CN110026417A - 一种重金属污染耕地的修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种重金属污染耕地的修复方法，该方法先将重金属改良剂与土壤深耕混合均匀，对土壤进行改良，然后再对土壤进行培肥。本发明提供的方法可以显著降低土壤中重金属的有效性，减少重金属对产品质量的影响，采用种植绿肥或施加有机肥的方式可以提高土壤肥力，增加作物的产量和品质。

Description

一种重金属污染耕地的修复方法
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种重金属污染耕地的修复方法。
背景技术
近30年来，随着社会经济的高速发展和高强度的人类活动，我国因污染退化的土壤数量日益增加，范围不断扩大，土壤质量恶化加剧。据全国土壤污染状况调查结果显示，耕地土壤点位超标率达到19.4％，其中，轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7％、2.8％、1.8％和1.1％，耕地污染面积达到1.5亿亩，占我国总耕地面积的7.4％，造成减产等直接经济损失超过100亿元，且每年受重金属污染的粮食高达1200万吨，重金属经食物链层层富集，可传递至人类体内，严重影响人类健康。此外，我国农田土壤因化肥的过量施用、作物种植结构不合理等原因，使得我国农田存在肥力降低、土壤板结等问题。因此，污染耕地的治理和合理使用成为保证我国粮食和生态安全的重要策略。
中国专利文献CN107597840A，公开了一种对砷镉重金属污染土壤强化超富集植物修复技术，该技术包括，先将待修复的重金属污染土壤上层与稳定剂搅拌均匀后加水浇灌，在自然条件下氧化；然后再在经过稳定剂处理以及养护的土壤中种植香根草进行生态修复；其中，所用的稳定剂包括石灰石、海泡石、磷酸二氢钙、腐殖酸、沸石、膨润土等，在种植香根草前先施用有机物作为基肥；该专利先施用稳定剂目的在于降低植物对镉砷两种重金属的利用率，而后种植香根草，目的在于种植超富集植物，对镉砷进行富集，但是施用稳定剂后会降低香根草对镉砷的富集，使香根草由超富集植物转变为非超富集植物，因此，该专利施用稳定剂与种植香根草富集镉砷重金属存在拮抗作用，使土壤修复效果不明显。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中重金属污染土壤修复治理效果不明显、作物产量和品质较差、土壤肥力较差等缺陷，从而提供一种重金属污染耕地的修复方法。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种重金属污染耕地的修复方法，包括以下步骤，
(1)将重金属改良剂与污染土壤深耕混合均匀后灌溉，进行养护，养护时间为25-35天，其中，所述重金属改良剂与土壤中干土的质量比为(0.1-1.5):100，所述深耕的深度不大于60cm；
(2)培肥提高土壤肥力。
所述培肥步骤为，种植绿肥，当所述绿肥生长至盛花期时，将其机械粉碎后翻压还田对土壤进行培肥；所述绿肥的播种量为7-200kg/hm2；所述绿肥的播种方式包括撒播或条播；所述条播的间距为15-30cm。
所述培肥步骤为，采用施加有机肥的方式对土壤进行培肥，所述有机肥的用量为0.5-25t/hm2，施加方式包括沟施法。
进一步地，所述步骤(1)中，在重金属改良剂与土壤混合之前，还包括对土壤进行重金属有效态含量的检测以确定改良剂种类和用量的步骤；具体地，采用浸提剂浸提-电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中重金属有效态含量，其中，阳离子重金属浸提剂的选择与土壤类型有关，南方酸性土壤采用0.1mol/L CaCl2、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)或HCl，北方碱性土壤采用0.1mol/L CaCl2或0.005mol/L DTPA，中性盐基土壤采用0.1mol/L CaCl2或1mol/L NH4OAC；当重金属为砷时，浸提剂的选择与土壤类型无关，浸提剂为0.5mol/LNaH2PO4。
所述重金属为铅时，改良剂包括生物炭、磷酸盐中的至少一种；
所述重金属为镉时，改良剂包括生物炭、海泡石、凹凸棒土中的至少一种；
所述重金属为砷时，改良剂包括硫酸亚铁、铁系或锰系改性生物炭改良剂；
所述重金属为铬时，改良剂包括零价铁或亚铁类改良剂；
所述重金属为汞时，改良剂包括硫化物类改良剂。
所述改良剂的种类和用量根据土壤pH值与重金属有效态含量确定。
进一步地，所述步骤(2)中，在培肥前，还包括对养护后的土壤进行检测的步骤；检测后，若重金属含量不大于室内试验和中试试验中重金属有效态含量的1.05倍，则进行土壤培肥步骤，若重金属含量超过室内试验和中试试验中重金属有效态含量的1.05倍，则采用继续添加所述重金属改良剂或延长养护时间的方法进行进一步改良，直至土壤中重金属含量达到要求；
在本发明中，所述室内试验的每个试验处理土壤的质量为1.5-2.5kg；所述中试试验为50-230m2的田间试验区。
所述绿肥品种包括二月兰、冬油菜、黑麦草、毛叶苕子、光叶苕子、草木犀、紫云英、蚕豆、箭舌豌豆、小黑麦、大麦、肥田萝卜、黄豆、三叶草、甜玉米、苏丹草、高粱草、长武怀豆、绿豆或太阳麻等；
其中，冬季种植的绿肥品种包括二月兰、冬油菜、黑麦草、毛叶苕子、光叶苕子、草木犀、紫云英、蚕豆、箭舌豌豆、小黑麦、大麦、肥田萝卜等；夏季种植的绿肥品种包括黄豆、三叶草、甜玉米、苏丹草、高粱草、长武怀豆、绿豆、太阳麻等；
所述有机肥包括鸡粪堆肥、猪粪堆肥、污泥堆肥或生物有机肥等。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的重金属污染耕地的修复方法，该方法采用先对土壤进行改良，然后再对土壤进行培肥的方式可以显著降低土壤中重金属的有效性，减少重金属对产品质量的影响，采用种植绿肥或施加有机肥的方式可以提高土壤肥力，增加作物的产量和品质；本专利提供的土壤修复方法具有普遍适用性。
此外，本发明通过对深耕、养护时间、改良剂与土壤中干土比例等进行控制可以降低重金属生物有效性，改善土壤物理性状，增加土壤有效养分，维持土壤养分平衡，提高土壤生物和理化特性，优化土壤微生物群落的结构组成等；控制重金属改良剂和土壤中干土的比例可以使改良剂与土壤能较好的混匀，避免过多的投入改良剂对土壤理化性质造成不良影响，同时可以控制土壤修复的成本。
2.本发明提供的重金属污染耕地的修复方法，根据土壤样品的检测结果，调整改良剂的种类，选择合理，提高针对性；根据土壤培肥的检测结果，调整作物的种植结构，选择栽培适宜的作物，实现污染土壤的增值化利用，达到污染土壤的治理-培肥-增值化利用的综合效益，实现污染土壤的有效治理和高效利用。
种植绿肥培肥时，通过设置播种密度，可以确保获得最大生物量的绿肥植物，改善土壤的物理结构和土壤微生物群落结构、提高土壤有效养分等性能。
本发明通过对绿肥的品种进行选择，可以在不同的季节种植绿肥，提高土壤的使用效率，且该绿肥品种可在全国各地播种。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
在以下实施例中，土壤pH采用土水比1:2.5法测定；有机质采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定；总氮采用凯氏法(HJ717-2014)测定；速效氮(速效氮包括氨氮和硝酸盐氮)采用氯化钾溶液提取-分光光度法(HJ635-2012)测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法(HJ704-2014)测定；有效钾采用醋酸铵浸提-原子吸收分光光度计法测定。
实施例1
本实施例提供了一种镉污染土壤的修复方法，具体包括以下步骤，
本实施例中待修复的镉污染土壤为河北某地镉污染农田土壤，土壤pH值为8.41，该土壤中有机质为5.35g/kg、总氮为0.32g/kg、速效氮为8.8mg/kg、有效钾为59.3mg/kg、有效磷为12.6mg/kg、镉有效态含量为0.87mg/kg；
确定改良剂种类和用量：取上述河北某地镉污染农田土壤样品，自然风干后磨细、过100目筛，采用浸提剂浸提-电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中镉有效态含量，其中，浸提剂为0.005mol/L DTPA；在实验室内将生物炭改良剂与上述河北某地镉污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，海泡石改良剂与上述河北某地镉污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，凹凸棒土改良剂与上述河北某地镉污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，生物炭与海泡石复配的改良剂与上述河北某地镉污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，然后调整土壤含水量至田间最大持水量的75％，再对土壤进行养护，养护30天后，采集上述20种养护后的土壤样品，对其进行测试，从测试结果中可知，当海泡石与土壤中干土的质量比为0.5:100时，土壤中有效态镉的浓度最低，为0.3mg/kg；然后在200m2的田间小区进行中试试验，从试验结果中可知，当改良剂为海泡石，与土壤中干土质量比为为0.5:100时，土壤中有效态镉浓度最低，最低为0.29mg/kg，中试试验与室内试验结果基本一致，因此确定海泡石作为改良剂，改良剂与土壤中干土的质量比为0.5:100；
污染土壤的修复方法：(1)将海泡石与土壤进行深耕，深耕的深度为60cm、海泡石与土壤中干土的质量比为0.5:100，将其混匀后灌溉，覆上农用地膜进行养护，养护时间30天；养护结束后，采用蛇形法采集土壤样品，待样品风干后测得土壤pH值为8.50，镉有效态含量为0.28mg/kg，此时土壤中镉有效态含量与前述室内试验、中试试验镉有效态含量基本一致，可以进行培肥步骤；(2)种植绿肥二月兰，在其长至盛花期时，将新鲜的二月兰机械粉碎至3-5cm后翻压还田进行培肥，培肥时间60天，其中，二月兰的播种方式为撒播，播种量为22.5kg/hm2；
修复后对土壤肥力进行检测：培肥结束后，采用蛇形法采集土壤样品，自然风干后磨细过筛，进行养分指标的测试，测得pH值为8.3、有机质为5.8g/kg、总氮为0.4g/kg、速效氮为10.8mg/kg、有效钾为73.0mg/kg、有效磷为15.3mg/kg，根据以上养分指标结果，后期进行甜玉米的种植。
需要说明的是，在本实施例确定改良剂种类和用量部分，中试试验与室内试验结果基本一致是指两种试验中得到的土壤中有效态镉浓度最低值的差值不大于0.05mg/kg。在污染土壤修复方法部分，养护节后土壤中镉有效态含量与前述室内试验、中试试验镉有效态含量基本一致，是指养护结束后土壤中镉有效态含量不大于室内试验和中试试验中镉有效态含量最低值中较大者的1.05倍。
实施例2
本实施例提供了一种铅污染土壤的修复方法，具体包括以下步骤，
本实施例中待修复的铅污染土壤为陕西某地铅污染农田土壤，土壤pH值为7.98，该土壤中有机质为12.0g/kg、总氮为0.7g/kg、速效氮为12.82mg/kg、有效钾为105mg/kg、有效磷为10.2mg/kg、铅有效态含量为2.89mg/kg；
确定改良剂种类和用量：取上述陕西某地铅污染农田土壤样品，自然风干后磨细、过100目筛，采用浸提剂浸提-电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中铅有效态含量，其中，浸提剂为0.005mol/L DTPA；在实验室内将生物炭改良剂与上述陕西某地铅污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，羟基磷灰石改良剂与上述陕西某地铅污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，磷酸二氢铵改良剂与上述陕西某地铅污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，然后调整土壤含水量至田间最大持水量的75％，再对土壤进行养护，养护30天后，采集上述20种养护后的土壤样品，对其进行测试，从测试结果中可知，当生物炭与土壤中干土的质量比为1:100时，土壤中有效态Pb浓度最低，为0.65mg/kg；然后在200m2的田间小区进行中试试验，从试验结果中可知，当改良剂为生物炭，与土壤中干土质量比为1:100时，土壤中有效态Pb浓度最低，最低为0.64mg/kg，中试试验与室内试验结果基本一致，因此确定生物炭作为改良剂，改良剂与土壤中干土的质量比为1:100；
污染土壤的修复方法：(1)将生物炭与土壤进行深耕，深耕的深度为40cm，生物炭与土壤中干土质量比为1:100，将其混匀后灌溉，覆上农用地膜进行养护，养护时间30天；养护结束后，采用蛇形法采集土壤样品，待样品风干后检测土壤的pH值为8.10，Pb有效态含量为0.58mg/kg，此时土壤中铅有效态含量与前述室内试验、中试试验铅有效态含量基本一致，可以进行培肥步骤；(2)随后施加有机肥，选择腐熟后的鸡粪进行培肥，培肥时间60天，有机肥的用量为6.0t/hm2，施加方式为沟施；
修复后对土壤肥力进行检测：培肥结束后，采用蛇形法采集土壤样品，自然风干后磨细过筛，进行养分指标的测试，测得pH值为8.0、有机质为13.25g/kg、总氮为0.91g/kg、速效氮为16.89mg/kg、有效钾为138.0mg/kg、有效磷为13.2mg/kg，根据以上养分指标结果，后期进行樱桃番茄的种植。
需说明的是，在本实施例确定改良剂种类和用量部分，中试试验与室内试验结果基本一致是指两种试验中得到的土壤中有效态铅浓度最低值的差值不大于0.05mg/kg。在污染土壤的修复方法部分，养护结束后土壤中铅有效态含量与前述室内试验、中试试验铅有效态含量基本一致，是指养护结束后土壤中铅有效态含量不大于室内试验和中试试验中铅有效态含量最低值中较大者的1.05倍。
实施例3
本实施例提供了一种砷污染土壤的修复方法，具体包括以下步骤，
本实施例中待修复的砷污染土壤为湖南某地砷污染稻田土壤，土壤pH值为5.64，该土壤中有机质为34.5g/kg、总氮为1.4g/kg、速效氮为15.5mg/kg、有效钾为75.1mg/kg、有效磷为42.1mg/kg，砷有效态含量2.13mg/kg；
确定改良剂种类和用量：取上述湖南某地砷污染农田土壤样品，自然风干后磨细、过100目筛，采用浸提剂浸提-电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中砷有效态含量，其中，浸提剂为0.5mol/L NaH2PO4；在实验室内将FeSO4改良剂与上述湖南某地砷污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，铁改性生物炭改良剂与上述湖南某地砷污染农田土壤样品依次按照改良剂与土壤中干土质量比为0.1:100、0.2:100、0.5:100、1.0:100和1.5:100的比例混合均匀(每个处理土壤的质量为2kg)，然后将土壤含水量调整至田间最大持水量的75％后进行养护，养护时间35天，采集上述20种养护后的土壤样品，对其进行测试，从测试结果中可知，当铁改性生物炭与土壤中干土的质量比为1:100时，土壤中有效态砷浓度最低，为0.18mg/kg；然后在210m2的田间小区进行中试试验，从试验结果中可知，当改良剂为铁改性生物炭，与土壤中干土质量比为1:100时，土壤中有效态砷浓度最低，最低为0.2mg/kg，中试试验与室内试验结果基本一致，因此确定铁改性生物炭作为改良剂，改良剂与土壤中干土的质量比为1:100；
污染土壤的修复方法：(1)将铁改性生物炭与土壤进行深耕，深耕的深度为30cm，改良与土壤中干土质量比1:100，将其混匀后灌溉，覆上农用地膜进行养护，养护时间35天；养护结束后，采用蛇形法采集土壤样品，待样品风干后，测得土壤pH值为5.52，As有效态含量为0.18mg/kg，此时土壤中砷有效态含量与前述室内试验、中试试验砷有效态含量基本一致，可以进行培肥步骤；(2)种植绿肥紫云英，在其长至盛花期时，将新鲜的绿肥机械粉碎至3-5cm后翻压还田进行培肥，培肥时间60天，其中，紫云英的播种量为30kg/hm2，播种方式为撒播；
修复后对土壤肥力进行检测：培肥结束后，采用蛇形法采集土壤样品，自然风干后磨细过筛，进行养分指标的测试，测得pH值为5.66、有机质为37.52g/kg、总氮为2.18g/kg、速效氮20.1mg/kg、有效钾为99.2mg/kg、有效磷为56.78mg/kg，根据以上养分指标结果，后期进行水稻的种植。
需说明的是，在本实施例确定改良剂种类和用量部分，中试试验与室内试验结果基本一致是指两种试验中得到的土壤中有效态砷浓度最低值的差值不大于0.05mg/kg。在污染土壤的修复方法部分，养护结束后土壤中砷有效态含量与前述室内试验、中试试验砷有效态含量基本一致，是指养护结束后土壤中砷有效态含量不大于室内试验和中试试验中砷有效态含量最低值中较大者的1.05倍。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种重金属污染耕地的修复方法，其特征在于，包括以下步骤，
(1)将重金属改良剂与污染土壤深耕混合均匀后灌溉，进行养护，养护时间为25-35天，其中，所述重金属改良剂与土壤中干土的质量比为(0.1-1.5):100，所述深耕的深度不大于60cm；
(2)培肥提高土壤肥力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培肥步骤为，种植绿肥，当所述绿肥生长至盛花期时，将其机械粉碎后翻压还田对土壤进行培肥；所述绿肥的播种量为7-200kg/hm2；所述绿肥的播种方式包括撒播或条播；所述条播的间距为15-30cm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培肥步骤为，采用施加有机肥的方式对土壤进行培肥，所述有机肥的用量为0.5-25t/hm2，施加方式包括沟施法。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在重金属改良剂与土壤混合之前，还包括对土壤进行重金属有效态含量的检测以确定改良剂种类和用量的步骤。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述重金属为铅时，改良剂包括生物炭、磷酸盐中的至少一种；
所述重金属为镉时，改良剂包括生物炭、海泡石、凹凸棒土中的至少一种；
所述重金属为砷时，改良剂包括硫酸亚铁、铁系或锰系改性生物炭改良剂；
所述重金属为铬时，改良剂包括零价铁或亚铁类改良剂；
所述重金属为汞时，改良剂包括硫化物类改良剂。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在培肥前，还包括对养护后的土壤进行检测的步骤。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述绿肥品种包括二月兰、冬油菜、黑麦草、毛叶苕子、光叶苕子、草木犀、紫云英、蚕豆、箭舌豌豆、小黑麦、大麦、肥田萝卜、黄豆、三叶草、甜玉米、苏丹草、高粱草、长武怀豆、绿豆或太阳麻；
所述有机肥包括鸡粪堆肥、猪粪堆肥、污泥堆肥或生物有机肥。
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