CN102886376A

CN102886376A - 一种环保型铜污染土壤联合修复方法

Info

Publication number: CN102886376A
Application number: CN2012103998222A
Authority: CN
Inventors: 刘金根; 宋青; 徐芹; 王建中
Original assignee: SUZHOU LVSHIJIE GARDEN DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SUZHOU LVSHIJIE GARDEN DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明涉及一种环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述方法包括：（1）对铜污染土壤施用生物质碳，使铜污染土壤中铜元素生物有效性含量降至香根草耐受范围以下；（2）在经上述步骤（1）得到的铜污染土壤中铜元素生物有效性含量在香根草耐受范围之内的土壤中种植香根草。本发明的提供的土壤修复方法，通过在被污染土壤内施用低成本的生物质碳尤其是生物黑炭，营造有利于香根草生长的根际土壤微环境，确保在铜污染地上能够快速建立优良的香根草篱，并通过不断地移走香根草地上部器官加以集中处理，从而实现安全、高效地修复铜污染土壤的目的，因而具有较强的生态意义、经济意义和社会现实意义。

Description

一种环保型铜污染土壤联合修复方法

技术领域

本发明属于污染土壤修复领域，特别涉及一种对铜污染土壤进行修复的方法，该修复方法为在待修复的铜污染土壤中施用生物质碳等材料局部改良土壤后再种植香根草。

背景技术

大量的研究表明：土壤中水溶态的重金属元素可以被植物直接吸收。与理化法相比，植物修复法具有价廉且“绿色安全”等优点，因而倍受人们欢迎。但是至今人们从野外筛选的超富集植物生物量普遍较低，生长缓慢，且易受气候、土壤等环境条件的限制。其次，大部分超富集植物只能累积一种或极少数几种重金属元素，但土壤重金属的污染一般为多种重金属元素的复合污染，传统的植物修复方法效率有限，制约了其实践应用。因此，选择合适的修复植物，尤其是先锋植物，是最基本也是最关键的一步。

铜是植物生长的必需元素，在缺铜的植物中，氨基酸的积累减少。但是，如果土壤中铜元素积累过多，超过土壤临界值，被植物吸收后，大部分停留在根部，阻碍根系对其它成分特别是对铁元素的吸收，导致植物生长不良。铜也是人体健康不可缺少的微量营养素，但是过多的铜进入体内会出现恶心、呕吐、上腹疼痛、急性溶血和肾小管变形等中毒现象。

土壤铜污染主要来源于铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造、钢铁生产等。特别是铜矿开发过程中产生的尾砂、矿石等不仅占用大量的土地，而且对其所堆积地及其周边环境产生严重的破坏。其次，冶炼排放的烟尘是大气铜污染的主要来源。冶炼过程中，铜及其化合物的烟尘随烟道气进入大气，造成污染。此外，随着工农业生产的快速发展，铜的用途越来越广泛，用量不断增加，含铜污染物排放越来越多，对土壤环境的污染也逐渐显现出来。灌溉过程以及硫酸铜杀虫剂等农药的施用使一部分铜进入土壤，可使农田土壤含铜量达到原始土壤的几倍，乃至几十倍，对植物和土壤微生物产生毒害，尤其是通过食物链的富集，最终使大量铜进入人体，危及人体健康。因此，采取有效技术措施净化土壤铜元素污染具有现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种施用生物质碳+种植香根草对铜污染土壤进行联合修复的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述方法包括：

（1）对铜污染土壤施用生物质碳，使铜污染土壤中铜元素生物有效性含量降至香根草耐受范围以下；

（2）在经上述步骤（1）得到的铜污染土壤中铜元素生物有效性含量在香根草耐受范围之内的土壤中种植香根草。

所述的对铜污染土壤施用的生物质碳优选生物黑炭。

所述的对铜污染土壤施用生物质碳，使铜污染土壤中铜元素生物有效性含量降至香根草耐受范围以下，是指铜污染土壤表层0～50厘米土壤中铜元素生物有效性含量降至香根草耐受范围以下。

进一步的，在所述的铜污染土壤地上开挖等高行种植沟，在所述种植沟内施用生物质碳，使所述铜污染土壤中铜元素生物有效性含量降至15mg/kg以下，然后在所述种植沟内栽植香根草。

更进一步的，所述的种植沟内土表应低于周边5cm以上，有利于集水。

所述的在铜污染土壤地上开挖的等高行种植沟内施用的生物质碳优选生物黑炭。

优选的，在香根草快速生长的季节中每隔15-30天，对所述铜污染土壤中种植的香根草施用一次高效复合肥，促进香根草地上部茎叶快速生长。

进一步的，对所述香根草施肥后，表层0～50cm土壤持水量应保持在60%以上。

优选的，分别在所述香根草返青期和快速生长期至少刈割所述的香根草一次。

进一步的，所述的香根草刈割后地面部保留20～50cm高度。

通常香根草对土壤中铜污染的耐受范围是土壤中铜元素生物有效性含量在15mg/kg以下，但由于野外植物生长环境条件复杂，多种逆境胁迫常常同时发生，如高温、干旱同时存在时，此阈值可能稍有变化。

香根草（Vetiveria zizanioides），又称岩兰草，属于禾本科香根草属的多年生草本植物，属C4类水陆两栖植物，抗逆性强，生态适应性广。在受到干旱、霜冻、盐渍和其它不利的土壤化学条件下，一旦条件有所改善或施用了土壤改良剂，它就能恢复生长。其茎秆密集挺拔，基部茎节被泥沙埋没后其上部茎节重新长出新根。香根草根系发达，密集呈现网状向纵深发展，一般深达2～3m，甚至5m，有利于与土壤充分接触和克服废弃地上常常遇到的干旱胁迫。尽管香根草是外来引进物种，但在国内它不能结籽繁殖，应用时采取无性繁殖方式。它没有地下茎或地表匍匐走茎，仅靠分蘖繁殖，因而不会逸生成为恶性杂草。多年实际证明，它未引发生物安全问题，而且很容易控制其种群发展。近年来，香根草在环保领域也得到了应用，特别是在改良受污染的土地、采矿废矿地，以及对湿地和水产用地进行生物治理方面。香根草对重金属亦有很强的耐受能力，植株地上部器官对Cr、Ni、As、Cd、Cu五种金属的忍耐程度分别为18mg/kg、347 mg/kg、72 mg/kg、48 mg/kg、15mg/kg，而一般作物对它们的忍耐水平仅为0.02～0.2 mg/kg、10～30 mg/kg、1～10 mg/kg、5～20 mg/kg、15mg/kg。此外，香根草对土壤中的Al、Mn耐性也很强。相对于其它（超）富集重金属植物而言，香根草不能超富集重金属元素，但具有较强的对多种重金属耐受力，且其根系发达吸收表面积大、生长速度快、生物量大(若按行间距1米种植香根草地上部生物量干重可高达30t / hm²·季以上，再加上大量保留在土壤中的根系，生物量相当可观)，而且，香根草具有耐修剪、植株高大便于机械化作业等特点。因此，在铜污染地上安全建立香根草等高篱是影响成功修复与否的关键。在铜污染地土壤重金属毒性在香根草耐受范围内，可以直接建植香根草篱。若超出了香根草耐受范围，需要使用一些经济、安全、有效的技术措施钝化土壤重金属活性，局部改善香根草根际环境，如在污染地撒施生物黑炭。其次，在保证香根草正常生长发育的情况下采取一些简单、有效的技术措施提高香根草地上部器官的重金属富集效率。最后，通过不断地移走其地上部植株进行集中填埋处理（使其进入非食物链，如作为造纸、纤维板的原料，或作为建筑用砖、水泥等行业的燃料）或者后期萃取利用，即可有效降低土壤中的重金属含量，达到以最小投入、最短时间内改良土壤与恢复植被的双重目的。

本发明的提供的土壤修复方法，在前期通过在种植沟内施用低成本的生物质碳尤其是生物黑炭，巧妙地利用生物质黑炭呈碱性和多孔特点，同时具有钝化重金属元素活性、富集重金属元素、保水保肥等多种优良性能，精心营造有利于香根草生长的根际土壤微环境，确保在铜污染地上能够快速建立优良的香根草篱，避免更大范围污染问题的发生。生物质碳的施用量与当时土壤污染情况有关，污染越重，使用量越大。其次，在香根草正常生长后，通过合理施肥和刈割等措施不断追求获得更高的地上部生物量，提高植物修复效果，并通过不断地移走香根草地上部器官加以集中处理，从而实现安全、高效地修复铜污染土壤的目的。此外，本方法还利用香根草篱优良的水土保持能力，在污染区域原位固持重金属等污染元素，避免重金属元素随水土流失或风蚀等途径引发对区域外的环境污染，因此在重金属尾矿地的污染土壤修复中应用优势明显。特别是，在铜污染地土壤理化性质等生境条件逐步得到改善的同时，乡土植物也会逐渐进入香根草行间定居，植被覆盖度增加，生物多样性丰富，进一步加快铜污染地污染土壤的修复进程，实现土壤修复和植被恢复的双重目标，因而具有较强的生态意义、经济意义和社会现实意义。

具体实施方式

为使贵审查员及公众能进一步了解本发明的特征及其有益效果，特以实施例对本发明的具体实施方式详细描述如下：

本实施例环保型铜污染土壤联合修复方法，包括下述步骤：

（1）现场勘查与土样分析

首先，实地勘查待修复铜污染地，掌握当地土壤污染特征和自然气候状况，取样分析表层（通常对0～50cm土层分层取样）土壤污染特点，为后续生态修复实践提供基础技术资料。

（2）开种植沟

一般情况下，在外界气温稳定在18～20℃以上时，在污染地按开挖深30～50cm、宽20～30cm的种植沟，行距通常1～2米。若表层（0～50cm表土层）土壤污染程度超出香根草耐受范围，如铜元素生物有效性≥15mg/kg，则必须在种植沟内撒施生物黑炭，直至种植沟内0～50cm表土层铜元素生物有效性低于15mg/kg。

（3）种植香根草

将提前培育好的带土香根草营养苗（具有完整根系，且包被土球）直接种植于上述如步骤（2）挖好的种植沟内，一般株距10～20cm，每穴苗至少6～10株，栽后填土压实，但根际土表面（即上述的种植沟内土表）应低于周边5cm以上，以方便集水。

（4）栽后管理

由于香根草营养苗带土移植，因而一般移栽后不需要立即人工浇灌。但倘若移栽后长时间连续干旱，则需要酌情人工浇灌。其次，在香根草行间平铺3～5cm厚的植物秸秆，旨在有利于保持表层土壤水分，也有利于抑制香根草行间杂草的疯长。

（5）高效复合肥的使用

随着香根草的生长，根际土壤特性也会随之逐渐改变。因此，通常每隔10-15天到现场观察香根草生长状况。在香根草快速生长的季节一般每隔15-30天左右施用一次高效复合肥以促进香根草快速生长，通常可选用N：P：K=15：15：15的硫基复合肥，具体施用时期、施用量依据香根草长势长相和天气情况确定。施肥后最好使表层0～50cm土壤的持水量基本保持在60%以上，一般可在施肥后灌水或雨后施肥，这样有利于肥料溶化入土。补施高效复合肥的目的在于提高香根草地上部生物量，应根据动态监测结果和天气情况适时、适量施用，遵循“多次少施”的原则。

（6）刈割

在香根草快速生长期至少刈割香根草一次（一般在7月下旬或8月上中旬，根据种植地区的不同时间会有所变化），地上部茎叶保留20～50 cm高度。次年香根草春季返青期（外界气温稳定在18～20℃以上时，一般长江中下游地区为4月下旬或5月上旬）再刈割一次，地上部保留20～50cm高。此后，除了不需要种植外，其它技术措施参照前一年方法执行。寒冷季节香根草生长停滞后不刈割地上部茎叶，有利于对基部幼嫩茎叶或芽的保护。

利用该技术方法进行了野外试验，取得理想效果。在香根草种植一年后表层土壤（0～50cm）中的铜元素总量平均下降5.65%，生物活性铜含量更是平均下降50%以上，劣迹地生态系统顺利进入良性循环状态。

下面以盆栽控制试验及野外田间试验进一步对本发明进行详细描述。

一.盆栽试验

1.选择1年生香根草苗，顺着易分开处将从丛生大苗分成5-6株/丛的小苗，再截去多余的茎叶和根系，保留根系5cm、茎叶20cm。将分开的香根草苗竖直置入淤河泥浆水中，根系没入水中即可。

2.将分好的苗置入塑料杯中培育，杯中培养基质为堆肥营养土。保证每杯土壤基质和苗尽可能一致，栽后浇足定根活棵水，再将营养苗移入温室大棚中培育。此后，每隔7-10天观察一次，若杯中土壤干旱应及时补水。

3.在外界气温稳定在18-20℃时，配制不同浓度（0 ppm、5ppm、10ppm、20ppm、40ppm）处理的CuSO₄溶液，并在各处理溶液中分别加入事先配好的Hoagland（霍格兰培养液）标准营养液50ml。然后选择基本均匀一致（8株/丛）的香根草苗，将其根系冲洗干净。随机取香根草苗置于不同浓度的CuSO₄溶液中，然后每桶加入20kg的生物黑炭粉末（可由城市园林植物废弃物制备）作为栽培基质，每处理重复4次。此后每15天酌情补充一次水和50mlHoagland标准营养液，并记录香根草长相长势及株高、分蘖指标。

4.栽种后，在香根草快速生长期每隔15～30天左右，分三次在盆内按20g/盆/次标准普施一次复合肥（江苏瑞和化肥有限公司，瑞和牌复合肥45%（S）（15-15-15）。

5.刈割，在香根草快速生长期刈割一次。刈割前统计香根草成活率、株高、分蘖数，然后刈割香根草地上部茎叶，保留30 cm高，并在实验室中分析香根草根系、茎叶中的铜元素含量。

动态跟踪调查结果表明，各处理香根草均未表现出铜元素毒害症状，且株高和分蘖区别也不明显。分析结果显示，除浓度为0的CuSO₄溶液（对照CK）外，其余处理中香根草的根系和地上部茎叶铜含量差异均不显著，其中根系铜元素平均含量：1.84mg/kg，根系平均重量：12.03g/盆；地上部茎叶铜元素平均含量：0.43mg/kg，茎叶平均重量：16.12g/盆，表明香根草从土壤中富集铜元素效果明显。

二.野外田间试验

1.选择1年生香根草苗，顺着易分开处将从丛生苗分成5-6株一小丛，再截去多余的茎叶和根系，保留根系5cm、茎叶20cm。将分开的香根草苗竖直置入淤泥浆水中，根系没入水中即可。

2.将分好的香根草苗置入塑料杯中培育，杯中培养基质为堆肥营养土。保证每杯土壤基质和苗尽可能一致，栽后浇足定根活棵水，再将营养苗移入温室中培养。此后，每隔7-10天观察一次，若容器中土壤干旱应及时补水。

3.在外界气温气温稳定在18-20℃以上时，选择基本均匀一致（8-10株/丛）的健壮香根草营养苗，并浇足水备用。当日在郊外废弃铜尾矿地以1.5米行距按等高行开宽20cm、深50cm的种植沟，种植面积近1000m²。种植前该废弃铜尾矿地土壤中总铜含量1109.5mg/kg，其中有效铜含量为11.9mg/kg。尽管该废弃铜尾矿地土壤中有效铜含量低于香根草耐受阈值（15mg/kg以下），但为了优化香根草根际环境，种植次日在种植沟内仍应按1kg生物黑炭粉末/米的标准普施一次生物黑炭，然后将备用的香根草苗栽入种植沟内，栽后填土并踩实根际土壤，并使根际土表低于周边土层5～10厘米。然后于香根草等高行间铺一层3～5cm厚的稻草秸秆。此后主要控制等高行间杂草高度，若行间杂草高于20厘米，则应及时刈割，保留5～10厘米高度。

4.栽种后，在香根草快速生长期每隔15～30天左右，分三次在种植沟内按15kg/亩/次标准普施一次复合肥（江苏瑞和化肥有限公司，瑞和牌复合肥45%（S）（N：P：K=15：15：15）。

5.刈割，在香根草快速生长期刈割一次。刈割前统计香根草成活率、株高、分蘖数，然后刈割香根草地上部茎叶，保留地上部40厘米高，并取土样带回分析。

上述香根草生长期的动态跟踪监测显示，香根草生长健壮、发育良好。室内统计、分析显示，香根草成活率100%，平均株高2. 63米，平均分蘖数22.4个/穴。根际50cm直径范围内表层50cm土壤总铜含量平均为1046.8 mg/kg，下降5.65%；土壤有效活性铜含量平均为5.61 mg/kg，下降52.94%，表明土壤中铜元素总量下降有限，但其生物活性却下降明显。

以上对本发明所提供的环保型铜尾矿污染土壤联合修复方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述的对铜污染土壤施用的生物质碳优选生物黑炭。

3.根据权利要求1所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述的对铜污染土壤施用生物质碳，使铜污染土壤中铜元素生物有效性含量降至香根草耐受范围以下，是指铜污染土壤表层0～50厘米土壤中铜元素生物有效性含量降至香根草耐受范围以下。

4.根据权利要求1所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：在所述的铜污染土壤地上开挖等高行种植沟，在所述种植沟内施用生物质碳，使所述铜污染土壤中铜元素生物有效性含量降至15mg/kg以下，然后在所述种植沟内栽植香根草。

5.根据权利要求4所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述的种植沟内土表应低于周边5cm以上。

6.根据权利要求4所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述的在铜污染土壤地上开挖的等高行种植沟内施用的生物质碳优选生物黑炭。

7.根据权利要求1所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：在香根草快速生长的季节中每隔15～30天，对所述铜污染土壤中种植的香根草施用一次高效复合肥，促进香根草地上部茎叶快速生长。

8.根据权利要求7所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：对所述香根草施肥后，表层0～50cm土壤持水量应保持在60%以上。

9.根据权利要求1所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：分别在所述香根草返青期和快速生长期至少刈割所述的香根草一次。

10.根据权利要求9所述的环保型铜污染土壤联合修复方法，其特征在于：所述的香根草刈割后地面部保留20～50cm高度。