沙漠土改造剂及治理沙漠的方法 【发明领域】
本发明涉及一种沙漠土改造剂及利用该沙漠土改造剂治理沙漠的方法。
背景技术
到1999年底，全国沙漠化面积已扩展到174.3万平方公里，折合26亿亩，占国土面积的18.2％，而且还在不断加快扩展。20世纪70年代，全国沙漠化面积每年扩展1560平方公里，80年代每年扩展2460平方公里，90年代末，每年扩展3436平方公里。因此治理沙漠迫在眉睫。
治理沙漠的传统方法有种草植树、干旱浇水等。但种草植树生长慢和成活率低，治理效果差，很长时间不能获得经济效益。干旱浇水可以造成土壤物理粘粒、土壤营养物质和土壤肥力流失，洼地、河谷和平原地区干旱了灌溉问题不大，因为地平，水土流失小，但高原地区会造成土壤水土流失。其它如水利科学家认为沙漠化的主要原因是缺水，干旱，因此提出因地制宜的节水灌溉，节水技术体系有：(1)灌溉水资源优化调配节水；(2)节水灌溉工程技术；(3)农艺及生物灌溉技术；(4)节水灌溉管理技术；(5)土壤吸水剂、增水剂产品增加土壤吸水量等治理沙漠化的技术措施。土壤学家认为沙漠化的主要原因是：因为土壤肥力下降，缺乏土壤营养物质，因此，专门研究开发名目繁多的土壤增肥剂、营养剂等补偿土壤营养的肥料产品来恢复土壤肥力治理沙漠化的技术措施。植物学家和生物学家认为沙漠化的主要原因是：因为植被品种抗旱能力不强，而恶劣的沙漠化自然环境下不能正常生长或枯死，因此，专门研究培养能够在沙漠化地正常生长的抗旱植被品系来恢复植被，治理沙漠化。生态学家和工程学家认为沙漠化的主要原因是：因为人类不科学的生产活动破坏土壤的自然生产力，因此，干脆采用那里的人搬迁，退耕还林、还草来，自然恢复植被和治理沙漠化的方法等等。
虽然上述这些治理沙漠化的方法，对我国治理沙漠化起到了重大的作用，但是目前为止，仍然没有解决我国沙漠化面积每年扩展3436平方公里的根本课题。
【发明内容】
发明经过考察研究发现，沙漠地不象人们传统认识和所说的那样，没有水和缺水。发明人在毛乌素沙漠考察时发现20-30m高的移动沙丘上，挖30cm表土沙层就能见到湿润的沙土。我们研究分析毛乌素沙漠地在这样湿润土的水分足以有效地供应植被生长的水分，这是因为沙土虽然含水量少(田间持水量)，但是植被的萎蔫系数也很低一般在重量含水量的1％左右，因此，植被被有效利用的相对水分很高。如在粘土里含水量14-16％时，植被不能生存，而粗沙土里只有含水量2％以上，土壤水分完全满足对植被地供水能力，并且植被正常生长，这就是土壤水分的“有效水”性自然规律，由土壤内部物质结构来决定水分运动速度与水分的有效性。
发明人在毛乌素沙漠地的考察中遗憾地发现有水、沙土、有机质，自然气候也不特别，但是植被很难生长和形成。发明人取样研究分析了毛乌素沙漠化土物质结构，沙漠土与东北黑土、南方红土和沿海黄土相比，有根本的区别在于沙漠土里，根本不存在或很少含有构成土壤肥力的土壤粘粒土。粘粒定义为粒径小于0.08mm(生产上用标准)，尤其小于0.01mm(土壤学上用标准)，更尤其小于0.002mm的颗粒(科学研究上用标准)，在本发明中，上述三种范围均适用。该粘粒含量与地下水向上运动的缝隙现象相关，可提高土壤持水能力。我们用0.08mm(大概160-220目)的铜丝筛，筛出毛乌素的沙漠化土，在100g的移动沙中，只筛选出4.9g的粘粒土，在100g的种地沙中，只筛选出12.4g的粘粒土。但是无论东北的黑土、南方的红土、沿海的黄土粘粒含量都在30％以上，东北黑土在30cm表土层里的粘粒土含量都超过80％以上。
沙漠地表土，虽然含水量不多，田间持水量也少，但是植被的萎蔫系数也很低，这说明提供植被的有效含水量是很丰富的，沙漠土的植被萎蔫系数也只有1％左右，因此沙土含水量2％以上植被完全可以正常生长。
沙漠地植被不能生长的主要原因之一是水分流动或移动变化过快，植被的根系不能生长吸水和吸收营养物质的毛细根。发明人用只含有粘粒12％的沙漠土里，不同比例地增加粘粒的配方沙漠土改良实验，在沙漠土里，每增加粘粒含量，在成反比例地降低沙漠土水分的移动变化速度；在成正比例地增加土壤水分含量(指增加田间持水量)。改良毛乌素沙漠土物理性能室内科学实验结果证明，在沙漠土里，随着土壤粘粒含量的增加，成反比例地减少植被根系无毛细根的粗壮光滑根，而成正比例地增加吸水、吸收营养物质功能的毛细根。
在沙漠考察中，发明人同时发现沙漠化的低洼地也有不少积水的水泡子，虽然泡子里的积水不流动，湿润洼地里含氮量丰富的畜粪有机物也较多，但是仍然植被不能繁茂地生长。发明人经过研究证实，在沙漠地有水和有有机物质的条件下，植被受到破坏，致死，而不能正常生长的主要因素是在沙漠化的低洼地里，因在土壤中碳、氮比例严重失调，不能生存微生物，无法有效地分解高含氮营养物质，而很容易产生有毒气体硫化氢。
因为沙漠化土的植被萎蔫系数是1％，在沙漠化土层里含有2％以上的土层含水量植被是完全可以正常生长的。考察中发现，30cm以下的沙层里含水量2％以上湿润沙土较多。移动沙丘地植被枯死的真正原因是沙漠化地表土层的干旱与高温。
考察研究发现阔叶性杨树的枯死过程与针叶性松树类植被枯死过程完全不同的客观自然现象。阔叶性杨树是从树梢的嫩枝嫩叶开始从上而下枯死；针叶性松树类植被是从下部的老树枝、老叶开始从下往上枯死；一般树叶不大不小的枝叶繁茂的柳树类植被是树枝上的叶片散星、无规律地发黄枯死，人们较难观察到慢慢地、一个一个叶片枯死掉下来的全部过程这些植被每天都逐渐地枯死的自然现象越是大气干旱的年头越枯死的严重，越是沙漠化程度严重的沙漠地区越严重发生。因此，植被枯死与大气中的气态含水量极度缺乏有关。植被正常生长的大气湿度一般在70-80％，如果大气相对湿度低于50％，而日平均气温高于30℃以上植被必然受到大气干旱性旱情的危害而枯死。土壤水分再多，种在河边的树木也因植被的吸水量与蒸腾失水量失衡，出现枯死。这一现象与土壤干旱性旱情不同，定义为大气干旱性旱情和植被生理性干旱性旱情。
发明人得出结论，沙漠植被不能生长或枯死的根本原因一是沙漠化土壤中根本缺乏形成土壤肥力的土壤粘粒的含量和在土壤中碳、氮比例的严重失调；二是沙漠虽然存在地下水资源，但是在被破坏的土壤物质结构的沙漠化土中，很难产生土壤缝隙现象的正常水分运动分布规律，不能形成可持续供给植被水分的土壤水库体系，在土壤内部里的水分移动过快，植被根系无法生长吸水、吸营养物质的毛细根；三是大气干旱性旱情是导致植被生长缓慢和枯死的根本原因和重要的因素。
发明人对毛乌素移动沙、种地沙与黑土质地成分及物质结构进行了实验。用直径0.08mm的筛子，过筛分离实验，并且测定毛乌素沙漠地移动沙、种地沙与海伦黑土土壤的物质组成与其所表现出的性质等，实验结果如表1。
表1实验处理 粘粒含率 (％) 干土容重 (g/cm3) 湿土容重 (g/cm3) 干土孔隙 度(％) 湿土孔隙 度(％) 有机质含 率(％)A移动沙 4.9 1.58 1.94 41.82 30以下 0.18B种地沙 12.4 1.49 1.84 44.79 35以下 0.96CK黑土 78.5 1.106 1.48 57.4.8 45.11 7.6
结果表明毛乌素沙漠化的土壤与东北黑土相比，无论种地沙还是移动沙已经几乎都不具有土壤肥力的物质基础。土壤粘粒物质含量比东北黑土分别少6-16倍，有机质含量分别少9.8-29倍。干、湿土的容重差别也很大。
实验研究发现沙漠土水分含量多时，孔隙度急剧下降。
还进行了移动沙、种地沙与黑土土壤水分运动规律的对照实验，结果见表2。
表2实验处理 最大吸持 量(％) 粘粒含率 (％) 吸持速度 3cm/分 有效含水 率(％) 萎蔫系数 (％) 上升运动 速度倍数A移动沙 21.7 4.9 1.5 1.5-4 1.5 25.73B种地沙 24.13 12.4 2.6 3.5-12 3.5 14.86CK黑土 48.96 78.5 38.6 14-26 14 0
实验结果表明沙漠化土水分最大吸持量远少于对照黑土的不到一半，但是土壤有效水分含量和植被的萎蔫系数与东北黑土相比，又小于东北黑土的2-6倍。这些植物生理学的基础理论知识与沙漠地客观自然实际情况相结合起来统一研究分析，在沙漠化土里只要土壤含水量超过2％以上，就可以满足植被正常供给水分的功能。
在实验研究分析毛乌素沙漠土水分运动规律中，发现在土壤质地里土壤粘粒土的含量与土壤水分运动速度有着密切的相关性。参看表2，在沙漠化土里，成倍数减少土壤粘粒土含量，成反比例加快土壤内部水分运动速度。多次反复地干沙漠化土与黑土土壤水分上升运动分布及蒸散失水规律的实验中，研究观察测试，发现土壤水分是不断地吸持上升运动，达到最大吸持量。然后，昼夜温度稳定在15-20℃，平均相对湿度37.8％的室内无风、无其它自然环境影响的实验室里，进行蒸散失水过程的观察研究实验。在蒸散失水过程中，首先土壤水分是上升运动分布聚集在表土层，这就是所发现的缝隙现象，土壤缝隙现象是在土壤水分田间持水量(土壤水分不饱和状态)以下时，也不断上升运动分布聚集在上部表土层的运动规律。
土壤肥力是通过土壤物质组成和结构来表现出的表示土壤物质自然生产量性质的科学概念。土壤粘粒含量可以调节土壤物质的水分含量、水分上升运动速度、供给植被的水分功能；土壤粘粒物质的含量不仅可以决定土壤中无机、有机营养物质的含量，而且还决定土壤营养物质的供给能力；土壤粘粒物质含量绝对地影响土壤物质结构的理化性质、水、气、热变化定律；土壤粘粒含量可以改变在土壤中的微生物群落和土壤生态环境；土壤粘粒物质含量的最大贡献是在土壤中，可以产生土壤水分和营养物质不断地上升运动供给植被能力的土壤缝隙现象。
因此认为，只有含有一定数量的土壤粘粒物质，并且土壤结构良好的土壤，才能具有较高的土壤肥力，才能有利于生长植被。无论什么类型的土壤，只有植被的生长量最高的土壤，土壤的肥力最高。土壤肥力较高的土壤是土壤本身完全可以积累再生产能力的土壤无机、有机营养物质，土壤本身的这种再生产能力，通常叫做土壤的可持续开发利用的能力。另外沙漠地碳氮比例失调问题也需解决。
基于以上认识，本发明提出了一种沙漠土改造剂，该改造剂目的在于增加粘粒，提供适当比例的碳氮，包括：
60-100重量份 粘粒土
0.5-4重量份 草炭
8-30重量份 矿化有机碳
本发明的沙漠土改造剂优选包括：
70-90重量份 粘粒土
1.5-3重量份 草炭
12-20重量份 矿化有机碳
本发明的沙漠土改造剂优选包括：
75-85重量份 粘粒土
2-2.5重量份 草炭
15-20重量份 矿化有机碳
其中粘粒土可以选自当地粘粒含量高的粘土，经风干、粉碎、分离而获得粒径＜0.08mm，尤其＜0.01mm的颗粒；也可以是当地最易粉碎的风化沙筛分分离或粉碎(例如通过普通球磨机等)过筛分离成粒径＜0.08mm，尤其＜0.01mm的颗粒；或者工业生产的废物粉尘、烧煤的烟灰(如粉煤灰)等不含土壤毒性物质的粒径＜0.08mm的颗粒，它们均可用来制造沙漠土改造剂的原材料粘粒。也可以使用它们的混合物。
草炭为地层中的主要含有氮的天然存在的物质。草炭的一部分(例如草炭用量的10-90％)可以用有机氮(例如粉碎的植物秸秆、有机肥等)或无机氮(例如氮肥如尿素，氯化铵等)代替，其用量使得氮元素总量与矿化有机碳的碳元素含量比通常在0.5-2∶8-15，优选约1∶10的范围内。它们通常被粉碎至约0.5-5mm，尤其1-3mm的粒径7。
矿化有机碳为煤炭，尤其有毒物质含量低的煤，用于提供有机碳。它们通常粉碎成粒径＜0.08mm，尤其＜0.01mm，更尤其＜0.002mm的颗粒来使用。
制备本发明的改造剂的方法包括将上述三种物质按比例混合均匀即可。
另外本发明的改造剂可以任选含有适量钾肥和/或磷肥和/或其它任何肥料和/或生物菌。
使用时，可以将本发明的改造剂与沙漠现场的沙土按照20-45∶80-55，优选约32-40∶60-70，更优选约36∶64的重量比混合均匀即可，获得沙漠土改造剂改良的沙漠土。
本发明的另一个目的是提供所述改造剂在治理沙漠中的用途。
另外本发明提供了一种改造沙漠的方法，包括人工或机械挖掘种树坑(例如40-60cm深，50-200cm直径)，然后放入树苗，先埋原来挖出的沙(例如15-30cm深)，适量浇水(以达到或接近田间持水量为标准，大概沙土重量的10-30％，优选约20％水分即可)，压实，其上部用沙漠土改造剂改良的沙漠土再埋15-25cm深，优选约20cm深，适量浇水(如以上，以达到或接近田间持水量为标准)压实，其上部用5-15cm，优选8-12cm，更优选约10cm原来挖出的沙土覆盖，保护改造过的沙漠化土。在最后覆盖的沙土上面，不要再浇水，以免冲刷流失。按照这样的程序种树改造沙漠化地，一次种树成林，保证成活率。这是因为改造的沙漠化土，首选能够恢复土壤缝隙现象的水分上升运动的自然规律，沙漠土地下水分和四周的水分都不断地聚集在沙漠土改造剂改良过的土层里，因为我们把改良土放在树苗根系生长最多的土层中，这些种树和治理沙漠土的改造技术都严格地在自然科学的理论指导下，按照自然规律进行。用沙漠土改造剂改良过的沙漠土，填埋树苗根系生长的表土层，只有植被根系生长处土壤结构良好，肥力高，土壤水分才能在植被根系生长处聚集，一次种树，种草一次浇水也可以靠土壤水分不断地以缝隙现象上升运动聚集在上部表土层，提供植被生长所需要的水分和营养物质。
具体实施例
以下通过实施例来进一步说明本发明，应该理解的是，这些实施例仅用于说明，不限制本发明的范围。
实施例1
将沙漠风化沙粉碎成粒径0.01mm以下的粘粒土，将草炭粉碎至1-3mm碎片，和将矿化有机碳(煤)粉碎到0.08mm以下的粒径。再将这样获得的83重量份粘粒土与2.3重量份草炭粉和17重量份煤粉混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照36∶64的比例混合，获得改良过的沙漠土。
实施例2
将沙漠风化沙粉碎成粒径0.008mm以下的粘粒土，将草炭粉碎至1-3mm碎片，和将矿化有机碳(煤)粉碎到0.05mm以下的粒径。再将这样获得的70重量份粘粒土与3重量份草炭粉和18重量份煤粉混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照30∶70的比例混合，获得改良过的沙漠土。
实施例3
将沙漠风化沙粉碎成粒径0.05mm以下的粘粒土，将草炭粉碎成1-3mm的碎片，和将矿化有机碳(煤)粉碎到0.05mm以下的粒径。再将这样获得的90重量份粘粒土与2重量份草炭粉和14重量份煤粉混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照40∶60的比例混合，获得改良过的沙漠土。
实施例4
取粘土筛分，获得粒径0.08mm以下的粘粒土，将草炭粉碎成1-3mm碎片，和将矿化有机碳(煤)粉碎到0.05mm以下的粒径。再将这样获得的90重量份粘粒土与2重量份草炭粉和14重量份煤粉混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照36∶64的比例混合，获得改良过的沙漠土。
实施例5
取粉煤灰筛分，获得粒径0.002mm以下的粘粒土，将草炭粉碎成1-3mm的碎片，和将低硫煤粉碎到0.05mm以下的粒径。再将这样获得的75重量份粘粒土，1.5重量份草炭粉，14重量份煤粉与1重量份氯化铵混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照36∶64的比例混合，获得改良过的沙漠土。
实施例6
将沙漠风化沙粉碎成粒径0.05mm以下的粘粒土，将草炭粉碎成1-3mm的碎片，和将低硫煤粉碎到0.05mm以下的粒径。再将这样获得的75重量份粘粒土，1.1重量份草炭粉，14重量份煤粉与1重量份尿素混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照36∶64的比例混合，获得改良过的沙漠土。
实施例7
将沙漠风化沙粉碎成粒径0.05mm以下的粘粒土，将草炭粉碎成1-3mm的碎片，和将低硫煤粉碎到0.05mm以下的粒径。再将这样获得的75重量份粘粒土，1.1重量份草炭粉，14重量份煤粉与3重量份玉米秸秆粉碎颗粒混合，获得改造剂。改造剂与沙漠沙土按照36∶64的比例混合，获得改良过的沙漠土。
沙漠土改造剂改良土理化功能对比实验
用内径0.08mm细筛，筛出分离土壤粘粒物质，再与草炭和煤粉混合，再与沙漠中的沙土混合制成改良土，与移动沙、种地沙、CK黑土进行土壤水分运动规律实验。
表3土壤粘粒含量对土壤水分运动规律的影响实验实验处理 移动沙 种地沙 CK黑土 A改土 B改土 C改土粘粒率％ 4.9 12.4 78.5 50 30 20吸持率％ 20.1 23.9 46.1 27.6 25 20.6吸持速度 1分/3cm 3分/3cm 38分/3cm 12分/3cm 6分/3cm 4分/3cm
以上结果表明，土壤中粘粒含量的增加，土壤水分的最大吸持量也增高，土壤内部水分运动速度显著放慢。
沙漠土改造剂改良土水分蒸发时土壤内部水分运动分布规律的实验
用3cm高、70毫升标准土壤实验用铝盒，底部打孔吸水，然后，各种配方改造土装满铝盒，首选吸水达到最大吸持量，再让它自然蒸发失水，并且每天昼夜的蒸发失水定律、观测、记录、统计比较，在土壤水分田间持水量以下时，在土壤内部水分上升运动失水全过程中，上下层土壤运动分布变化的规律性。
表4土壤水分蒸发失水时内部水分上升运动分布规律实验结果实验处理 移动沙 种地沙 CK黑土 A改土 B改土 C改土粘粒率％ 4.9 12.4 78.5 50 30 20含水率上 8.14 13.97 42.57 23.5 19.1 15.3含水率下 9.67 13.97 40.88 20.3 16.5 14.6
实验证明，土壤水分在蒸发失水的时候，土壤内部下层水分不断地通过自然缝隙现象上升运动分布聚集在近地面的表土层中，然后，在近地面的土壤表土层缝隙的液体表面层和界面层上蒸发失水。因此，在土壤水分全部蒸发失水的过程中，表面层上部土层的含水量始终多于下部土层的含水量(这里指的是土层上下部是影响植被生长的1米土壤层内的土壤水分运动分布系统)的上升运动分布规律性。
上述一系列的科学实验，充分证明，土壤水分在田间持水量以下蒸发失水的过程中，在土壤粘粒含量的多少，决定土壤水分在不断地表土层输送聚集的缝隙现象效率，并且在土壤中粘粒含量越少在土壤的表土层上蒸发失水的速度越快，表现出似乎不能在表土层里聚集水分的反规律性。本发明通过适量增加或补偿破坏或流失的土壤粘粒含量，改造沙漠化的土壤物质结构，提高沙漠土肥力，恢复沙漠土自然生产力的科学治理沙漠化根源的创新科学技术措施和科技路线，本发明研制的沙漠土改造剂，完全可以根据所制定的科技路线治理沙漠化本质的土壤肥力问题。