CN115382894B

CN115382894B - 一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法

Info

Publication number: CN115382894B
Application number: CN202211172356.4A
Authority: CN
Inventors: 陈忠林; 肖红; 许海萍; 陈志强; 王杰
Original assignee: Liaoning University
Current assignee: Liaoning University
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-01-02
Anticipated expiration: 2042-09-26
Also published as: CN115382894A

Abstract

本发明公开一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法。采用的技术方案是土壤预处理；结缕草草坪的栽植；日常养护管理；增强补充改良剂；草坪起草。本发明提供的生态修复方法，通过向土壤中加入土壤改良剂，促进土壤中的重金属从络合态向有效态转变，同时栽植我国乡土草种结缕草，利用结缕草吸收土壤中的重金属，最后收集并转移结缕草植株，从而达到降低土壤中重金属含量的目的。

Description

一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法

技术领域

本发明属于镉污染土壤的生态修复技术领域，特别涉及采用结缕草修复改良镉污染土壤。通过本发明的方法，能降低土壤中重金属镉的含量，避免重金属镉通过食物链进入人体对人类造成危害，为重金属污染土壤的修复提供一种新方法。

背景技术

由于工业的快速发展，富含重金属的污染物持续向土壤中迁移，土壤中重金属镉(Cd)污染持续居于土壤重金属污染之首，且因环境累积特性已严重影响耕地使用。镉污染不但具有不可逆转性，而且还会对土壤生物的生长形成有害影响，并经由食物链进入动物和人体内产生危害，增加人类患骨质疏松症、肾功能障碍和心血管疾病的风险。因此土壤中重金属污染修复非常重要，已经引起社会广泛关注。

修复土壤中的重金属有两个途径，一种是将土壤中的重金属去除，另一种是将土壤中的重金属稳定化。常用的土壤重金属修复技术有物理法、化学法和生态修复法。传统的物理、化学方法包括客土法、热处理法和淋溶法等。这些修复重金属污染的方式，由于具有成本极高、容易二次污染等局限性而无法大面积推广与应用。但相较而言，生态修复法是具有发展前景的修复技术，它主要是利用植物生命活动中的代谢作用使重金属富集于植物体内，通过收集并移除富集重金属的植物后再统一进行处理，进而达到降低土壤中重金属含量的目的。植物修复因其成本低、安全、不产生二次污染，能够有效减少污染土壤中的重金属含量等优势而倍受重视。

结缕草是我国特有的优势草种，在辽东半岛和山东半岛有大量的野生分布，与其它的草本植物相比，结缕草具有耐贫瘠、耐干旱、耐污染和抗病性强等多种优良的抗逆性，因此也常常被作为退化环境修复的先锋草种。

近年来,通过使用土壤改良剂来增强植物对重金属的吸收能力逐渐成为国内研究的热门话题,改良剂增强植物对重金属的吸收，其机理主要基于两方面：一是通过降低土壤pH，提高土壤中重金属有效态浓度，从而提高植物对土壤中重金属的吸收率，降低土壤中重金属的含量。二是通过提高植株对养分的吸收，增加植株的抗逆能力，以及增加土壤微生物含量的手段增强植物修复能力。因此，研究适宜的土壤改良剂、用于修复的植物种类、植物的栽培及管理等一个完整的修复技术非常重要，是一项需要不断改进和创新的课题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种生态修复方法，通过向土壤中加入土壤改良剂，促进土壤中的重金属从络合态向有效态转变，同时栽植我国乡土草种结缕草，利用结缕草吸收土壤中的重金属，最后收集并转移结缕草植株，从而达到降低土壤中重金属含量的目的。

本发明采用的技术方案如下：一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，方法包括如下步骤：

(一)土壤预处理：

在第一年的4月初，将镉污染土壤进行翻耕，翻耕深度10-15cm；喷洒水至土壤湿度为30-40％，放置3-5天后；将土壤改良剂施入土壤表面，通过旋耕机将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤进行旋耕混匀；混合后的土壤浇透水一遍，自然静止平衡15-20天；

(二)结缕草草坪的栽植：

在4月中旬-5月中旬，进行结缕草草坪的栽植；

(三)日常养护管理：

每隔2-3天浇水一遍，15-20天草坪长出新根成活，成活后改用pH为4.5～5.5的柠檬酸水每月浇水2～3次，冬季休眠除外，柠檬酸水浇灌一直持续到第二年秋季草坪起草为止；

(四)草坪起草：

在第二年秋季10月中旬，使用起草机起草，起草厚度为表层土壤3-4cm；将草皮根系朝上进行晾晒，晾晒结束时间为第三年春季；晾晒结束后，将去土后的风干的草皮运走。

进一步的，上述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，还包括增强补充改良剂步骤，具体为：在第二年4月上旬，用覆土机在草坪表面覆盖一层土壤改良剂，厚度为0.7-1cm；5月中旬，结缕草萌发2-3片新叶时，使用草坪切割机对草坪表层土壤进行切割，深度2-3cm，切沟间距8-10cm，切断表层土壤中结缕草的匍匐茎及根状茎，使每段保留2-3个节；草坪切割后立即用土壤改良剂进行覆土，覆土厚度为0.5-0.8cm。

进一步的，上述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，所述增强补充改良剂步骤还包括，在6月上旬，使用打孔机对草坪进行打孔，孔径1cm，打孔深度15-18cm，孔间距10-12cm；打孔后立即在草坪表面用孔径0.3cm的筛子在草坪表面筛上一层厚度为1-1.2cm的土壤改良剂；用耙子梳理草坪表面，使土壤改良剂进入孔中，然后立即浇水，促进土壤改良剂进入土壤内部。

进一步的，上述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，所述土壤改良剂由草炭土与生活污水厂发酵污泥按质量比1∶1混合均匀并晒干制成。5

更进一步的，上述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，步骤(一)中，将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤按照质量比3∶7的比例，将土壤改良剂施入土壤表面，通过旋耕机将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤进行旋耕混匀。

进一步的，上述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，步骤(二)中，结缕草草坪的栽植方法是：将二年生的结缕草草皮切成长条，宽度为5-7cm，开沟栽植到土壤中，沟距7-10cm，压实并浇透水一遍。

本发明的有益效果是：

1、本发明，通过大量长期的实验证明，采用发酵后的污泥与草炭土按照质量比1∶1混合制备的土壤改良剂，相比于单独施用或不施用改良剂，本发明效果显著，能够提高结缕草对重金属镉吸收率达到35-40％，有效降低土壤重金属镉的含量。

2、本发明，采用结缕草进行镉污染土壤修复，结缕草是我国特有草种，适应本地气候环境，抗逆性极强，与其它植物相比，能够在重金属污染严重的土壤上正常生长不受毒害作用，本发明方法可适用不同程度镉污染的土壤，应用范围广。

3、本发明，结缕草是少有的能够在北方地区正常生长而不退化的暖季型草坪草种，结缕草根状茎和匍匐茎非常发达，这是在北方地区其他草本植物所无法比拟的。虽然有些植物更能够富集重金属，但通常根系中重金属富集量大，而根系回收及其困难，同时其他植物也不能像草坪一样根系均匀密布整个土壤表面，所以吸收重金属的效果也不理想。与其它大部分草本植物相比，结缕草具有发达的匍匐茎及根状茎，在镉污染的土壤上生长的结缕草，植物体内镉浓度随着土壤镉含量的增加而增加，而且根、茎、叶三部分镉浓度不同，茎中镉浓度最高，是根系浓度的2倍多，是叶片浓度的4倍多。通过切割促进节节生根，能够迅速密布土壤表层几厘米内，由于结缕草茎中重金属富集量最大，不仅吸收效果好而且便于收集。

4、本发明，使用的发酵后的污泥为堆肥处理过的城市生活污泥，既能够为植物生长提供大量的营养元素，促进植物生长并吸收土壤中重金属，又能促进污泥的资源化利用。

5、本发明，在结缕草生长期定期采用pH为4.5～5.5的柠檬酸水进行草坪喷淋，能够持续促进土壤中的重金属从络合态向有效态转变，防止由于结缕草生长对镉有效态的持续吸收导致土壤有效态镉含量降低，进而导致吸收效率降低的情况发生，提高了结缕草对重金属镉的吸收效率，修复效果更佳。

6、本发明，结缕草抗逆性强，为退化环境的先锋草种，其养护成本低于任何其他草本植物，因此能够有利于本发明技术在生产实践中大面积推广应用。

7、本发明，草炭土可以改善土壤理化性质、调节土壤pH和提高土壤肥力，无论是粘土、壤土或沙土的重金属污染土壤均可适用。

8、本发明，通过打孔、梳草及浇水等措施，及时有效的补充土壤深层土壤改良剂在第二年的匮乏，充分发挥改良剂持续促进重金属从络合态向有效态的转变，最大限度的满足结缕草根系吸收土壤深层的重金属的需求。

9、本发明，对环境干扰较小，在不损伤生态环境的基础上实现了原位修复，不产生二次污染，修复过程中同时具有美化环境的功能。

具体实施方式

实施例1

(一)一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，方法包括如下步骤：

以沈阳某地镉污染区域进行生态修复试验。将试验基地划分为7个区域，分别进行本发明方法和对比例方法的比较。镉污染区域中土壤中镉含量经检测为5.4-5.5mg·kg^-1。

1、镉污染土壤预处理：

1.1、土壤改良剂的制备：将草炭土与生活污水厂发酵污泥按质量比1∶1混合均匀并晒干制成。

发酵污泥取自辽宁华电环保科技有限公司，污泥具有增加土壤孔隙度及持水力、改善土壤结构、提高土壤有机质和营养元素的含量、增加土壤微生物的数量等益处，从而有利于植物生长，但同时污泥自身的pH值为6-8，单施污泥会使土壤pH呈现轻微增加的趋势。草炭土取自辽宁清原草炭土工厂，草炭土不仅本身是无公害绿色肥料，而且pH值为5.0-5.5成偏酸性，施入后降低土壤的pH值。前期预试验结果表明，与分别单独施用及其它配比相比，将二者按照1∶1等比例混合，施入土壤30天后土壤中镉的有效态含量最高，同时也使土壤的pH值降低了1-1.5。

发酵污泥经检测指标成分如下：pH值8.0，含水率22.4％，总氮1.88×10⁴mg/L，总磷5.74×10³mg/kg，有机质16.4％，锌及其化合物184mg/kg，镉、铜、铅等重金属及其化合物未检出。

草炭土检测指标成分如下：pH值5.5，有机质含量45％，腐殖酸含量40％。

1.2、土壤翻耕：在第一年的4月初，将镉污染土壤进行翻耕，翻耕深度10-15cm。

1.3、土壤喷灌：喷洒水至土壤湿度为30-40％，放置3-5天。

1.4、土壤改良剂表施：将土壤改良剂施入土壤表面。作为优选，在本实施例中，将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤按照质量比3∶7的比例，将土壤改良剂施入土壤表面。

1.5、土壤改良剂与土壤混匀：通过旋耕机将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤进行旋耕混匀。

1.6、平衡土壤：混合后的土壤浇透水一遍，自然静止平衡15-20天。

2、结缕草草坪的栽植：

2.1、栽植时间：在草坪萌动期一般为4月中旬-5月中旬，进行结缕草草坪的栽植。

2.2、栽植方法：将二年生的结缕草草皮切成长条，宽度为5-7cm，开沟栽植到土壤中，沟距7-10cm，压实并浇透水一遍。

3、日常养护管理：

3.1、成活前养护管理：每隔2-3天浇水一遍，大约15-20天草坪长出新根成活。

3.2、柠檬酸水浇灌：成活后用pH为4.5～5.5的柠檬酸水每月浇柠檬酸水2～3次，冬季休眠除外，柠檬酸水浇灌一直持续到第二年秋季草坪起草为止。

4、增强补充改良剂：

4.1、草坪覆土：北方地区冬春交界时间，土壤出现冻融现象。在第二年4月上旬，用覆土机在草坪表面覆盖一层土壤改良剂，厚度为0.7-1cm.

4.2、草坪切割：在5月中旬，结缕草萌发2-3片新叶时，使用草坪切割机对草坪表层土壤进行切割，深度2-3cm，切沟间距8-10cm，切断表层土壤中结缕草的匍匐茎及根状茎，使每段保留2-3个节。切割的目的是促进匍匐茎及根状茎各节生根成为新植株，增强重金属吸收能力。

4.3、草坪覆土：草坪切割后立即用土壤改良剂进行覆土，覆土厚度为0.5-0.8cm。

4.4、草坪打孔：在6月上旬，结缕草在北方地区进入快速生长期之初，使用打孔机对草坪进行打孔，孔径1cm，打孔深度15-18cm，孔间距10-12cm。

4.5、补充改良剂：打孔后立即在草坪表面用孔径0.3cm的筛子在草坪表面筛上一层厚度为1-1.2cm的土壤改良剂。

4.6、梳草并浇水：用木质耙子梳理草坪表面，使土壤改良剂进入孔中，然后立即浇水，促进土壤改良剂进入土壤内部。

5、草坪起草：

5.1、草坪起草时间：在第二年秋季10月中旬结缕草休眠期进行，此时草坪盖度达到100％，而且土壤中已经布满匍匐茎及根状茎。

5.2、草坪起草方法：使用起草机起草，起草厚度为表层土壤3-4cm。

5.3、草皮晾晒：将草皮根系朝上进行晾晒，晾晒结束时间为第三年春季。

5.4、草皮去土：经过一个冬季的自然晾晒及冻融，草皮已经完全风干并风化，只需要简单敲打就能够去除草皮上面的土壤。

5.5、后续处理：晾晒结束后，将去土后风干的草皮运走。如运送至专业的重金属处置公司，先到焚烧炉焚烧后灰分进行后续处理。

(二)对比例1

方法同(一)，区别是步骤1土壤预处理过程不使用土壤改良剂和省略步骤4。

(三)对比例2

方法同(一)，区别是土壤改良剂替换成单一的草炭土。

(四)对比例3

方法同(一)，区别是土壤改良剂替换成单一的生活污水厂发酵污泥。

(五)对比例4

方法同(一)，区别是步骤3日常养护管理中，只采用水浇灌，修复全过程不浇灌pH为4.5～5.5的柠檬酸水。

(六)对比例5

方法同(一)，区别是修复过程中，省略步骤4增强补充改良剂过程。

(七)对比例6

方法同(一)，区别是仅栽植结缕草和浇灌水。

表1

Claims

1.一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，其特征在于，方法包括如下步骤：

（一）镉污染土壤预处理：

所述土壤改良剂由草炭土与生活污水厂发酵污泥按质量比1∶1混合均匀并晒干制成；所述草炭土成分如下：pH值5.5，有机质含量45%，腐殖酸含量40%；所述发酵污泥成分如下：pH值8.0，含水率22.4%，总氮1.88×10⁴mg/L，总磷5.74×10³mg/kg，有机质16.4%，锌及其化合物184mg/kg；

（二）结缕草草坪的栽植：

在4月中旬-5月中旬，进行结缕草草坪的栽植；

（三）日常养护管理：

每隔2-3天浇水一遍，15-20天草坪长出新根成活；成活后用pH为4.5～5.5的柠檬酸水每月浇柠檬酸水2～3次，冬季休眠除外，柠檬酸水浇灌一直持续到第二年秋季草坪起草为止；

（四）增强补充改良剂：

在第二年4月上旬，用覆土机在草坪表面覆盖一层土壤改良剂，厚度为0.7-1cm；5月中旬，结缕草萌发2-3片新叶时，使用草坪切割机对草坪表层土壤进行切割，深度2-3cm，切沟间距8-10cm，切断表层土壤中结缕草的匍匐茎及根状茎，使每段保留2-3个节；草坪切割后立即用土壤改良剂进行覆土，覆土厚度为0.5-0.8cm；

在6月上旬，使用打孔机对草坪进行打孔，孔径1cm，打孔深度15-18cm，孔间距10-12cm；打孔后立即在草坪表面用孔径0.3cm的筛子在草坪表面筛上一层厚度为1-1.2cm的土壤改良剂；用耙子梳理草坪表面，使土壤改良剂进入孔中，然后立即浇水，促进土壤改良剂进入土壤内部；

（五）草坪起草：

2.根据权利要求1所述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，其特征在于，步骤（一）中，将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤按照质量比3∶7的比例，将土壤改良剂施入土壤表面，通过旋耕机将土壤改良剂与表层10-15cm的土壤进行旋耕混匀。

3.根据权利要求1所述的一种适于北方地区镉污染土壤生态修复方法，其特征在于，步骤（二）中，结缕草草坪的栽植方法是：将二年生的结缕草草皮切成长条，宽度为5-7cm，开沟栽植到土壤中，沟距7-10cm，压实并浇透水一遍。