭等有机废弃物作为改良剂，并通过种植杂交狼尾草或红麻达到植被复垦的目的。本发明所述方法有效解决了离子型稀土矿尾砂地土壤粘粒含量低、大于5_砂粒含量高、容重大等物理结构差造成的土壤保水保肥能力弱、有机质含量极低和养分匮乏等植被复垦障碍因子，采用鸡肥配施锯末或红麻生物炭，一方面提供快速可用的有机质和营养，另一方面锯末和红麻生物炭的难分解性，使改良效果具有很好的持久性，并降低易降雨对营养元素的流失，从而增加土壤保水保肥能力；实现了离子型稀土矿尾砂地的植被复垦，且改良效果持久、土壤保水保肥能力强。
[0027]上述方法不仅仅能够改良尾砂地土壤，治理污染、保护生态环境，同时，利用常见有机废弃物作为改良剂，这些材料产生量都极大，来源极其广泛，成本低廉，实现了废弃物循环利用，还同时解决了它们产生的环境问题。
[0028]同时种植狼尾草或红麻进行植被复垦，不仅能够起到固着沙土、保水保肥的作用，根系也可以降低土壤容重，根系分泌的有机酸类还能够促进矿质营养元素磷钾等的溶解、促进微生物繁殖、促 进土壤团聚体的形成等；而且收割后残留的狼尾草或红麻根系也是一种有机物，可以分解成营养物质进行循环改良尾砂地土壤，实现改良剂处理和植被种植的协同作用，使得稀土矿尾砂地的改良效果大大增强。另外，种植狼尾草或红麻还兼具很大的经济价值，值得大力推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为离子型稀土矿尾砂地土壤主要理化性质分析；注:Y1、Y3、Υ6和YlO分别表示废弃时间为1、3、6、10年的尾砂地，C表示尾砂地周边正常植被区。
[0030]图2为四种有机废弃物处理对土壤交换营养元素的影响；注:C_1、C-2、OFl、0F2、0F3、0F4分别是100%尾砂、NPK肥、稻草、锯末、污泥和鸡肥处理，下同。
[0031]图3为四种有机废弃物处理对土壤有机质含量的影响。
[0032]图4为鸡肥及鸡肥配比红麻生物炭或锯末处理前后土壤田间最大持水量的影响；注:κ-1和Κ-2分别为100%尾砂土和NPK肥处理，HU Η2、Η3和Η4分别为鸡肥、鸡肥配比
0.5%麻杆生物炭、1%麻杆生物炭、1%锯末处理，-2.5和-5为2.5%和5%鸡肥处理，如Η2-2.5表示2.5%的鸡肥配比0.5%麻杆生物炭，下同。
[0033]图5为鸡肥及鸡肥配比红麻生物炭或锯末处理对红麻生长的影响。
[0034]图6为鸡肥及鸡肥配比红麻生物炭或锯末对土壤有效态营养元素的影响。
[0035]图7为鸡肥及鸡肥配比红麻生物炭或锯末对土壤有机质的影响。
[0036]图8为鸡肥及鸡肥配比红麻生物炭或锯末对土壤电导值的影响。【具体实施方式】
[0037]以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本【技术领域】常规试剂、方法和设备。
[0038]除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
[0039]以下实施例所用:
城市污泥采自广州市猎德污水处理厂(符合国家标准GB4284-84)，风干即可；鸡肥购于广州市花卉苗木基地；锯末来自木材加工厂；稻草采自华南农业大学。
[0040]红麻生物炭为红麻秸杆粉碎后过10目筛，于550°C下烧制而成。红麻秸杆来自韶
关大宝山重金属修复基地。
[0041]供试土壤采集于江西省赣州市定南县南丰村某废弃6年左右的尾砂地，为当地典型的离子型稀土矿尾砂 地废弃地。土壤风干后，过5_筛。
[0042]杂交狼尾草种子为市购。红麻种子来自韶关大宝山重金属修复基地。
[0043]以上均只是对本实施方式所用材料的来源进行说明，并不对本发明进行任何限制。本发明所述离子型稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法中所使用到的各有机废弃物和种子等均无需特殊限定，任何渠道获得均可实现。
[0044]实施例1离子型稀土尾砂地土壤理化性质分析
本发明选择江西省赣州市定南县不同废弃时间(广10年)的离子型稀土矿尾砂地为调查对象，通过土壤理化性质分析，并与周边未开采正常植被区对比，分析离子型稀土矿尾砂地植被复垦的障碍因子。
[0045]离子型稀土矿尾砂地土壤主要理化性质如附图1所示，从图1 (a)、(b)和(C)可以看出，在废弃10年内，尾砂地土壤粘粒含量低于10 %(6.00 %~9.66 %)，远低于周边正常植被区土壤粘粒含量(24.10 %~50.48 %);尾砂地土壤容重(1.25~1.43 g.cm—3)则显著高于周边正常植被区(0.9^1.16 g ^nT3)，且废弃6年的尾砂地其土壤容重最大；尾砂地土壤有机质含量(0.5"!.5 g Ag4)也远低于周边正常植被区(7.4~16.8 g.kg-1)? 土壤物理结构极差和土壤有机质含量极低是尾砂地植被复垦的最主要障碍因子。
[0046]从图1 (d)可以看出，废弃:TlO年的尾砂地土壤电导值低于20 Ps.cnT1，明显低于废弃I年的尾砂地土壤电导值，也低于对照区土壤；从图1 (e)和(f)可知，废弃I年的尾砂地土壤铵态氮和碱解氮含量高达400 mg.kg—1和500 mg.kg_S远高于对照去土壤,而废弃:TlO年的尾砂地土壤含量则为痕量。尾砂地恶劣的物理结构和极低的有机质含量，加之定南地区降雨量大且集中，导致尾砂地水土流失严重，尾砂移动性强。不仅土壤的一些可溶性营养物质不断流失，土壤铵根离子也随水土大量流失，并在废弃3年后降到极低。因而，尾砂地废弃3年后，严重的水土流失导致的尾砂地氮素及营养元素流失，以及水土流失导致的植物难以定居也可能是植被复垦的主要障碍因子。
[0047]实施例2四种有机废弃物对尾砂地土壤改良室内实验
1、供试土壤和改良剂理化性质如表1所示。
[0048]表1供试土壤和改良剂理化性质
【权利要求】
1.一种稀土矿尾砂地改良剂，其特征在于，包括速效有机肥和缓效有机肥，速效有机肥与缓效有机肥的重量比为I~10:1 ;所述速效有机肥为畜禽粪肥或污泥，缓效有机肥为锯末或秸杆生物炭。
2.根据权利要求1所述稀土矿尾砂地改良剂，其特征在于，所述速效有机肥为鸡肥、猪肥或牛肥中的一种或几种，速效有机肥与缓效有机肥的重量比为2.5~5:1。
3.根据权利要求2所述稀土矿尾砂地改良剂，其特征在于，所述速效有机肥为鸡肥，缓效有机肥为锯末或红麻生物炭；速效有机肥与缓效有机肥的重量比为2.5:1。
4.权利要求1~3任一项所述稀土矿尾砂地改良剂在稀土矿尾砂地改良中的应用。
5.一种稀土矿尾砂地改良及植被复垦的方法，其特征在于，先使用权利要求1~3任一项所述稀土矿尾砂地改 良剂处理稀土矿尾砂地，再种植杂交狼尾草或红麻，具体步骤如下: 51.将权利要求1~3任一项所述稀土矿尾砂地改良剂与稀土矿尾砂地土壤混匀，得混合稀土矿尾砂地土壤； 52.隔天浇水，平衡IOd~30d; 53.杂交狼尾草或红麻种子均匀播种于混合稀土矿尾砂地土壤； 54.隔天浇水培养。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，SI所述稀土矿尾砂地改良剂占稀土矿尾砂地土壤总质量的1~3.5%。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，SI所述稀土矿尾砂地改良剂占稀土矿尾砂地土壤总质量的3.5%。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，S3所述杂交狼尾草或红麻种子先经10%的过氧化氢溶液消毒10~20min，纯水洗净，经过催芽后，挑选发芽状况良好的种子，再均匀播种于混合稀土矿尾砂地土壤，并覆上一层1~3_的混合矿尾砂地土壤。
【文档编号】A01B79/02GK103947326SQ201410197494
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】汤叶涛, 刘文深, 仇荣亮, 刘畅, 王志威, 滕文凯, 王诗忠 申请人:中山大学