CN115138672B - 一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法。根据污染土壤的不同质地分别进行土壤理化性质改良，针对污染土壤“表聚性”问题，通过速生树种与大型真菌套种，富集不同深度污染土壤中的铜离子，进一步强化表层土壤修复效率。速生树种与大型真菌联合分层修复第六年，不同深度土壤中铜含量均低于风险筛选值，表层、中层和下层土壤中铜去除率分别为74％～86％，65％～76％和42％～54％，强化修复范围为0～15cm，最大修复深度可达0.9～1.1m。本发明较传统单一植物修复或微生物修复方法，具有修复范围更广、修复效率更高、修复周期更短等优势，并且可以解决有机垃圾减量化和资源化的难题，具有非常好的应用前景和推广价值。

Description

一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法
技术领域
本发明属于土壤重金属污染治理技术领域，具体涉及一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法。
背景技术
随着经济的快速发展，城市化过程中大规模的工程建设、交通运输、污染物排放，使城市土壤遭受了剧烈影响。重金属铜是城市环境中的典型污染物，铜污染不仅导致土壤质量下降，而且还干扰土壤生物体的生命代谢，并威胁农产品质量安全，已成为城市生态系统中亟需解决的关键问题之一。
植物修复因其可持续、低投资、多功能等优势被普遍认为是一种安全的重金属修复途径。但现已发现的超积累植物一般植株矮小，生物量低，生长缓慢，季节限制较强，在大田环境下提取重金属的效果并不理想。树木修复主要是利用树木根系吸收富集污染物，输送并储存在植物体根部及地上部分，并可以通过修剪、采伐、刈割等手段达到清除环境中重金属的目的。因此，通过提高树木生物量积累，进而可以提高重金属提取量和修复效率。速生树种因其具有生长迅速、生物量大等特征，利用其对重金属污染土壤进行修复已经成为植物修复领域的一个热点。但树木修复也存在修复周期长，后处理困难等问题，且针对重金属污染土壤“表层富集”现象，无法根据污染土壤垂直分布的规律达到精准分层修复的效果。
大型真菌吸附重金属最早是从蘑菇属对镉高水平积累发现的，后来研究发现许多大型真菌对重金属有较强的耐受和富集能力。栽培广泛的双孢蘑菇、鸡腿菇等其栽培过程中需要通过覆土刺激出菇，菌丝和子实体可以累积土壤基质中的重金属，具有生长周期短，易于后处理等优点。同时菌菇废料富含有机质、多种矿质元素和有机活性基团，有利于改良土壤，提高土壤肥力。但大型真菌的生长对光照和水分有更严格的要求，且修复深度有限，从而未被广泛应用于修复重金属污染土壤。
中国专利CN101391262A公开了“能源植物与蕈菌联合修复重金属污染土壤的方法”，利用能源植物与蕈菌联合修复重金属污染土壤，但选择的能源植物多为禾本科、菊科和十字花科等草本植物，存在季节性强，生物量低，修复深度小，修复总量有限等问题，限制了大规模的田间应用实践。
土壤质地对土壤的理化性质和肥力有着非常重要的影响，不同质地土壤的通气性、含水量、温度和养分等存在很大差别，直接影响植株的生长发育。目前针对不同质地重金属污染土壤修复的研究较少，影响植物对土壤中重金属进行精准高效的修复。另外，重金属污染土壤的理化性质和生物特性均有所改变，影响植物的生长和水肥资源利用效率，从而导致植物提取土壤重金属的总量降低。因此，进行重金属修复前，针对不同质地污染土壤进行改良尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，根据污染土壤的不同质地分别进行土壤理化性质改良，针对污染土壤“表聚性”问题，通过速生树种与大型真菌套种，富集不同深度污染土壤中的铜离子，进一步强化表层土壤修复效率，达到精准、持续修复铜污染土壤的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，包括如下步骤：
1)土壤质地测定
随机选取污染场地中的土壤样品，测定土壤样品中砂粒、粉粒和黏粒的含量，确定污染场地土壤质地类型；
2)污染土壤改良
根据污染场地的土壤质地类型，对污染场地土壤进行改良：
当污染场地土壤质地类型为砂土，加入0.48～0.64m3/m3绿化植物废弃物堆肥，0.13～0.18m3/m3碎木片，133～200g/m3泥炭腐殖酸，17～42g/m3聚丙烯酸钠，12～16g/m3肿大地杆菌，50～60g/m3尿素，与原污染场地土壤进行混合；
当污染场地土壤质地类型为壤土，加入0.32～0.52m3/m3绿化植物废弃物堆肥，0.15～0.27m3/m3碎木片，50～83g/m3泥炭腐殖酸，17～34L/m3450～500倍稀释EM原露活化液，与原污染场地土壤进行混合；
当污染场地土壤质地类型为黏土，加入0.28～0.38m3/m3绿化植物废弃物堆肥，0.26～0.41m3/m3碎木片，17～25g/m3泥炭腐殖酸，17～34g/m3摩西球囊霉真菌，与原污染场地土壤进行混合；
对土壤进行翻耕、平整，翻耕深度为45～60cm，分别测定深度为0～15cm、15～60cm及60～100cm土壤内铜含量；之后将表层土壤取出后暴晒，取土壤的厚度为7～10cm，备用；
3)栽种速生树种
选择苗高、地径一致的无病害1～2年生速生树种幼苗，种植前，将速生树种幼苗根部在200～250倍稀释的EM原露活化液中浸泡20～30min，随后种植于污染场地的待修复土壤，常规管理；
4)大型真菌覆土出菇管理
当林木遮光率达到70～90％，将发满菌丝的大型真菌菌料处理为粒径为2～5cm的小块，铺在栽种速生树种的污染场地土壤表面，菌料厚15～20cm，之后将取出暴晒后的表层土壤覆盖在菌料表面，覆盖厚度为4～7cm，铺平；表面喷洒土壤保水剂或微生物菌剂，覆盖地膜，每隔两到三天，喷水一次；
5)采收管理
覆土15～20天后，开始出菇管理，采收大型真菌子实体，子实体不再生长后，速生树种进入休眠期开始收割，集中进行无害化处理；
6)铜含量及修复深度测定
测定速生树种根系和大型真菌菌丝覆盖深度范围，速生树种根系和大型真菌菌丝同时覆盖的土壤范围即为强化修复范围，速生树种根系生长最大深度范围即为最大修复深度，分别测定不同深度土壤中铜含量变化，测定速生树种地上部分、地下部分及大型真菌子实体铜含量。
优选的，当土壤中黏粒含量大于30wt％时，土壤质地类型为黏土；当土壤中砂粒含量大于60wt％时，土壤质地类型为砂土；其它情况下土壤质地类型为壤土。
优选的，步骤3)中，所述速生树种采用穴植法进行种植，种植密度为2～4株/m2，种植深度为30～40cm；每月对枝叶喷洒一次650～800倍稀释EM原露活化液。
优选的，步骤5)中，出菇管理过程中，每天喷水，覆土层湿度保持在75～95％，8～12天开始采收，采收后停止喷水3～5天，再开始新一轮的出菇管理，采收二、三茬菇，直至不再生长。
优选的，步骤5)中，速生树种收割距离地面5～8cm以上的地上部分。
优选的，当污染场地土壤为砂土，选用白蜡和双孢蘑菇套种；当污染场地土壤为壤土，选用枫杨和鸡腿菇套种；当污染场地土壤为黏土，选用泡桐和皱环球盖菇套种。
优选的，步骤4)中，当污染场地土壤质地类型为砂土，大型真菌覆土厚度为5.5～7.0cm，表面喷洒5～10g/m2木质素磺酸盐；当污染场地土壤质地类型为壤土，大型真菌覆土厚度为5.0～6.5cm，表面喷洒450～500倍稀释EM原露活化液，喷洒量为5～8L/m2；当污染场地土壤质地类型为黏土，大型真菌覆土厚度为4.0～5.5cm，表面喷洒1.5～3.0g/m2脲醛树脂。
在本发明所述速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法中：
本发明在种植速生树种与大型真菌前，先根据污染土壤的质地类型，分别对土壤进行理化性质改良，通过速生树种与大型真菌套种，富集不同深度污染土壤中的铜离子，利用化学、物理、生物多维度强化方法进一步提高修复效率。较传统单一植物修复和微生物修复方法，具有修复范围更广、修复效率更高、修复周期更短等优势，并且可以解决有机垃圾减量化和资源化的难题，具有非常好的应用前景和推广价值。
改良砂土污染土壤时，加入聚丙烯酸钠，其携带的负电荷能够与土壤中的无机阳离子进行桥接作用，从而与土壤颗粒相结合，促进生成团粒结构，进而改善土壤的孔隙结构，提高土壤含水量。肿大地杆菌产生的脲酶可以分解尿素，产生碳酸根离子与土壤中游离的金属阳离子结合生成胶凝晶体，快速增强土壤结构的稳定性。
改良黏土污染土壤时，加入摩西球囊霉真菌，可以扩大植物根系吸收范围，促进营养元素向植株转运。
采用速生树种与大型真菌联合修复铜污染土壤，速生树种可以为大型真菌提供遮荫保湿的生长环境，大型真菌作为速生树种的外生菌根，可以提高速生树种吸收营养的速率，增强速生树种的抗病性和抗逆性。同时速生树种和大型真菌修复土壤深度不同，联合修复可以覆盖更广的污染土壤范围，针对重金属污染土壤“表聚性”现象，达到分层强化修复的效果。速生树种与大型真菌联合分层修复第六年，不同深度土壤中铜的含量均低于风险筛选值，表层(深度为0～15cm)、中层(深度为15～60cm)和下层(深度为60～100cm)土壤中铜去除率分别为74～86％，65～76％和42～54％，强化修复范围为0～15cm，最大修复深度可达0.9～1.1m。
速生树种与大型真菌联合修复有效地促进了二者对重金属的富集，大大提高了速生树种向地上部分转运的能力，通过定期速生树种采伐和菌菇采收，能够高效且持续地提取土壤中的重金属。
根据土壤质地类型不同，采用不同速生树种与大型真菌套种，具有更高的修复效率。当污染场地土壤质地类型为砂土，选用速生树种白蜡和大型真菌双孢蘑菇套种；当污染场地土壤质地类型为壤土，选用枫杨和鸡腿菇套种；当污染场地土壤质地类型为黏土，选用泡桐和皱环球盖菇套种。选用的双孢蘑菇、鸡腿菇和皱环球盖菇均可在6～8月份制栽培种，9～11月出菇。大型真菌的出菇期与速生树种每年生长季末期一致，便于管理。
白蜡具有耐干旱的特性，双孢蘑菇出菇阶段含水量为80～85％，对通气条件要求较高，砂土大孔隙多，氧气充足，保水、保肥性能稍弱，二者套种较适合砂土污染土壤的修复；枫杨喜深厚肥沃湿润的土壤，鸡腿菇出菇阶段含水量为85～95％，并且要求氧气充足，壤土通气透水，保水保温性能都较好，二者套种较适合壤土污染土壤的修复；泡桐对黏重瘠薄土壤有较强的适应性，皱环球盖菇出菇阶段含水量为90～95％，对通气条件要求相对较低，黏土保水性能好，通气性能稍差，二者套种较适合黏土污染土壤的修复。
在改良后的壤土中，与枫杨单一修复相比，枫杨和鸡腿菇联合修复方法中枫杨的富集系数和转运系数分别提高了17.8％和133.3％；与鸡腿菇单一修复相比，枫杨和鸡腿菇联合修复方法中鸡腿菇的富集系数提高了81.8％。
根据土壤质地不同，大型真菌覆土后喷施不同的土壤保水剂和复合菌剂。在砂土表面喷施木质素磺酸盐，可以促进表层砂土固结，减缓水分蒸发，降低土壤侵蚀，进而保证大型真菌出菇水分要求。在壤土表面喷施EM菌可以分泌细胞分裂素等生物活性物，诱导菌丝形成原基，促进子实体生长发育，提前出菇，同时抑制有害菌增殖，达到防病害的效果。在黏土表面喷施脲醛树脂，可以明显提高土壤中水稳性团聚体的含量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)适用范围广：根据污染土壤的类型，进行不同方案的土壤理化性质改良，同时利用化学、物理、生物多维度强化方法进一步提高修复效率，使速生树种与大型真菌联合分层修复方法适用于更多类型铜污染场地的修复，适用修复的土壤范围更广。
2)以废治污，有效解决有机垃圾减量化和资源化的难题，将绿化植物废弃物资源化处置与重金属污染土壤修复相结合，利用绿化植物废弃物堆肥可以增加土壤有机质含量与微生物活性，与碎木片联用还可以使土壤变得疏松，增加通气性，促进植物生长并提高其生物量；丰富的有机质含量也可以促进和维持大型真菌的生长，进而提高联合修复效果，达到“以废治污”的目的。
3)修复效率高，便于管理，持续修复：采用速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤，速生树种可以为大型真菌提供遮荫保湿的生长环境，大型真菌作为速生树种的外生菌根，可以提高植物吸收营养的速率，增强植物的抗病性和抗逆性。联合修复可以有效地促进二者对重金属的富集，提高树木的转运能力，能够高效且持续地提取土壤中的重金属。同时菌菇废料富含有机质、多种矿质元素和有机活性基团，有利于改良土壤，提高土壤肥力。根据土壤质地不同，采用不同速生树种与大型真菌套种，具有更高的修复效率。选用的大型真菌出菇期与速生树种每年生长季末期一致，操作方便，便于管理。
4)修复深度大，周期短，精准强化修复：根据重金属污染土壤垂直分布特性，采用速生树种和大型真菌联合分层修复，有效解决重金属污染土壤“表聚性”问题，达到分层强化修复的效果。联合分层修复第六年，不同深度土壤中铜的含量均低于风险筛选值，表层、中层和下层土壤中铜去除率分别为74～86％，65～76％和42～54％，强化修复范围为0～15cm，最大修复深度可达0.9～1.1m。
附图说明
图1为本发明所述速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤过程中土层结构示意图。
具体实施方式
下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在本发明权利要求保护范围内。
一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，包括如下步骤：
1)土壤质地测定
随机选取污染场地中的土壤样品，测定土壤样品中砂粒、粉粒和黏粒的含量，确定污染场地土壤质地类型；
2)污染土壤改良
根据污染场地的土壤质地类型，对污染场地土壤进行改良。对土壤进行翻耕、平整，翻耕深度为45～60cm，分别测定深度为0～15cm、15～60cm及60～100cm土壤内铜含量；之后将7～10cm厚的表层土壤取出暴晒后备用；
3)栽种速生树种
选择苗高、地径一致的无病害1～2年生速生树种幼苗，种植前，将速生树种幼苗根部在200～250倍稀释的EM原露活化液中浸泡20～30min，随后种植于污染场地的待修复土壤，常规管理；
4)大型真菌覆土出菇管理
当林木遮光率达到70％～90％，将发满菌丝的大型真菌菌料处理为粒径2～5cm的小块，铺在栽种速生树种的污染场地土壤表面，菌料厚15～20cm，之后再在菌料表面覆盖预先取出的污染土壤，覆盖厚度为4～7cm，铺平；表面喷洒土壤保水剂或微生物菌剂，覆盖地膜，每隔两到三天，喷水一次；
5)采收管理
覆土15～20天后，开始出菇管理，采收大型真菌子实体，子实体不再生长后，速生树种进入休眠期开始收割，集中进行无害化处理；
6)铜含量及修复深度测定
测定速生树种根系和大型真菌菌丝覆盖深度范围，速生树种根系和大型真菌菌丝同时覆盖的土壤范围即为强化修复范围，速生树种根系生长最大深度范围即为最大修复深度，分别测定不同深度土壤中铜含量变化，测定速生树种地上部分、地下部分及大型真菌子实体铜含量。
优选的，当土壤中黏粒含量大于30％wt时，土壤质地类型为黏土；当土壤中砂粒含量大于60％wt时，土壤质地类型为砂土；其它情况下土壤质地类型为壤土。
优选的，步骤3)中，所述速生树种采用穴植法进行种植，种植密度为2～4株/m2，种植深度为30～40cm；每月对枝叶喷洒一次650～800倍稀释EM原露活化液。
优选的，步骤5)中，出菇管理过程中，每天喷水，覆土层湿度保持在75～95％，8～12天开始采收，采收后停止喷水3～5天，再开始新一轮的出菇管理，采收二、三茬菇，直至不再生长。
优选的，步骤5)中，速生树种收割距离地面5～8cm以上的地上部分。
优选的，步骤3)中，当污染场地土壤为砂土，选用白蜡和双孢蘑菇套种；当污染场地土壤为壤土，选用枫杨和鸡腿菇套种；当污染场地土壤为黏土，选用泡桐和皱环球盖菇套种。
按照上述实施步骤进行试验，过程中土层结构示意图参见图1，图中1为覆土层，厚度为4～7cm；2为菌料层，厚度为15～20cm；3为联合强化修复层，厚度为0～15cm；4为土壤改良层，厚度为0～60cm。
实验选取的不同污染场地的土壤中铜含量见表1，土壤各层中的铜含量均高于GB15618-2018《土地环境质量农用地土壤污染风险管控标准》规定的铜筛选值100mg/kg。
具体土壤改良实验控制条件详见表2，大型真菌覆土出菇管理实验控制条件详见表3，表4为不同的处理条件下土壤中重金属含量的变化。表5为不同处理条件下第六年速生树种和大型真菌富集系数及转运系数情况。
从表4可以看出，对比例和实施例修复土壤中铜含量均逐年降低，实施例修复效率明显高于对比例。实施例修复污染土壤第六年，不同深度土壤中铜的含量均低于风险筛选值，表层、中层和下层土壤中铜去除率分别为74～86％，65～76％和42～54％，强化修复范围为0～15cm，最大修复深度可达0.9～1.1m。
由表5可以看出同一种速生树种的富集系数和转运系数实施例均高于对比例，同一种大型真菌的富集系数实施例均高于对比例。在改良后的壤土中，与枫杨单一修复相比，枫杨和鸡腿菇联合修复方法中枫杨的富集系数和转运系数分别提高了17.8％和133.3％；与鸡腿菇单一修复相比，枫杨和鸡腿菇联合修复方法中鸡腿菇的富集系数提高了81.8％。
本发明较传统单一植物修复或微生物修复方法，具有修复范围更广、修复效率更高、修复周期更短等优势，并且可以解决有机垃圾减量化和资源化的难题，具有非常好的应用前景。
Figure GDA0004145580590000101
Figure GDA0004145580590000111
Figure GDA0004145580590000121
Figure GDA0004145580590000131
Figure GDA0004145580590000141

Claims (7)

1.一种速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，包括如下步骤：
1)土壤质地测定
随机选取污染场地中的土壤样品，测定土壤样品中砂粒、粉粒和黏粒的含量，确定污染场地土壤质地类型；
2)污染土壤改良
根据污染场地的土壤质地类型，对污染场地土壤进行改良：
当污染场地土壤质地类型为砂土，加入0.48～0.64m3/m3绿化植物废弃物堆肥，0.13～0.18m3/m3碎木片，133～200g/m3泥炭腐殖酸，17～42g/m3聚丙烯酸钠，12～16g/m3肿大地杆菌，50～60g/m3尿素，与原污染场地土壤进行混合；
当污染场地土壤质地类型为壤土，加入0.32～0.52m3/m3绿化植物废弃物堆肥，0.15～0.27m3/m3碎木片，50～83g/m3泥炭腐殖酸，17～34L/m3450～500倍稀释EM原露活化液，与原污染场地土壤进行混合；
当污染场地土壤质地类型为黏土，加入0.28～0.38m3/m3绿化植物废弃物堆肥，0.26～0.41m3/m3碎木片，17～25g/m3泥炭腐殖酸，17～34g/m3摩西球囊霉真菌，与原污染场地土壤进行混合；
对土壤进行翻耕、平整，翻耕深度为45～60cm，分别测定深度为0～15cm、15～60cm及60～100cm土壤内铜含量；之后将表层土壤取出后暴晒，取土壤的厚度为7～10cm，备用；
3)栽种速生树种
选择苗高、地径一致的无病害1～2年生速生树种幼苗，种植前，将速生树种幼苗根部在200～250倍稀释的EM原露活化液中浸泡20～30min，随后种植于污染场地的待修复土壤中，常规管理；
4)大型真菌覆土出菇管理
当林木遮光率达到70～90％，将发满菌丝的大型真菌菌料处理为粒径为2～5cm的小块，铺在栽种速生树种的污染场地土壤表面，菌料厚15～20cm，之后将取出暴晒后的表层土壤覆盖在菌料表面，覆盖厚度为4～7cm，铺平；表面喷洒土壤保水剂或微生物菌剂，覆盖地膜，每隔两到三天，喷水一次；
5)采收管理
覆土15～20天后，开始出菇管理，采收大型真菌子实体，子实体不再生长后，速生树种进入休眠期开始收割，集中进行无害化处理；
6)铜含量及修复深度测定
测定速生树种根系和大型真菌菌丝覆盖深度范围，速生树种根系和大型真菌菌丝同时覆盖的土壤范围即为强化修复范围，速生树种根系生长最大深度范围即为最大修复深度，分别测定不同深度土壤中铜含量变化，测定速生树种地上部分、地下部分及大型真菌子实体铜含量。
2.如权利要求1所述的速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，步骤1)中，当土壤中黏粒含量大于30wt％时，土壤质地类型为黏土；当土壤中砂粒含量大于60wt％时，土壤质地类型为砂土；其它情况下土壤质地类型为壤土。
3.如权利要求1所述的速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，步骤3)中，所述速生树种采用穴植法进行种植，种植密度为2～4株/m2，种植深度为30～40cm；每月对枝叶喷洒一次650～800倍稀释EM原露活化液。
4.如权利要求1所述的速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，步骤5)中，出菇管理过程中，每天喷水，覆土层湿度保持在75～95％，8～12天开始采收，采收后停止喷水3～5天，再开始新一轮的出菇管理，采收二、三茬菇，直至不再生长。
5.如权利要求1所述的速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，步骤5)中，速生树种收割距离地面5～8cm以上的地上部分。
6.如权利要求1所述的速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，当污染场地土壤质地类型为砂土，选用白蜡和双孢蘑菇套种；当污染场地土壤质地类型为壤土，选用枫杨和鸡腿菇套种；当污染场地土壤质地类型为黏土，选用泡桐和皱环球盖菇套种。
7.如权利要求1所述的速生树种与大型真菌联合分层修复铜污染土壤的方法，其特征是，步骤4)中，当污染场地土壤为砂土，大型真菌覆土厚度为5.5～7.0cm，表面喷洒5～10g/m2木质素磺酸盐；当污染场地土壤为壤土，大型真菌覆土厚度为5.0～6.5cm，表面喷洒450～500倍稀释EM原露活化液，喷洒量为5～8L/m2；当污染场地土壤为黏土，大型真菌覆土厚度为4.0～5.5cm，表面喷洒1.5～3.0g/m2脲醛树脂。
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