CN103769413A - 一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改良矿井水污染土壤及农作物生长特性的方法，包括：将污染土壤模糊划分为：轻度污染、中度污染和重度污染三个污染等级；在冬小麦播种前将粉煤灰和菌渣按一定用量均匀混合后施于农田土壤表面；撒施复合肥，然后翻耕，还田后播小麦，春浇二水；拔节期追施尿素225kg·hm^-2，之后，采用常规田间管理；小麦收获时，秸秆全部粉碎，覆盖在地表，玉米直接免耕播种；玉米季施用氮肥252kg/hm2，常规田间管理；本发明具备成本低、修复快且效果显著，另外，本发明步骤简便更利于大规模推广使用。

Description

一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法

技术领域

本发明涉及一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，具体涉及一种改良被含重金属和酸性物质的矿井水污染的污染土壤的方法及该土壤上的作物生长方法。 

背景技术

矿井水是伴随煤炭开采而产生的岩溶水、矿坑水、地下含水层的疏放水以及生产、洗煤、防尘等用水。据全国煤矿矿井水水质调查资料表明，矿井水中普遍含有以煤粉和岩粉形成的悬浮物、重金属、有毒、有害物质以及放射性元素等，有的矿井水还呈现出高矿化度或酸性。大量未经处理的矿井水直接排放，对矿区周围土壤、河流和地下水资源造成了严重的酸污染和重金属污染。酸性矿井水还可增加一些重金属的溶解，从而加大其毒性，尤其是当这些过量的重金属元素发生协同作用时，对植物生长危害更大。当这些呈酸性和高重金属含量的矿井水用于农业灌溉时，不但污染农田土壤，还能增强作物对重金属的吸收，从而影响作物的品质，并通过食物链危害人体健康。此外，高矿化度的矿井水还造成土壤的盐碱化，引起土壤性能改变；含有大量的悬浮物矿井水渗入土壤后堵塞孔隙，改变土壤结构。虽然有些矿区矿井水经过净化处理，但仍然存在少量的污染物，长期用于灌溉也会给土壤环境带来一定的风险。土壤环境遭到破坏或受到污染无疑会 影响到农田的土壤水分、养分循环过程，最终造成作物减产或作物死亡。因此，对矿井水污染土壤进行修复是缓解矿区农田环境恶化和实现粮食安全生产的当务之急。 

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提出一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，来改善被含重金属和酸性物质的矿井水污染的土壤，使其可以正常生长农作物。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，包括以下步骤： 

S1：采用生态风险指数法(Hankson指数法)对土壤污染进行评价。生态风险指数法，计算公式： 

$\mathrm{RI}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_r^i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_r^i\·\frac{C^i}{C_n^i}$

式中：RI-沉积物中多种重金属潜在的生态风险指数；

-第i种重金属的潜在生态危害系数；

-第i种重金属的毒性相应系数(Cu＝5，Zn＝1，Cd＝30，Pb＝5，Cr＝2)；C′-表层土壤中第i种重金属含量的实测值；

-计算所需的参比值(本文选择河南省土壤元素背景值作为标准)。描述某一污染物(元素)的污染程度，分为5个等级：

轻微生态危害；

中等生态危害； 

强生态危害；

很强生态危害；

极强生态危害。RI描述某一点多个污染物潜在生态危害系数的综合值，分为 4个等级：RI＜150轻度污染；150≤RI＜300中度污染；RI≥300重度污染。 

S2：在冬小麦播种前将粉煤灰和菌渣按上述步骤S1的污染程度分别采用如下的施用量，均匀混合后施于农田土壤表面； 

轻度污染：粉煤灰施用量为4×10³kg·hm^-2～1×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为5×10³kg·hm^-2～1×10⁴kg·hm^-2； 

中度污染：粉煤灰施用量为1×10⁴kg·hm^-2～3×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为1×10⁴kg·hm^-2～3×10⁴kg·hm^-2； 

重度污染：粉煤灰施用量为3×10⁴kg·hm^-2～6×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为3×10⁴kg·hm^-2～6×10⁴kg·hm^-2； 

S3：撒施复合肥(15-20-10)450kg·hm^-2，然后翻耕30cm，还田后播小麦，春浇二水； 

S4：拔节期追施尿素225kg·hm^-2，之后，采用常规田间管理； 

S5：小麦收获时，秸秆全部粉碎，覆盖在地表，玉米直接免耕播种； 

S6：玉米季施用氮肥252kg/hm2，常规田间管理。 

本发明的有益效果是：采用本发明具备以下几点优势： 

1、使用成本低；粉煤灰是燃煤电厂产生的固体废物，食用菌菌渣是农业废弃物，对其加以利用可避免其对环境的污染，还可减少化肥的使用，从而降低农业成本，利用粉煤灰和菌渣对重金属和酸污染土壤进行改良不但可以改良土壤理化性质，而且可以到“以废治废， 改良土壤”的目的。 

2、修复快速、效果好，粉煤灰具有较强碱性和吸附性等特点，不但缓解酸污染而且能够吸附重金属，减少植物吸收；食用菌菌渣含有丰富的有机物，施入土壤可以增加重金属的吸附和固定，降低其有效性，减少植物的吸收，菌渣里还含有其他营养成份，可为农作物和土壤中的微生物提供氮素营养和矿质元素，增加土壤肥力，菌渣在土壤中进一步被分解后，能使土壤形成具有良好透气、蓄水能力的腐殖质，避免土壤的板结现象，增强土壤的透气性，因此具有较好的经济、社会和环境效益。 

3、施用技术简单，便于大面积推广；对于由于农业活动引起的中低度农田土壤污染的修复具有较好的优越性，而且能够更好地满足我国当前治理矿区大面积农田土壤重金属污染，保障粮食安全生产的迫切要求。 

附图说明

图1是本发明的实施流程图。 

图2是本发明对土壤微生物数量的影响对比图表； 

图3是本发明对土壤酶活性的影响对比图表； 

图4是本发明对土壤呼吸的影响对比图表； 

图5是本发明对小麦株高、叶面积和叶绿素含量的影响的对比图表； 

图6是本发明对小麦产量及其相关性状的影响的对比图表。 

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。 

如附图1所示：一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

S1：将污染土壤模糊划分为：轻度污染、中度污染和重度污染三个污染等级； 

S2：在冬小麦播种前将粉煤灰和菌渣按上述步骤S1的污染程度分别采用如下的施用量，均匀混合后施于农田土壤表面； 

轻度污染：粉煤灰施用量为4×10³kg·hm^-2～1×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为5×10³kg·hm^-2～1×10⁴kg·hm^-2； 

中度污染：粉煤灰施用量为1×10⁴kg·hm^-2～3×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为1×10⁴kg·hm^-2～3×10⁴kg·hm^-2； 

重度污染：粉煤灰施用量为3×10⁴kg·hm^-2～6×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为3×10⁴kg·hm^-2～6×10⁴kg·hm^-2； 

S3：撒施复合肥，然后翻耕，还田后播小麦，春浇二水； 

S4：拔节期追施尿素，之后，采用常规田间管理； 

S5：小麦收获时，秸秆全部粉碎，覆盖在地表，玉米直接免耕播种； 

S6：玉米季施用氮肥，常规田间管理。 

实施例：粉煤灰和菌渣配施对矿井水污染土壤微生物学特性和小麦生长的影响。 

本研究选取焦作煤业集团中马矿区长期进行矿井水灌溉的农田为研究对象。试验田位于矿井废水出水口附近，矿井水类型主要是经沉淀处理洗煤废水，土壤为砂壤土，土壤pH＝5.78，有机质含量 1.21％，全氮含量为0.77g/kg，全磷含量为1.25g/kg，全钾含量为12.71g/kg，速效氮为45.41mg/kg，速效磷为8.23mg/kg，速效钾为76.05mg/kg。共设二个土壤改良处理：T1：菌渣改良(试验期间增施菌渣2×10⁴kg·hm^-2)；T2：粉煤灰+菌渣改良土壤肥(试验期间增施菌渣2×10⁴kg/hm²，粉煤灰2×10⁴kg/hm²)；对照(CK)，未进行土壤改良。菌渣含粗蛋白7.91％，粗脂肪2.04％，粗纤维30.52％，灰分6.715％，总糖21.97％，磷0.088％。粉煤灰pH＝9.82，速效磷为3.15mg/kg，速效钾为111.21mg/kg。每处理重复3次，小区面积24m2。各处理的其它田间管理措施一致，冬小麦于2010-10-10日播种，播种前撒施复合肥(15-20-10)450kg/hm²，于拔节期追施尿素225kg/hm²。 

研究结果 

1、本土壤改良措施(T2)对土壤微生物数量的影响； 

土壤微生物是最活跃的土壤肥力因子之一。细菌、放线菌和真菌是土壤微生物的3大类群，构成了土壤微生物的主要生物量，它们的区系组成和数量变化不仅能反映出土壤的生物活性水平，也可以敏感地反映土壤环境质量的变化。通过对各处理0～40cm土壤层的微生物数量进行检测，与T1和对照(CK)相比，本土壤改良措施均显著提高了0～20cm和20～40cm土壤层中细菌、真菌和放线菌的数量(图2)。通过计算各两个土壤层B/F值，在0～20cm土壤层，T2处理的B/F值最高，显著大于对照。B/F值是衡量土壤肥力的一个指标，B/F值高， 表明土壤肥力水平较高。 

2、本土壤改良措施(T2)土壤酶活性和土壤呼吸的影响； 

土壤中许多复杂的生化反应、团粒结构和有机质的分解转化、腐殖质的合成、土壤养分的固定与释放以及各种氧化还原反应都是由土壤酶类参与催化的。土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性可分别用来表征土壤中有机氮、碳素和磷素的转化状况。因此，土壤酶也可作为表征土壤肥力的指标。通过对各处理0-20cm和20-40cm土壤层的土壤酶(脲酶、蔗糖酶和磷酸酶)活性的检测表明，两个土壤层次的各类酶活性均为T2＞T1＞CK，本土壤改良措施显著提高了土壤中脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性(图3)。土壤呼吸强度是反映土壤环境对胁迫反应的重要指标，也是反映土壤质量、肥力以及土壤微生物活性的重要指标。通过对单位面积上的土壤呼吸速率进行测定，各处理的呼吸速率也表现为T2＞T1＞CK，本土壤改良措施显著提高了土壤呼吸速率(图4)。 

3、本土壤改良措施(T2)对小麦株高、叶面积和叶绿素含量的影响； 

作物的生长发育对土壤环境条件非常敏感，与对照相比，T1和T2对小麦群体数量、株高、叶面积均有显著的促进作用。在拔节期各处理小麦的群体数量、株高、叶面均积和叶绿素含量均表现为T2＞T1＞CK(图5)；到花期时，各处理小麦的群体数量表现为T2＞T1＞CK，T1和T2处理小麦的的株高、叶面积和叶绿素含量显著大于CK，但T1和T2处理间差异不显著。可见，长期矿井水灌溉造成的土壤污染，通过增施粉煤灰和菌渣进行土壤改良对小麦生长具有显著的促进作用。 

4、本土壤改良措施(T2)对小麦产量及其相关性状的影响 

通过对不同处理小麦的产量及其相关性状进行比较，T1和T2对小麦各产量性状均有显著的影响，T2和T1处理小麦的成穗数、穗粒数、千粒重、产量和收获指数均显著大于对照(CK)。T2处理小麦的穗数和千粒重与T1处理相比没有显著差异，但由于提高了成穗数，因此T2处理的产量显著高于T1处理(图6)。T1和T2处理的收获指数也没有显著区别。可见，粉煤灰与菌渣配施可提高小麦的分蘖成穗数，从而提高作物产量。 

以上所述的利用较佳的实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围。本领域技术人员可通过阅读本发明后，做出细微的改变和调整，例如：调整粉煤灰或菌渣的种类和含量等等，仍将不失为本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。 

Claims (6)

1.一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将污染土壤模糊划分为：轻度污染、中度污染和重度污染三个污染等级；

S2：在冬小麦播种前将粉煤灰和菌渣按上述步骤S1的污染程度分别采用如下的施用量，均匀混合后施于农田土壤表面；

轻度污染：粉煤灰施用量为4×10³kg·hm^-2～1×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为5×10³kg·hm^-2～1×10⁴kg·hm^-2；

中度污染：粉煤灰施用量为1×10⁴kg·hm^-2～3×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为1×10⁴kg·hm^-2～3×10⁴kg·hm^-2；

重度污染：粉煤灰施用量为3×10⁴kg·hm^-2～6×10⁴kg·hm^-2，菌渣施用量为3×10⁴kg·hm^-2～6×10⁴kg·hm^-2；

S3：撒施复合肥，然后翻耕，还田后播小麦，春浇二水；

S4：拔节期追施尿素，之后，采用常规田间管理；

S5：小麦收获时，秸秆全部粉碎，覆盖在地表，玉米直接免耕播种；

S6：玉米季施用氮肥，常规田间管理。

2.如权利要求1所述的一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，所述复合肥的适用量为(15-20-10)450kg·hm^-2。

3.如权利要求1所述的一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，所述翻耕的深度为30cm。

4.如权利要求1所述的一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，拔节期追施尿素的量为225kg·hm^-2。

5.如权利要求1所述的一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，玉米季施用氮肥的量为252kg/hm²。

6.如权利要求1所述的一种改良矿井水污染土壤及其农作物生长特性的方法，其特征在于，污染土壤模糊划分的方法采用生态风险指数法对土壤污染进行评价，生态风险指数法计算公式为：

$\mathrm{RI}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_r^i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_r^i\·\frac{C^i}{C_n^i}$

式中：RI-沉积物中多种重金属潜在的生态风险指数；

-第i种重金属的潜在生态危害系数；

-第i种重金属的毒性相应系数Cu＝5，Zn＝1，Cd＝30，Pb＝5，Cr＝2；C′-表层土壤中第i种重金属含量的实测值；-计算所需的参比值，描述某一污染物的污染程度，分为5个等级：

轻微生态危害；

中等生态危害；

强生态危害；

很强生态危害；

极强生态危害，RI描述某一点多个污染物潜在生态危害系数的综合值，分为4个等级：RI＜150轻度污染；150≤RI＜300中度污染；RI≥300重度污染。

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