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一 种 人 造 土 壤 技 术
专利申请受理通知书
申请号:02109752.6
申请日:2002年5月17日
申请人:李鹏飞
发明名称:一种人造土壤技术
说明书摘要
本发明涉及一种用于农业、种植业的人工土壤制造技术。该技术乃是利用岩石、工矿及建筑业产生的固体废弃物、各种有机物为原料,经过分选、粉碎、研磨并按一定比例混合后发酵制成造土堆肥,然后将造土堆肥与无机原料粉﹙即造土母质﹚按一定比例混合制成具有一定蓄水、蓄热、透气、肥力,达到植物生长所需基本条件的人造土壤。该技术易于实施,且可工业化大规模生产,利用它可以将发展农业经济与治理工矿废弃物、江河湖海污染、处理城市生活垃圾和环境保护结合、协调起来,形成良性循环,尤其对贫瘠山区、沙化地区、海岛等土壤缺乏地区的开发更具重要意义,宜于推广应用

名称:一种人造土壤技术
所属项目名称:
归属:发明人
发明人﹙设计人﹚:李鹏飞
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技术来源:
一、发明或实用新型所属的技术领域
    本发明是关于一种能够满足作物生长所需条件的人造土壤。
本发明简称是人造土壤。
二、背景技术﹙也称现有技术﹚
    在自然界,从坚硬的岩石变成可以生长植物的土壤是一个漫长而
复杂的过程,要经历数十万年甚至数百万年,由此可见,土地资源几乎是不可再生的。由于本发明者所能查阅的资料有限,还不能回答是否有人曾提出过人造土壤的问题,所以暂称本发明为首创。与本发明近似的是无土栽培技术,特别是由我国首创的有机生态型无土栽培技术,该法用有机肥代替营养液,基质除了蛭石、珍珠岩、岩棉、火山岩、炉渣、陶粒外,还有稻壳、锯末、蔗渣等有机物,这一点与本发明相类似。但是,二者必定属于不同的领域,有机生态型无土栽培法中的基质每3年更换一次,而造土母质则是人造土壤的主体,是最重要的组成部分,永不更换,随作物生长而成熟。
三、发明或实用新型的目的
    本发明的目的是探索一种途径,通过工业化的生产方式,高速度大规模地制造土壤,变生产生活废弃物为有用资源,使土地资源变成一种可再生的资源,从而实现人类活动,生物界和自然界的和谐统一,从源头上解决环境保护问题。
    四、发明或实用新型的技术方案
在自然界,任何类型的土壤都是由岩石变成的。首先,组成地壳的岩石经过物理、化学及生物风化后,发生破碎分解变成成土母质,这种成土母质中的营养元素是分散的容易随水流失,植物最需要的氮却一点也没有。第二步,在成土母质中出现了自生细菌,它不需有机物作养料,只要有了水分、空气、矿质养分及一定的温度条件便能生存繁殖。第三步,地衣、苔藓类低等植物开始生长,随着生物的积累作用越来越大,成土母质中的有机物数量不断增加,最后高等植物逐渐取代了低等植物,通过强大的根系把分散的可溶性养分集中起来,等到这些生物死亡之后,它们的残体经过微生物的分解作用,一部分成为后来植物所需的养分,另一部分变成了腐殖质。腐殖质在成土母质形成肥力方面起重要作用,一方面它能够把养分保蓄起来,另一方面可以改变成土母质的物理性质,使其变得有结构,以致具备了肥力特征。至此,成土母质变成了土壤,实现了由岩石到土壤的演变。
    人造土壤的基本原理与自然界土壤形成的机理基本相同,差异之处在于人造土壤形成的时间和过程大大地缩短了。人造土壤的基本原料有三大类。第一类是自然界各种不同类型的岩石,包括沉积岩、变质岩和火山岩,其中以黑色泥岩、黑色页岩、粘土、板岩、千枚岩、花岗岩、玄武岩、安山岩及火山灰为最佳,但不包括某些化学沉积岩,如盐岩、石膏、石灰岩。第二类是工矿建筑业中产生的固体废弃物,包括废石、尾矿、废渣、煤矸石、粉煤灰、砖瓦、陶瓷、水泥构件、砂石、废塑料,但不包括某些有害物质,如残留农药器皿、有毒化合物、重金属含量超标废弃物及含放射性废渣。第三类是各种有机物,包括秸杆、瓜果皮核、蔬菜、杂草、动物残体、藻类、人畜粪便、生活垃圾、肉类、纤维、废布、皮革、废木、河湖淤泥、下水道及废水处理厂污泥、泥炭、褐煤,但不包括有害化学药剂、含汞、苯及重金属含量超标的有机物。人造土壤的工艺过程分为五个步骤﹙见图一﹚。第一步,将收集到的原料进行分类与细分类。第二步,将分类后的原料按一定的设计要求进行粉碎与研磨并分门别类加以储存。第三步,将有机原料﹙固态有机物要进行粉碎﹚与无机原料粉末按一定比例混合后送入中高温厌氧发酵车间进行充分发酵,制成造土堆肥。第四步,将造土堆肥与无机原料粉﹙即造土母质﹚按一定比例混合便制成了人造土壤,这种人造土壤具有一定的蓄水、透气、肥力和蓄热特征,达到了植物生长所需的基本条件。第五步,对人造土壤做全面的测定和评价,按照绿色食品基地使用的土壤标准,进行作物种植实验,合格后方可出厂销售。
五、发明或实用新型的优点及积极效果
    应用本法得到的产品是人造土壤,这种土壤的品质及性质不逊于天然土壤。由于是工业化大规模地生产,这对于地少人多的我国,尤其具有重大意义。人造土壤的用途极其广泛,如人造耕地﹙见图二、表一﹚、改良土地、改良草场、绿化荒山、城市绿化、治理沙化等。如果在我国这项技术得以广泛应用,从宏观上讲,人们可以把发展经济、治理工矿建筑业中废弃物、处理城市生活垃圾、治理江河湖海污染与发展有机农业有机的结合起来,协调起来,统一起来,形成一个真正意义上的良性循环,从而实现了对自然环境的自然而然的保护。
六、实施例
    为了验证本发明的可行性,曾做过小型的人造土壤作物种植试验。该试验共取21个样品﹙见表二﹚,分别代表岩石、工矿建筑业中产生的固体废弃物和有机物,这些样品相当于人造土壤的原料。第一步,将2-20号样品破碎研磨,并用100孔∕厘米2的金属筛进行筛选,使其粉末的粒度相当于自然界棕壤的范围。第二步,用2、13、21号样品按比例混合﹙见表三﹚,然后将这些混合物在45-55℃温度条件下,经过100天的厌氧发酵,制成造土堆肥。第三步,将造土堆肥与2-20号样品按一定比例混合,便制成一元、三元和十一元人造土壤﹙见表四、五、六﹚。第四步,作物种植试验,试验的作物有小麦、水稻、小白菜、菠菜、花、草、小根蒜、槐、柳、榆,均获得成功。其中小麦种植结果﹙见照片1-11﹚表明,2-18号样品的发芽率均在95%以上,而作物的长势与根系发育情况与1号样品﹙现代土壤﹚几乎没有差别。至于19、20号样品,发芽率约为80%,初期植株矮小枯黄,还有幼苗枯死现象,表明生长条件恶劣,如果不与其他原料混合,则不适合植物生长,但后期,由于浇水适时,根系发育变好,植株生长状况明显好转。试验还表明多元的人造土壤比单元的人造土壤好,更适合作物生长发育,这是因为人造土壤的元数越多,其成分越接近天然土壤,而pH值及矿化度等因素更加适合植物生长的需要
七、有关的附图及说明




人造耕地设计一览表

工程模式

A型

B型

C型

D型

E型

适合条件

雨水过剩区

雨水充沛区

半干旱区

干旱区

特干旱区

工程功能

地面排水

不需蓄水

蓄水约半

蓄水为主

全靠蓄水

挖石量﹙每6m2﹚﹙m3﹚

4.50

5.28

7.25

7.25

9.50

砌石量﹙每6m2﹚﹙m3﹚

4.50

5.00

6.00

6.00

8.00

蓄水量
﹙m3﹚

﹙每6m2﹚

0

0

3.50

3.50

6.25

﹙每亩﹚

0

0

389

389

695

一次蓄水视同年降水﹙mm﹚

0

0

583

583

1041

 

填充体积﹡
﹙每6m2﹚
﹙m3﹚

总量

10.50

10.75

12.50

12.50

15.00

A

6.00

6.00

6.00

6.00

6.00

B

0

1.25

2.50

2.50

2.50

C

4.50

3.50

4.00

4.00

6.50

D

0

0

2.75

2.75

5.50

 

墙高﹙m﹚

总高

5.00

7.00

7.50

7.50

8.00

石壁

2.00

2.00

2.00

1.50

砌石

5.00

5.00

5.50

5.50

6.50

注:﹙图二、表一中的﹚﹡—A代表人造土壤、B代表砂砾石、C代表岩石粉末或其他埋藏物、D代表地下空间供蓄水用、E代表山体、F代表隔水层

人造土壤试验采样清单表

样品编号

名称

时代

采样地点

1

褐黄色土壤

现代

海城牛庄

2

黑色泥岩

新生代

辽河盆地

3

黑色泥岩

古生代

本溪彩屯矿

4

深灰色煤矸石

古生代

本溪彩屯矿

5

褐色页岩

古生代

本溪彩屯矿

6

褐灰色油页岩

新生代

抚顺西露天矿

7

灰色粉砂质泥岩

中生代

阜新海州露天矿

8

黑灰色煤矸石

中生代

阜新海州露天矿

9

灰黄色膨润土

朝阳建平

10

灰色硅质板岩

前古生代

鞍山千山

11

灰色千枚岩

前古生代

鞍山千山

12

花岗片麻岩

前古生代

鞍山千山

13

花岗片

医巫闾山

14

闪长岩

医巫闾山

15

黑色玄武岩

新生代

抚顺西露天矿

16

暗紫色安山岩

中生代

庄河桂云花山

17

砖瓦陶瓷碎片

 

盘锦辽河油田

18

粉煤灰

 

盘锦

19

水泥

 

盘锦

20

矿渣

 

鞍山

21

干牛粪

 

盘锦


造土堆肥配方表

配料名称

重量﹙㎏﹚

2号样品黑色泥岩

16.16

13号样品花岗岩

4.46

21号样品干牛粪

9.80

温水

14.85



一元人造土壤配方表

样品编号

名称

自身重量﹙㎏﹚

造土堆肥重量﹙㎏﹚

2

黑色泥岩﹙辽﹚

2.00

1.25

3

黑色泥岩﹙本﹚

2.00

1.25

4

深灰色煤矸石

2.00

1.25

5

褐色页岩

2.00

1.25

6

褐灰色油页岩

2.00

1.25

7

灰色粉砂质泥岩

2.00

1.25

8

黑灰色煤矸石

2.00

1.25

9

灰黄色膨润土

2.00

2.00

10

灰色硅质板岩

2.00

1.25

11

灰色千枚岩

2.00

1.25

12

花岗片麻岩

2.00

1.25

13

花岗片

2.00

1.25

14

闪长岩

2.00

1.25

15

黑色玄武岩

2.00

1.25

16

暗紫色安山岩

2.00

1.25

17

砖瓦陶瓷碎片

2.00

1.25

18

粉煤灰

2.00

1.25

19

水泥

2.00

1.25

20

矿渣

2.00

1.25


三元人造土壤配方表

组      分      重      量﹙㎏﹚

样      品      编      号

造土堆肥

2

3

5

6

7

9

11

12

13

16

18

1.00

2.00

1.00

0.40

0.50

1.20

1.00

1.30

1.20

1.00

1.20

8.00




 

 
 
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