CN108856282B - 一种重金属污染农田土壤的复合修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种重金属污染农田土壤的复合修复方法，具体步骤如下：1）耕地前撒施重金属钝化剂，翻耕均匀；2）春夏季种植大豆，收获后回收大豆秸秆；3）撒施重金属钝化剂，翻耕均匀；4）秋冬季种植油菜，收获后回收油菜秸秆。本发明通过大豆和油菜的轮作联合种植，重金属钝化剂对重金属的钝化，降低土壤中重金属对农作物的胁迫同时可持续吸收重金属，提高复合修复的效率，为重金属污染农田土壤修复提供一种易于实施、环保节约的复合修复方法。

Description

一种重金属污染农田土壤的复合修复方法

技术领域

本发明涉及重金属污染农田修复技术领域，具体来说，涉及一种重金属污染农田土壤的复合修复方法。

背景技术

土壤是人类赖以生存的主要物质基础。随着工业化、城市化进程不断加快，土壤重金属污染日益严重，其中镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、汞(Hg)、砷(As)、镍(Ni)等是较常见的重金属污染。全世界平均每年排放Pb500万吨，Cu340万吨，Hg约1.5万吨，Mn1500万吨，Ni100万吨，这严重污染了环境。在我国，受重金属污染的农田土壤约2500万公顷，每年受重金属污染的粮食高达1200万吨，造成的直接经济损失超过100亿元。

土壤重金属污染治理和恢复的难度大，并可经食物链层层富集传播直到人，严重影响人类健康。一旦重金属的消纳容量达到饱和，就会成为农业生产中的“定时炸弹”。重金属污染土壤修复现已成为世界性的难题。为实现可持续发展，改善人类生活，有效地去除土壤中重金属就成为当前一个十分迫切的任务。

现在重金属污染土壤的修复主要有工程治理修复、物理化学修复、化学修复、农业修复及生物修复五种方法。前四种方法是比较传统的治理方法，虽然在实际应用中取得了一定成效，但存在人力与财力耗费大，实施复杂、治理费用高、易引起土壤肥力降低等缺陷，不利于大规模的推广应用。

近年来生物修复技术治理土壤重金属污染成为主流，生物修复包括动物修复、植物修复和微生物修复。植物修复技术是一项既经济又环保的土壤重金属污染修复技术，富集植物应同时具备以下几个基本特征：植物吸收的重金属大部分分布在地上部，即具有较高的地上部/根浓度比率；体内某一元素浓度大于一定的临界值；在重金属污染土壤上能正常生长，不会出现重金属毒害现象。土壤中的重金属形态主要为有效态、弱酸提取态、有机结合态、铁锰氧化态与残渣态，当植物根际分泌各类有机酸等活性物质时，或者微生物活动产酸、降解有机质等，重金属缓慢释放，被植物吸收，但植物不会因重金属含量过高而受到伤害。

由于重金属污染农田土壤的修复难度大，设法降低污染土壤修复难度对污染农田土壤修复具有重要意义。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种重金属污染农田土壤的复合修复方法，通过大豆和油菜的轮作联合种植，重金属钝化剂对重金属的钝化，降低土壤中重金属对农作物的胁迫同时可持续吸收重金属，提高复合修复的效率，为重金属污染农田土壤修复提供一种易于实施、环保节约的复合修复方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供一种重金属污染农田土壤的复合修复方法，具体步骤如下：

1)耕地前撒施重金属钝化剂，翻耕均匀；

2)春夏季种植大豆，收获后回收大豆秸秆；

3)撒施重金属钝化剂，翻耕均匀；

4)秋冬季种植油菜，收获后回收油菜秸秆。

进一步地，所述重金属钝化剂由以下组分构成：草木灰、秸秆生物炭、碳酸钙和腐殖酸，它们之间的质量比为0.5-2∶1-4∶3-7∶1-4。

进一步地，所述重金属钝化剂的制备过程如下：将草木灰、秸秆生物炭、碳酸钙和腐殖酸均匀混合制得。

更进一步地，所述草木灰中K₂O含量≥5％。

更进一步地，所述碳酸钙中碳酸钙含量≥90％；

更进一步地，所述腐殖酸中腐殖酸含量≥50％；

进一步地，所述步骤1)中重金属钝化剂的用量为50-200kg/亩。

进一步地，所述翻耕的深度为10-30cm。

进一步地，所述步骤3)中重金属钝化剂的用量为50-200kg/亩。

进一步地，所述重金属污染农田土壤中的重金属包括铅、镉等。优选地，所述重金属污染农田土壤为重度重金属污染类型。

更进一步地，所述重金属污染农田土壤的复合修复方法，检测重金属污染农田土壤中的重金属污染降至中轻度重金属污染类型后，采用如下联合修复方法：

a)耕地前撒施重金属活化剂，翻耕均匀；

b)春夏季种植大豆，收获后回收大豆秸秆；

c)撒施重金属活化剂，翻耕均匀；

d)秋冬季种植油菜，收获后回收油菜秸秆；

具体地，所述重金属活化剂的制备过程如下：

(i)秸秆粉碎过筛，加入碱性溶液中，加热反应，完毕后过滤，取滤渣，用水冲洗至洗脱液呈中性，烘干得去木质素秸秆；

(ii)向去木质素秸秆中添加尿素，进行堆肥发酵，发酵腐熟后添加菜粕，添加功能菌剂，进行二次发酵，结束后即得秸秆生物有机肥；

(iii)向秸秆生物有机肥中添加有机酸混匀，制得重金属活化剂。

具体地，所述碱性溶液为NaOH溶液，其浓度为1％-10％。

更具体地，所述秸秆与NaOH溶液的重量比为1∶5-20。

具体地，所述加热的温度为80～120℃，加热的时间为5～60min。

具体地，所述烘干的温度为50～120℃。

具体地，所述尿素的用量为去木质素秸秆重量的1％～10％。

具体地，步骤(ii)中所述发酵的时间为≥10d。

具体地，所述菜粕的用量为去木质素秸秆重量的1％-5％。

具体地，所述功能菌剂的用量为使堆体菌体浓度达到0.05亿cfu/g～0.2亿cfu/g。

具体地，所述功能菌剂包括芽孢杆菌、假单胞杆菌、欧文氏菌、固氮菌、根瘤菌、青霉菌、曲霉菌、根霉菌等解磷菌中的一种或多种。若是多种解磷菌混合的话，它们之间的比例为任意比例混合。

具体地，所述有机酸的用量为有机肥重量的1～10％。

具体地，步骤(iii)中所述二次发酵的时间为7～15d。

具体地，所述有机酸为草酸、柠檬酸、黄腐酸、EDTA等小分子有机酸中的一种或多种。

具体地，本发明所述秸秆为水稻秸秆。

本发明采用重金属高积累品种-大豆和油菜的轮作种植，可持续对重金属污染的土壤进行修复，由于二者均能对镉起到吸收和富集作用，且在该复合修复方法中，将植物的地上部分，即大豆秸秆和油菜秸秆，回收，可实现将富集浓缩的土壤中的重金属离子从环境中去除，避免再次回到环境或土壤中，实现真正的修复农田土壤。大豆种植后，由于大豆作物根系与固氮菌存在的良好的互利共生关系是的土壤中存留大量的N，可满足油菜的生长需求。由于大豆和油菜的农产品主要是大豆和菜籽，且二者主要用于食用油或工业用油，重金属在进入植物体内后主要与蛋白质结合，因此，本发明的修复方法所获得的农产品中的重金属含量少，不影响生产收益，降低修复成本。

在大豆和油菜的轮作种植前，撒施重金属钝化剂，其中的腐殖酸能有效吸附和络合土壤中的有效态重金属，降低土壤中重金属的活性，也能调理和改善土壤的理化性质，促进超富集植物大豆和油菜的生长，提高重金属的富集修复效果；其中的草木灰、秸秆生物炭、碳酸钙作为碱性的肥料，可降低金属离子的有效态；秸秆生物炭的多孔结构，使得其具有较大的比表面积及表面活性基团，使其离子交换能力强，吸附重金属效果更好；草木灰中有效成分碳酸钾和腐殖酸盐可使土壤具有修复长效性；重金属钝化剂不仅可使土壤变肥沃，还能促使板结土壤疏松通气，施入后孔隙率增加，土壤疏松透气性好。

本发明通过对农田土壤的原位修复，可有效改善土壤中的重金属含量，降低植物的重金属食用风险，改善土壤结构，促进植物生长。

进一步采用联合修复方法，本发明的联合修复方法通过大豆和油菜的轮作联合种植，重金属活化剂对重金属的活化，尽可能的将土壤中重金属转化为有效态实现可持续吸收重金属，提高联合修复的效率。

本发明的有益效果：

本发明提供一种重金属污染农田土壤的复合修复方法，通过在重金属重度污染的农田土壤中实行大豆、油菜轮作的方式，联合重金属钝化剂的使用，可获得复合生产所需的食用油或工业用油，既能创造经济价值，有可修复重金属重度污染的农田土壤，符合国家休耕复壮地力的要求。

大豆和油菜的高富集作用、重金属钝化剂的鳌合作用，不仅可以将有效态重金属钝化为弱酸提取态和有机结合态，降低其有效性，且植物根系分泌的各类有机酸等活性物质，降低重金属释放的速度。重金属被植物吸收后进入大豆和菜籽中的含量少，使得获得的油料完全可以用于食用或工业生产。

本发明的复合修复方法不仅能够降低土壤中镉含量，又能增加土地收益，还能避免植物吸收的重金属进入食物链。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

重金属钝化剂制作方法：

将草木灰、秸秆生物炭、碳酸钙、腐殖酸以质量比0.5-2∶1-4∶3-7∶1-4均匀混合即得。

实施例1

(1)重金属污染的农田土壤在耕地前10天，每亩撒施50-200kg的重金属钝化剂，翻耕混匀，翻地深度约10-30cm；

(2)选取优质大豆中豆41种子，于春季种植大豆，播种量＜＝1g/m³；大豆生长过程正常管理；夏季收获大豆后，大豆秸秆回收；

(3)大豆收获后的农田土壤在耕地前，每亩撒施50-200kg的重金属钝化剂，翻耕混匀，翻地深度约10-30cm；

(4)选取耐抽苔、颗粒饱满、无病虫害的油菜核杂9号种子，于秋季播种，播种量＜＝0.5g/m³；油菜生长过程正常管理；收获油菜后，油菜秸秆回收。

(5)按(1)-(4)的种植方式循环种植两年后进行检测。

取实施例1提供的重金属污染农田土壤联合修复方法进行试验。

1、试验地点：湖南省长沙县北山乡荣合桥村。

2、试验时间：2015年5月～2017年5月。

3、田间试验设计：选取大小相近，水系互不影响的田块进行试验。试验设6个处理，分别为：(1)试验处理1：翻耕前10天施用重金属钝化剂50kg/亩，轮作大豆、油菜；(2)试验处理2：翻耕前10天施用重金属钝化剂100kg/亩，轮作大豆、油菜；(3)试验处理3：翻耕前10天施用重金属钝化剂150kg/亩，轮作大豆、油菜。(4)试验处理4：翻耕前10天施用重金属钝化剂200kg/亩，轮作大豆、油菜。

4、试验结果

取实施例1提供的重金属污染农田土壤联合修复方法进行试验，结果见表1、表2。

表1实施例1修复方法对土壤全镉含量的影响

表2实施例1修复方法对食用油全镉含量的影响

由表1、表2所示的实验结果可知，本发明提供的修复方法可以有效地去除土壤中的重金属，且所生产的食用油中重金属含量在安全范围内。本发明的方法可钝化土壤中的重金属，降低重金属对农作物的胁迫，实现作物持续吸收重金属同时保证食用油或工业用油的安全，有效去除土壤中的重金属。可以预见，通过运用本发明的复合修复方法，可使重度重金属污染的农田土壤降至中轻度重金属污染。

另外，通过本实验还可知，以每亩污染土壤中添加50～200kg本发明所述的重金属钝化剂为宜；优选地，每亩污染土壤中添加150kg所述重金属钝化剂。

实施例2

重金属活化剂制作方法：

(1)水稻秸秆粉碎过20目筛，以1：10的重量比加入4％的NaOH溶液中，100℃加热30min，过滤，取滤渣，用水冲洗至中性，105℃烘干得去木质素秸秆。

(2)向去木质素秸秆中添加5％去木质素秸秆重量的尿素，进行堆肥发酵至腐熟，发酵腐熟后添加2％去木质素秸秆重量的菜粕，添加具有解磷功能的芽孢杆菌、根霉、曲霉使堆体菌体浓度达0.1亿cfu/g，进行二次发酵10d，结束后即得秸秆生物有机肥。

(3)向秸秆生物有机肥中添加5％有机肥重量的草酸混匀，制得重金属活化剂。

经过实施例1的复合修复后，重度重金属污染土壤降至中轻度重金属污染土壤时，采用如下的联合修复方法：

(1)重金属污染的农田土壤在耕地前10天，每亩撒施150kg的重金属活化剂，翻耕混匀，翻地深度约20cm；

(2)选取优质大豆中豆41种子，于春季种植大豆，播种量＜＝1g/m³；大豆生长过程正常管理；夏季收获大豆后，大豆秸秆回收；

(3)大豆收获后的农田土壤在耕地前，每亩撒施150kg的重金属活化剂，翻耕混匀，翻地深度约200cm；

(4)选取耐抽苔、颗粒饱满、无病虫害的油菜核杂9号种子，于秋季播种，播种量＜＝0.5g/m³；油菜生长过程正常管理；收获油菜后，油菜秸秆回收。

(5)按(1)-(4)的种植方式循环种植两年后进行检测。

表3联合修复方法对土壤全镉含量的影响

表4应用联合修复方法对食用油全镉含量的影响

由表3、表4所示的实验结果可知，本发明提供的修复方法可以有效地去除中轻度重金属污染土壤中的重金属，且所生产的食用油中重金属含量在安全范围内。本发明的方法可活化土壤中的重金属，实现作物持续吸收重金属同时保证尽可能的吸附土壤中的重金属离子，也能保证食用油或工业用油的安全，有效去除土壤中的重金属。可以预见，通过运用本发明的复合修复方法+联合修复方法，可使重度重金属污染的农田土壤中的重金属含量降至自然背景含量以下，甚至复耕。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)耕地前撒施重金属钝化剂，翻耕均匀；

2)春夏季种植大豆，收获后回收大豆秸秆；

3)撒施重金属钝化剂，翻耕均匀；

4)秋冬季种植油菜，收获后回收油菜秸秆；

所述重金属钝化剂的制备过程如下：将草木灰、秸秆生物炭、碳酸钙和腐殖酸均匀混合制得。

2.根据权利要求1所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述重金属钝化剂由以下组分构成：草木灰、秸秆生物炭、碳酸钙和腐殖酸，它们之间的质量比为0.5-2：1-4：3-7：1-4。

3.根据权利要求2所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述草木灰中K₂O含量≥5％。

4.根据权利要求2所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述碳酸钙中碳酸钙含量≥90％。

5.根据权利要求2所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述腐殖酸中腐殖酸含量≥50％。

6.根据权利要求1所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述步骤1)中重金属钝化剂的用量为50-200kg/亩。

7.根据权利要求1所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述翻耕的深度为10-30cm。

8.根据权利要求1所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述步骤3)中重金属钝化剂的用量为50-200kg/亩。

9.根据权利要求1所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，所述重金属污染农田土壤中的重金属包括铅或镉。

10.根据权利要求1所述的重金属污染农田土壤的复合修复方法，其特征在于，

所述重金属污染农田土壤的复合修复方法，检测重金属污染农田土壤中的重金属污染降至中轻度重金属污染类型后，采用如下联合修复方法：

a)耕地前撒施重金属活化剂，翻耕均匀；

b)春夏季种植大豆，收获后回收大豆秸秆；

c)撒施重金属活化剂，翻耕均匀；

d)秋冬季种植油菜，收获后回收油菜秸秆；

具体地，所述重金属活化剂的制备过程如下：

(i)秸秆粉碎过筛，加入碱性溶液中，加热反应，完毕后过滤，取滤渣，用水冲洗至洗脱液呈中性，烘干得去木质素秸秆；

(ii)向去木质素秸秆中添加尿素，进行堆肥发酵，发酵腐熟后添加菜粕，添加功能菌剂，进行二次发酵，结束后即得秸秆生物有机肥；

(iii)向秸秆生物有机肥中添加有机酸混匀，制得重金属活化剂。