CN107537853B - 一种降低农作物有害重金属浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降低农作物有害重金属浓度的方法，其目的是减少农作物对有害重金属的吸收。通过原位钝化技术并调控农艺措施，研发钝化与农艺阻隔的耦合技术，为我国旱地土壤的农作物安全生产提供保障。该方法包括以下步骤：将深耕后的污染土壤与钝化材料混匀，再对混合有钝化材料的污染土壤进行升温干燥处理。而后在升温干燥处理后的土壤上结合滴灌和/或空气喷雾法的灌溉方式种植农作物，并不定时以的灌溉方式施加特殊配比的水溶肥。该方法成本低廉，操作方便，土壤钝化效果明显，并能实现长效钝化，农作物重金属含量下降显著，适用于旱地农作物种植土壤，特别是旱地大棚土壤，其实际应用前景广阔，易于规模化操作。
Description
技术领域
本发明涉及农田土壤污染修复领域，具体而言，涉及一种降低农作物有害重金属浓度的方法。
背景技术
随着工农业生产技术的飞速发展，大量污染物进入土壤环境，造成土壤污染日趋严重。污染物进入土壤环境的主要途径是不合理的矿物开采、污水的大量灌溉以及农药的肆意使用。据国家环保总局报道，目前我国受Cd，As，Cr，Pb等重金属污染的耕地面积近2.0×107公顷，约占耕地总面积的1/5。并且农田土壤重金属污染通过食物链进入农作物体内，并最终对人畜并造成毒害，严重威胁人类的健康。目前，有关重金属污染土壤修复的研究主要分两类：1)利用技术手段从原位去除污染物，主要以各种工程措施和植物修复为代表。2)原位钝化修复，是指在钝化修复过程中，钝化剂主要通过与污染物发生沉淀、吸附、络合以及氧化—还原等物理化学反应，改变其在土壤中的化学形态和赋存形态，从而降低重金属的活性，以达到修复污染的目的。原位钝化修复技术具有经济、对土壤破坏性小、操作简单等优点，较适用于面源土壤污染的治理，特别是耕地土壤，是一种非常有价值的修复技术。不过目前常用的钝化方法各有利弊。同时，钝化剂施用过程往往会同时钝化土壤营养元素，致使土壤肥力降低。针对这情况，目前可在已有的原位钝化技术的基础上结合农艺调控等方式改变土壤物理化学性质，有望降低土壤重金属有效性，并进一步减少农作物对有害重金属的吸收。因此农艺调控方法及钝化剂的合理选择是解决农作物中重金属含量超标的问题关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低农作物有害重金属浓度的方法，降低农作物中的重金属浓度，避免食用时对人体造成危害。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供的一种降低农作物有害重金属浓度的方法，其包括以下步骤：将深耕后的污染土壤与钝化材料混匀，再对混合有钝化材料的污染土壤进行升温干燥处理。而后在升温干燥处理后的土壤上通过滴灌或空气喷雾的灌溉方式种植农作物，并不定时以的灌溉方式施加特殊配比的水溶肥。
本发明的降低农作物有害重金属浓度的方法成本低廉，操作简短，农作物重金属含量下降显著，土壤钝化效果明显，并能实现长效钝化，特别适用于旱地土壤的大棚种植，实际应用前景广阔，易于规模化操作。
具体实施方式
发明人发现现有的矿物材料类钝化剂对土壤中的有害重金属进行钝化时虽然具有一定的钝化能力，不过目前常用的钝化剂各有利弊并不能起到稳定高效钝化的效果。究其原因，一方面是钝化剂本身的属性的限制，另一方面是由钝化方法的缺陷所造成的。因此，开发一种有效的降低农作物有害重金属浓度的方法显得十分重要，以降低土壤中生物有效性高的重金属含量，减少农作物对有害重金属的吸收。对此，通过应用原位钝化技术并结合农艺措施调控，研发钝化与农艺阻隔的耦合技术，为我国旱地土壤的农作物安全生产提供保障。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施方式或实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施方式的降低农作物有害重金属浓度的方法进行具体说明。
本发明的一些实施方式提供的一种降低农作物有害重金属浓度的方法，其包括以下步骤：将深耕后的污染土壤与钝化材料混匀，再对混合有钝化材料的污染土壤进行升温干燥处理，在经过升温干燥处理的污染土壤上种植农作物，并在农作物根际进行局部灌溉，并不定时以局部灌溉的形式施加水溶肥。
在保证土壤肥效的同时，通过简单的深耕、混匀、干燥、局部灌溉即可实现降低农作物有害重金属含量的目标，特别适用于旱地农作物种植土壤，实际应用前景广阔，易于规模化操作。
根据一些实施方式，该污染土壤为旱地污染土壤，一些实施方式中，该降低农作物有害重金属浓度的方法主要针对镉污染的干旱土壤。
根据本发明的一些实施方式提供的一种降低农作物有害重金属浓度的方法，其具体包括以下步骤：
S1、将深耕后的污染土壤与钝化材料混匀。
在本发明的一些实施方式中，将深耕后的污染土壤与钝化材料混匀的步骤包括：
S1.1、将污染旱地土壤进行深耕处理。
根据一些实施方式，深耕污染土壤的深度为0.2～0.5m，优选0.2～0.4m，更优选0.2～0.3m。在对污染土壤进行重金属钝化操作时，进行处理的土壤的厚度是有一定要求的，以满足钝化后的土壤层能够适应农作物的生长，因此，其对上述范围的厚度的污染土壤进行深耕，可以使得土壤能够充分地与钝化材料混合，并且深耕后的土壤的透气性更好，更适合植物的生长。
S1.2、将钝化材料与深耕后的污染土壤均匀混合。
根据一些实施方式，钝化材料与污染土壤的混合可以采用人工或机械的方式进行混合，其目的是使得二者能够充分均匀地进行接触，进而能够钝化材料能够更加有效地对污染土壤进行作用。
根据一些实施方式，钝化材料的添加量为每亩地15～25Kg。
根据一些实施方式，钝化材料包括粘土矿物和碳酸盐矿物，其中，优选兼具钝化及保水效果的廉价粘土矿物和廉价的碳酸盐矿物。
本发明实施方式中的钝化材料的选择主要从两方面进行考虑，一方面钝化材料需具有较高的pH或具备持续耗酸的特点，以提高土壤体系的pH，降低重金属的有效性，以实现土壤钝化的目的，因此钝化材料中选择碳酸盐矿物以实现上述目的；另一方面钝化材料需具备保水的属性，避免因土壤体系pH提高所造成的微量元素的流失、土壤板结等现象，因此选择粘土矿物使其兼具保水性能以及低成本的优点。
根据一些实施方式，粘土矿物包括层状硅酸盐矿物，优选地，层状硅酸盐矿物包括蒙脱石、海泡石或高岭石中的至少一种，例如，粘土矿物为蒙脱石、海泡石或者高岭石，或者蒙脱石、海泡石和高岭石的混合物，其混合比例可以根据需求进行调整，例如2：1：1或3：1：1等，优选地，蒙脱石、海泡石和高岭石均为粉末状，使得其能够与污染土壤具有很好地接触面积。
根据一些实施方式，碳酸盐矿物包括菱镁矿粉末、白云石粉末、石灰石粉末、方解石粉末以及方镁矿粉末中的至少一种，例如，碳酸盐矿物可以为菱镁矿粉末、白云石粉末、方解石粉末以及方镁矿粉末中的一种，或菱镁矿粉末和白云石粉末混合物，或白云石粉末和方解石粉末的混合物，或方解石粉末和方镁矿粉的混合物，或菱镁矿粉末、白云石粉末和方解石粉末的混合物，或菱镁矿粉末、白云石粉末、方解石粉末和方镁矿粉末的混合物。
优选地，钝化材料按重量计包括蒙脱石10～20份、方解石20～30份、石灰石20～30份以及菱镁矿5～15份。
S2、将经过S1步骤处理后的土壤进行升温干燥处理。
由于钝化材料周围的pH相对较高同时通过升温脱水干燥处理后会使重金属离子更加吸附稳定，不容易受外界环境的影响，可起到稳定固定重金属的目的。
根据一些实施方式，进行升温干燥处理中的升温温度为30～100℃，干燥时间为4～7天，一些实施方式中，进行升温干燥处理的方式是通入升温气体干燥或持续暴晒，优选通入升温气体干燥，升温气体通过升温风机放出，其可以通过土壤的表面进行土壤内进行干燥，也可以通过将气体通入土壤内部进行升温干燥，以达到更佳的升温干燥效果和升温干燥效率。
S3、在经过S2步骤处理后的土壤上种植农作物，并在农作物根际进行局部灌溉，并不定时以局部灌溉的形式施加水溶肥。
根据一些实施方式，局部灌溉的方式采用滴灌和/或空气喷雾法，优选地，采用空气喷雾法。
局部灌溉是对种植的农作物根际土壤进行灌溉或直接将水施加于农作物上，其相比较于普通的漫灌来说，可以有效预防大面积的重金属活化，减少重金属对植物的毒害及吸收，降低对人类产生的环境风险。
其中，空气喷雾法可以实现茎、叶直接对水分的直接吸收，进而减少根部水分的运输，从而减少污染物经根部吸收扩散至整个植物体内的含量，有利于重金属污染的控制。
根据一些实施方式，根据灌溉方式的不同按重量计量施加水溶肥，其中通过空气喷雾法施加的水溶肥包括：硫酸镁3～4份、亚硒酸钠3～4份、硫酸铜2～3份、硫酸锰2～3份和硅酸钾3～4份；通过滴灌法施加的水溶肥包括：尿素2～3份、过磷酸钾5～6份和亚硒酸钠3～4份。将相应重量份的各组分混合均匀溶于水即可。
其中，滴灌法所用的水溶肥的磷含量均高于其他物质的量。其原因在于，磷可作为一种钝化重金属元素，可在土壤中较易形成稳定的配位体或磷酸盐沉淀，因此，其可以与污染土壤中的钝化材料进行配合，共同固定重金属，以实现进一步钝化。进一步的，应用于空气喷雾法中所配比的水溶肥添加了部分高价态的微量元素，其原因在于，在植物生长过程中，高价态的微量元素具有较强的竞争性，通过空气喷雾法可使高价态的微量元素直接被植物吸收，从而减少有害重金属在植物各个部分的富集。另一方面，这些元素也为植物的生长提供必要的营养元素。而对于滴灌法所配比的水溶肥来说，若添加微量元素会导致微量元素与有害重金属对磷酸盐的竞争，从而弱化了磷酸盐的钝化能力。
上述方法在施用钝化剂的基础上调控农艺措施来弥补现有钝化方法的缺陷，通过钝化与局部灌溉的农艺阻隔的相互耦合，实现了降低农作物中有害重金属的目标，为我国旱地土壤的农作物安全生产提供保障。
根据一些实施方式，上述的农作物为市场常见的农作物，该农作物可以为粮食作物、蔬菜作物或果类，一些实施方式中，农作物为白菜。
通过上述描述可知，本发明的实施方式提供的降低农作物有害重金属浓度的方法，相对于现有技术其具有的有益效果至少包括：
1、本方法成本低廉，操作简短，钝化效果明显，并能实现长效钝化。
2、本方法中采用的材料均不会对土壤产生二次污染，不会破坏土壤结构，修复后的土壤能够适应各种农作物的生长。在保证土壤肥效的同时，通过简单的深耕、混匀、干燥、局部灌溉即可实现降低农作物有害重金属含量的目标。特别适用于旱地农作物种植土壤，实际应用前景广阔，易于规模化操作。
3、本方法中采用的钝化原材料基本以廉价的矿物材料为主，其在地表广泛存在，无需通过化学方法制备，原料收集方便，节省人力物力。
4、本方法通过钝化与局部灌溉的农艺阻隔的相互耦合，实现了降低农作物中有害重金属的目标，为我国旱地土壤的农作物安全生产提供保障。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
1)土壤选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤，对土壤进行深耕，深耕深度为0.2m。
2)往土壤中施加钝化材料，钝化材料的使用量每亩20kg，通过耕地机械使得钝化材料与土壤充分混合均匀。
其中，钝化材料由如下重量份的物质组成：蒙脱石粉末15份，方解石粉末25份，石灰石粉末25份，菱镁矿粉末10份。
3)使用升温风机控制温度80℃对土壤进行干燥5天。
4)在经过步骤3)处理后的土壤上通过滴灌的方式灌溉种植小白菜，并不定时施加水溶肥。其中，水溶肥按重量份计包括：尿素2份、过磷酸钾5份和亚硒酸钠3份。
实施例2
1)土壤选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤，对土壤进行深耕，深耕深度为0.5m。
2)往土壤中施加钝化材料，钝化材料的使用量每亩25kg，通过耕地机械使得钝化材料与土壤充分混合均匀。
其中，钝化材料由如下重量份的物质组成：蒙脱石粉末15份，方解石粉末25份，石灰石粉末25份，菱镁矿粉末10份。
3)使用升温风机控制温度80℃对土壤进行干燥5天。
4)在经过步骤3)处理后的土壤上通过滴灌的方式灌溉种植小白菜，并不定时施加水溶肥。其中，水溶肥按重量份计包括：尿素2份、过磷酸钾5.5份和亚硒酸钠3份。
实施例3
1)土壤选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤，对土壤进行深耕，深耕深度为0.4m。
2)往土壤中施加钝化材料，钝化材料的使用量每亩18kg，通过耕地机械使得钝化材料与土壤充分混合均匀。
其中，钝化材料由如下重量份的物质组成：高岭石粉末15份，方解石粉末25份，白云石粉末25份，菱镁矿粉末15份。
3)使用升温风机控制温度60℃对土壤进行干燥7天。
4)在经过步骤3)处理后的土壤上通过滴灌的方式灌溉种植小白菜，并不定时施加水溶肥。其中，水溶肥按重量份计包括：尿素2份、过磷酸钾6份和亚硒酸钠3份。
实施例4
1)土壤选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤，对土壤进行深耕，深耕深度为0.2m。
2)往土壤中施加钝化材料，钝化材料的使用量每亩20kg，通过耕地机械使得钝化材料与土壤充分混合均匀。
其中，钝化材料由如下重量份的物质组成：蒙脱石粉末15份，方解石粉末25份，石灰石粉末25份，菱镁矿粉末10份。
3)使用升温风机控制温度80℃对土壤进行干燥5天。
4)在经过步骤3)处理后的土壤上通过空气喷雾法的方式灌溉种植小白菜，并不定时施加水溶肥。其中，水溶肥按重量份计包括：硫酸镁4份，亚硒酸钠3份，硫酸铜2份，硫酸锰2份和硅酸钾4份。
实施例5
1)土壤选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤，对土壤进行深耕，深耕深度为0.3m。
2)往土壤中施加钝化材料，钝化材料的使用量每亩16kg，通过耕地机械使得钝化材料与土壤充分混合均匀。
其中，钝化材料由如下重量份的物质组成：高岭石粉末15份，蒙脱石粉末10份，方解石粉末25份，白云石粉末25份，菱镁矿粉末15份。
3)使用升温风机控制温度70℃对土壤进行干燥6天。
4)在经过步骤3)处理后的土壤上通过空气喷雾法的方式灌溉种植小白菜，并不定时施加水溶肥。其中，水溶肥按重量份计包括：硫酸镁3份，亚硒酸钠4.5份，硫酸铜2份，硫酸锰3份和硅酸钾3份。
实施例6
1)土壤选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤，对土壤进行深耕，深耕深度为0.4m。
2)往土壤中施加钝化材料，钝化材料的使用量每亩15kg，通过耕地机械使得钝化材料与土壤充分混合均匀。
其中，钝化材料由如下重量份的物质组成：高岭石粉末15份，菱镁矿粉末15份。
3)使用升温风机控制温度65℃对土壤进行干燥4天。
4)在经过步骤3)处理后的土壤上通过空气喷雾法的方式灌溉种植小白菜，并不定时施加水溶肥。其中，水溶肥按重量份计包括：硫酸镁3份，亚硒酸钠4份，硫酸铜2份，硫酸锰3份和硅酸钾3份。
对比例
对选自北方旱地偏碱性镉污染大棚土壤进行深耕，深耕深度为0.3m，直接在该土壤上种植小白菜。
试验例
测量实施例1-6以及对比例成熟后的小白菜中测量镉的浓度，其测量方法参照GB/T5009.15-2003，并分别将实施例1-6中的镉浓度与对比例中的镉浓度进行对比，经对比发现实施例1～3种植出的小白菜中镉的浓度明显低于原始土壤种植的小白菜镉浓度，浓度下降率达40％～80％，实施例4～6种植出来的小白菜中镉的浓度也明显低于原始土壤种植的小白菜镉浓度，浓度下降率达50％～85％。
综上所述，本发明实施方式提供的降低农作物有害重金属浓度的方法成本低廉，操作简短，农作物重金属含量下降显著，土壤钝化效果明显，并能实现长效钝化。并且采用钝化原材料基本以廉价的矿物材料为主，其在地表广泛存在，无需通过化学制备合成，原料收集方便，无需使用过多的人力物力，不会对土壤产生二次污染，不会破坏土壤结构。在保证土壤肥效的同时，通过简单的深耕、混匀、干燥、局部灌溉即可实现降低农作物有害重金属含量的目标。特别适用于旱地农作物种植土壤，实际应用前景广阔，易于规模化操作。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
将深耕后的污染土壤与钝化材料混匀，再对混合有所述钝化材料的所述污染土壤进行升温干燥处理；
所述降低农作物有害重金属浓度的方法还包括在经过升温干燥处理的所述污染土壤上种植农作物，并在所述农作物根际进行局部灌溉，并不定时施加水溶肥；
根据灌溉方式的不同按重量计量施加水溶肥，其中通过空气喷雾法施加的水溶肥包括：硫酸镁3～4份、亚硒酸钠3～4份、硫酸铜2～3份、硫酸锰2～3份和硅酸钾3～4份；通过滴灌法施加的水溶肥包括：尿素2～3份、过磷酸钾5～6份和亚硒酸钠3～4份。
2.根据权利要求1所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，灌溉方式采用滴灌和/或空气喷雾法。
3.根据权利要求1所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，所述农作物为粮食作物、蔬菜作物或果类。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，所述钝化材料包括粘土矿物和碳酸盐矿物。
5.根据权利要求4所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，所述粘土矿物包括层状硅酸盐矿物，所述层状硅酸盐矿物包括蒙脱石、海泡石和高岭石中的至少一种；所述碳酸盐矿物包括菱镁矿粉末、白云石粉末、石灰石粉末、方解石粉末以及方镁矿粉末中的至少一种。
6.根据权利要求1～3任意一项所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，深耕所述污染土壤的深度为0.2～0.5m。
7.根据权利要求1～3任意一项所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，进行升温干燥处理的温度为30～100℃。
8.根据权利要求1～3任意一项所述的降低农作物有害重金属浓度的方法，其特征在于，进行升温干燥处理的方式是通入升温气体干燥或持续暴晒，当通入升温气体干燥时，干燥时间为4～7天。
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