人造土壤技术讲座( 69 讲 ) → 欢迎下载欣赏(更新时间:2013年4月7日)

2讲:人造土壤技术室内试验

    2001年下半年至2002年上半年,我做了一个“人造土壤技术试验”。该试验是在人工(工厂)条件下,模拟自然界土壤形成的过程,把造土所用的无机和有机原料,在短期内制成具有一定蓄水、蓄热、透气、肥力,达到植物生长所需基本条件的人造土壤。室内植物种植试验表明,用这种人造土壤种植的小麦,生长状况良好,根、茎、叶发育正常,均已秀穗结籽,这标志着试验获得成功,其过程如下所述。
1、采样:2001年下半年,我在辽宁省境内采集21个样品,其中1号样品是海城牛庄的天然土壤,作为整个试验的参照系。21号样品是在盘锦农村捡来的干牛粪,以代表各种有机物。
2-20号样品分别是黑色泥岩(辽河盆地、新生代)、黑色泥岩(本溪彩屯矿、古生代)、深灰色煤矸石(本溪彩屯矿、古生代)、褐色页岩(本溪彩屯矿、古生代)、褐灰色油页岩(抚顺西露天矿、新生代)、灰色粉砂质泥岩(阜新海州露天矿、中生代)、黑灰色煤矸石(阜新海州露天矿、中生代)、灰黄色膨润土(朝阳建平、时代待查)、灰色硅质板岩(鞍山千山、前古生代)、灰色千枚岩(鞍山千山、前古生代)、花岗片麻岩(鞍山千山、前古生代)、花岗岩(医巫闾山、时代待查)、闪长岩(医巫闾山、时代待查)、黑色玄武岩(抚顺西露天矿、新生代)、暗紫色安山岩(庄河桂云花山、中生代)、砖瓦陶瓷碎片(盘锦建筑工地)、粉煤灰(盘锦鹤集路锅炉房)、水泥(盘锦建筑工地)、矿渣(鞍山产、取自辽河油田渤海库),这19个样品用来代表工业、采矿、冶炼、建筑等行业产生的固体废弃物(有害物质除外)。
2-20号样品均属于无机物,追索其源头,都是来自于地壳的岩石圈,这表明人造土壤与自然界的天然土壤是同源的。
2、人造土壤的制作过程:人造土壤的制作过程分三步进行。第一步将19个样品分别捣碎、研磨、筛选制成粉末,我称它们为“造土母质”。这是一项很笨重的工作,所用的工具有铁锤、药碾子、100孔/厘米2金属筛,全是手工操作,用了两个多月才完成。
第二步将牛粪、造土母质(又称无机原料粉)与水按一定比例混合后搅拌均匀,在温度45-55℃的条件下进行厌氧发酵,使有机物分解成能被植物吸收的养分,我把它称为“造土堆肥”。我的具体做法是把黑色泥岩粉末(2号样品)和花岗岩粉末(13号样品)与牛粪和水充分搅拌后倒入一个大塑料桶中,用力压实排出空气,然后再倒扣一个同样的塑料桶作盖,两个对接的塑料桶口用密封条封好,使之与外界空气隔绝,保持厌氧环境。塑料桶周围再用电褥子包裹起来,持续通电使之保持相对稳定的温度。温度测量表明,在塑料桶的中心温度可以达到55℃,而桶的边部温度大约低10℃。这一步共用100天,对发酵过程中产生的气体,先后两次取样做点燃试验。第一次产生蓝色火焰,表明含有大量的甲烷气;第二次未出现可燃性气体火焰,表明有机物的分解高峰阶段已经过去。
第三步把造土母质和造土堆肥按一定比例均匀混合便配制成人造土壤。在这些人造土壤中,含有一种造土母质者称为一元人造土壤,含有三种造土母质则称为三元人造土壤,余此类推。在该试验中,我共配制了21个人造土壤样品,其中一元人造土壤19个,三元人造土壤1个,十一元人造土壤1个。
3、室内植物种植试验:将1号海城牛庄褐黄色天然土壤和21个人造土壤样品分别装入22个花盆中,在自家的阳台上做此试验。种植的作物有小麦、水稻、小白菜、菠菜、花、草、小根蒜,还栽有槐、柳、榆的幼苗,其中小麦种植是这次试验的重点。
2002年4月16日,在1号天然土壤和2-20号一元人造土壤盆中均播下200粒小麦种子。3天后发现5、7、8、10、15号人造土壤盆内首先发芽,其中8号黑灰色煤矸石人造土壤竟有10棵幼苗。第4天1号天然土壤盆内发现幼苗出土,早晨是3棵,到晚上增至22棵,而此时8号人造土壤的小苗数已达到73棵。到第5天,出苗最晚的19号水泥人造土壤和20号矿渣人造土壤盆中也发现了幼苗。4月23日,即播种后第8天,3号黑色泥岩人造土壤的小苗数最多,为192棵,发芽率高达96% ,1号天然土壤为188棵,发芽率达94%,最少的是19号水泥人造土壤仅73棵幼苗,发芽率为36%。到4月28日,19号的幼苗增至127棵,发芽率提高到63%,20号矿渣人造土壤幼苗数达到133棵,其发芽率为66%,排在倒数第2位。
2002年5月5日进行植株高度测量 ,即测量从土壤表面到达小麦叶梢的长度。13号花岗岩人造土壤生长的小麦最长是38厘米,1号天然土壤的小麦为36厘米,最短的是19号水泥人造土壤生长的小麦,长度为24厘米,20号为26厘米,也排在倒数第2位。
2002年6月25日,4号深灰色煤矸石人造土壤盆中发现第1个麦穗,以后也相继见到其它盆内结出麦穗。至此,可以认为对人造土壤所进行的室内植物种植试验获得成功。当试验结束时,对小麦根系发育状况进行观察,除19号、20号根系发育较差外,其它的人造土壤盆内小麦根系发育情况与天然土壤没有什么差别﹙见图一-二、表一-六和照片1-11﹚。对于19号和20号发芽率低,初期植株矮小枯黄,还有幼苗枯死现象,这表明植物生长条件恶劣,后来由于及时浇水,根系发育才逐渐变好,植株生长状况明显好转。

4、结论:室内人造土壤试验(又称小试)获得成功,这是无可置疑的事实,它符合科学实验的基本规则,它经得起重复试验的检验。该试验清楚地表明土地资源已经不再是有限的了,是可以在工厂条件下大规模高速度制造的,它把自然界土壤形成所需的时间,从数十万年至数百万年缩短到数年甚至数月,而人造土壤的矿物成分和化学元素与天然土壤没有什么差别。这种人造土壤主要用于人造耕地,以增加我国的土地资源和加强农业基础建设,从而改变了“土地资源是有限的”传统观念,使我国农业的可持续发展有了更坚实的基础。
 
 

人造耕地设计一览表                                                                         表一


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                                                          表二


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                                                                 表三


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                                                              表四


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                                                              表五


3号样品重量﹙㎏﹚

9号样品重量﹙㎏﹚

13号样品重量﹙㎏﹚

造土堆肥重量﹙㎏﹚

5.30

0.40

2.00

4.70

 

十一元人造土壤配方表                                                             表六


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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