CN102349403B - 污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法 - Google Patents

污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种土壤重金属污染的生态修复方法。在待治理污水灌溉区域按生长季节进行玉米-小麦轮作，分别在玉米和小麦的播种前或/和其苗期以一定的灌水定额污水进行灌溉，并在作物的生长后期，停止以污水进行灌溉。本发明具有积极有益的效果：减少污水灌溉区域土壤重金属积累所造成的污染，延长耕地的使用寿命；并提高土壤肥力，减少地下水污染，改善了土壤生态环境。

Description

污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法
技术领域
本发明涉及土壤污染防治领域，具体涉及一种污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法。
背景技术
污水灌溉在一定程度上可缓解水资源带来的压力和农业用水的紧张局面，但是随着时间的推移，污水灌溉同时也可能带来严重的环境问题。污水中虽然含有作物需要的氮、磷、钾等营养元素，同时也含有一些有毒有害物质。据统计，我国已有1×107hm2的农业土地受到不同程度的污染。这些土壤污染包括重金属对土壤的污染、农药对土壤的污染、酸性沉降物对土壤的影响等污染类型。因为重金属具有污染物的多元性、隐蔽性、一定程度上的长距离传输性和污染后果的严重性，因此土壤污染研究的主要污染物是重金属。
土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中的重金属含量过高，并造成生态环境恶化的现象，土壤中的一些重金属元素在低浓度时，对植物而言是必须元素，但有些重金属元素在过量时就会对植物产生毒害作用，如Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Hg、As、Pb等。在我国，土壤重金属污染主要来自采矿、冶炼、电镀、化工、电子、制革、染料等工业生产的三废以及污灌、农药、化肥的不合理施用等。据农业部组织的全国性污灌区调查，我国污灌区遭受重金属污染的面积占总污灌面积的64.8%，其中轻度污染面积占46.7%，中度污染面积为9.7%，重度污染面积为8.4%，这其中以汞、镉的污染面积最大。如沈阳张士灌区用污水灌溉20多年后，污染耕地25.0×103km2，造成了严重的镉污染，稻田含镉5～7mg/kg。二十世纪八十年代中期对北京某污灌区进行的抽样调查表明，大约60%的土壤和36%的糙米存在污染问题。每年因土壤污染而减产粮食1000万t；另外还有1200万t粮食中的污染物超标，两者的直接经济损失达200多亿元。
重金属是农业生态***中一类具有潜在危害的化学污染物。重金属As，Cd，Hg，Pb是污水的主要组分之一，它们对作物、土壤和地下水都有潜在的威胁。污水中的重金属积累到一定程度就会对土壤—植物***产生毒害，不仅导致土壤退化、农作物产量和品质降低，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能通过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。例如1955年日本富山县发生的“镉米”事件，原因是农民长期使用神通川上游铅锌冶炼厂的含镉废水灌溉农田，导致土壤和稻米中的镉含量增加。当人们长期食用这种稻米，使得镉在人体内蓄积，从而引起全身性神经痛、关节痛、骨折，以致死亡。重金属在土壤中积累到一定限度就会对土壤一植物***产生毒害，并可能通过接触食物链直接或间接地对人体健康产生危害。由于土壤中的重金属不能被微生物分解，且可为生物富集，土壤一旦被重金属污染，其自然净化过程和人工治理都是非常困难的，对人类有较大的潜在危害。因此，研究污水灌溉带来的重金属污染问题，特别是重金属污染物对土壤—作物***的影响显得尤为重要。
经过近年来的不断探索，污染土壤的修复技术得到了较快的发展，如物理修复、化学修复和生物修复等。这些修复手段对污染土壤的治理具有非常重要的实践意义，但其各自又有一定的局限，例如耗资大，治理过程中可能会导致次生污染，引起土壤基本理化性质和相关生态过程的改变，处理效率低等。相比较而言，植物修复由于能够克服这些缺点，尤其是能够广泛利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发污染环境中的污染物质，就像一座“绿色清洁工厂”一样将污染物质加工成可直接去除的物质形态，或转化为毒性小甚至无毒的物质。
超富集植物早在一个世纪以前就被人们所发现，但利用植物修复污染土壤则是近三十年的工作。1976年Jaffre在“Science”上发表的文章“Sebertia acuminate: hyper accumulator of nickel from New Caledonia”中，首先引用“超富集植物(hyper-accumulator)”这一术语。随后，Brooks提出了超富集植物的概念。Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想。目前，围绕超富集植物积累重金属机理、性能改进及应用技术等方面，在世界范围内展开了研究，也取得了一定进展，工程性的试验研究以及实地应用效果显示了植物修复技术商业化的巨大前景。
尽管超富集植物在修复土壤重金属污染方面表现出很高的潜力，利用植物提取修复技术具有廉价、高效、土壤免受扰动的特点，且具有生态效益、社会效益和经济效益，但是，在实际应用中，超富集植物由于自身一些固有特性给植物修复工程带来了很大的限制。第一，大部分超富集植物植株矮小，生物量低，生长缓慢，因而修复效率受到很大影响，且不易机械化作业；第二，超富集植物多为野生植物，对生物气候条件的要求也比较严格，区域性分布较强，严格的适应性使成功引种受到严重限制；第三，超富集植物专一性强，一种植物往往只作用于一种或两种特定的重金属元素，对土壤中其他含量较高的重金属则表现出中毒症状，从而限制了在重金属复合污染土壤治理方面的应用；最后，超富集植物提取的重金属通过果实、叶、根等器官腐烂、凋谢或机械折断等途径使重金属重返土壤，间接降低了修复效率。
因此，寻找与开发大生物量、富集重金属能力强的修复植物是植物生态修复技术走向工程应用的首要任务。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，该方法适用于小麦-玉米轮作的污水灌溉区域，可大大减少土壤重金属积累所造成的污染，进而延长耕地的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发土壤中的污染物质，从而对污染土壤进行彻底的治理。以使污染土壤与水体可持续利用以及使污染环境得到修复或改善。
（1）经过多年种植轮回实验证明，适用于土壤重金属污染生态修复的大生物量非超富集植物品种有：粮食作物中的小麦、玉米等；油料作物中的油菜、蓖麻、芥菜型油菜；蔬菜、杂草和树木一类的作物有小白菜、龙葵、垂枝榕、菩提树、凤凰木等；经济作物中的烟草、剑麻等；及花卉中的凤仙、金盏菊、美人蕉等。
（2）大生物量非超富集农作物小麦、玉米的污水灌溉
对于污水灌溉而言，制定合理的灌溉制度不仅可以满足作物的需水要求，还可以利用土壤微生物和农作物的净化能力对污水进行处理，从而改善水体环境。选用合适的灌溉期，既充分利用污水，解决农业用水不足，又可以最大限度地避免污水带来的负面影响。
根据污水灌溉实验，污水灌溉的优先顺序应当为播前灌、拔节期、抽雄/抽穗期、成熟期，气温低时优于气温高时。
各时期以污水灌溉的灌水定额按下式Ⅰ计算：
                   Ⅰ
式Ⅰ中
Figure 21342DEST_PATH_IMAGE002
—灌水定额，m3/667 m2；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
—计划土壤湿润层深度，m，根据播前灌水要求确定；
Figure 342602DEST_PATH_IMAGE004
—田间持水率，%；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
—灌溉前
Figure 660713DEST_PATH_IMAGE003
土层内土壤平均含水率，%；
Figure 460042DEST_PATH_IMAGE006
—土壤平均干容重，t/m3；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
—水的容重，t/m3；
①   播前灌水定额
玉米：计划土壤湿润层深度
Figure 45744DEST_PATH_IMAGE003
取0.5～0.6m，土壤
Figure 537905DEST_PATH_IMAGE003
深度内田间持水率20.8～30.5%，灌溉前
Figure 513951DEST_PATH_IMAGE003
深度土层内的平均含水率和土壤平均干容重以实测值为准；
小麦：计划土壤湿润层深度
Figure 656460DEST_PATH_IMAGE003
取0.6～0.7m，土壤
Figure 447699DEST_PATH_IMAGE003
深度内田间持水率20.8～30.5%，灌溉前
Figure 526513DEST_PATH_IMAGE003
深度土层内的平均含水率
Figure 86808DEST_PATH_IMAGE005
和土壤平均干容重
Figure 156657DEST_PATH_IMAGE006
以实测值为准；
②   拔节期灌水
玉米：计划土壤湿润层深度
Figure 372875DEST_PATH_IMAGE003
取0.5～0.6m，
Figure 317697DEST_PATH_IMAGE003
深度内田间持水率27.8～33.5%，灌溉前
Figure 732498DEST_PATH_IMAGE003
深度土层内的平均含水率
Figure 675046DEST_PATH_IMAGE005
和土壤平均干容重以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
小麦：计划土壤湿润层深度
Figure 595915DEST_PATH_IMAGE003
取0.7～0.8m，
Figure 629336DEST_PATH_IMAGE003
深度内田间持水率20.5%～21.8%，灌溉前
Figure 539523DEST_PATH_IMAGE003
深度土层内的平均含水率和土壤平均干容重
Figure 751379DEST_PATH_IMAGE006
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
③玉米抽雄/小麦抽穗期灌水
玉米：计划土壤湿润层深度取0.5～0.6m，土壤
Figure 425123DEST_PATH_IMAGE003
深度内田间持水率27.8%～33.5%，灌溉前
Figure 401431DEST_PATH_IMAGE003
深度土层内的平均含水率
Figure 163851DEST_PATH_IMAGE005
和土壤平均干容重
Figure 407751DEST_PATH_IMAGE006
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
小麦：计划土壤湿润层深度
Figure 925320DEST_PATH_IMAGE003
取0.7～0.8m，土壤
Figure 825142DEST_PATH_IMAGE003
深度内田间持水率18.5%～21.8%，灌溉前
Figure 453570DEST_PATH_IMAGE003
深度土层内的平均含水率
Figure 50511DEST_PATH_IMAGE005
和土壤平均干容重
Figure 676664DEST_PATH_IMAGE006
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
④气温低时和气温高时污水灌溉水量
当平均气温在0～10oC时，小麦、玉米污水灌溉水量（灌溉土壤计划湿润层、土壤含水量）分别为气温在11OC～40 OC的1.58倍。
⑤在小麦进入灌浆期和玉米进入籽粒成熟期以后，停止以污水进行灌溉；
小麦灌浆期和玉米成熟期以后可用清水灌溉，计划湿润层深度均为30～40cm, 计划湿润层深度内田间持水率20.8%～30.5%，计划湿润层内的平均含水率以实测值为准，可以降低作物籽粒重金属含量，确保粮食安全。
（3）大生物量非超富集农作物小麦、玉米的栽培与管理
①品种选择与栽培管理
小麦：可以选用以下品种和栽培技术：
郑麦004，由河南省农业科学院小麦研究中心选育，审定编号：国审麦2004007；
豫硬1号，属于硬粒小麦，蛋白质含量高，富含赖氨酸、胡萝卜素。 特征特性 主茎叶17片，属冬性品种，适播期长；成熟期适中，后熟期长达15天，收获期遇连阴雨10天也不会出现穗发芽现象；分蘖力强，成穗率高；株高80厘米左右，基部节间短，穗下节间长，茎秆韧性强；
豫麦70－36，属半冬偏春性中早熟小麦品种，抗病抗倒，适应性强，既有半冬性小麦的抗寒性，又具有弱春性小麦耐晚播的特点。非凡的抗逆能力成就了豫麦70－36高产、稳产的特性。
玉米：可以选用以下品种和栽培技术：
浚单22，浚单22号是由河南省浚县农科所育成的高产稳产高抗玉米新品种，2004年通过河南省审定。玉米品种生产试验（3500株/亩），平均亩产479.7公斤。
郑单９５８，栽培要点：抢茬播种，一般密度在4000株～5000株／亩，黄淮海地区夏播生育期96天左右，株高240厘米。
本发明具有积极有益的效果：
1.本发明适用于小麦-玉米轮作的污水灌溉区域，可大大减少土壤重金属积累所造成的污染，进而延长耕地的使用寿命；在合理调控的基础上，可提高土壤肥力，促进农作物的增产增收，并降低肥料的投入成本；
2.选择适当的大生物量非超富集农作物品种，在保证农作物产品品质安全的情况下，利用其生物产量大的优势，可最大限度的吸收利用、富集、降解转化土壤中重金属等污染成分；
3.减少地下水污染，改善土壤生态环境，并为粮食生产安全提供了技术保障。
具体实施方式
实施例1 河南省开封市污水灌溉区土壤重金属污染生态修复试验
以开封市惠济河污水灌溉区为试点，开展了多年的观测。惠济河是开封市辖区内污染严重的河流，是河南省豫东地区一条排水骨干河道，每年通过各支流承纳了开封市区排放的8000多万吨工业废水和大量生活用水，使惠济河从上游起就成为一条污染严重的河流。惠济河进入县区后主要用于农灌，它是一条具有纳污及农灌双重功能的河流。惠济河在开封市境内长71km，引用污水灌溉在当地很普遍，污水灌溉范围从河岸向两边延伸3km左右，涉及的种植面积达0.667万hm2，该区具有很好的代表性。
2002年5月在开封县兴隆乡惠济河北岸选择试点，试点面积1万亩，种植玉米郑单９５８，以污水灌溉，各时期灌水定额根据前述公式Ⅰ计算：
播前污水灌溉：土壤计划湿润层深度取0.4m,土壤0.4m深度内田间持水率20.8%，播前0.4m土层内的平均含水率为1.8%，土壤平均容重为1.51 t/m3，
Figure 126100DEST_PATH_IMAGE002
=667（20.8%×90%－1.8%）1.51/1×0.4=68m3/667m2；
拔节期污水灌溉：计划湿润层深度取0.6m，土壤0.6m深度内田间持水率27.8%，60cm土层内的平均含水率为3.1%；土壤平均容重为1.51 t/m3，
Figure 292639DEST_PATH_IMAGE002
=667（27.8%×90%－3.1%）1.51/1×0.6=132m3/667m2；分两次完成灌溉；
抽雄期污水灌溉：计划湿润层深度取0.50m，土壤0.50m深度内田间持水率30.5%，0.50m土层内的平均含水率为3.0%；土壤平均容重为1.50 t/m3，
Figure 448814DEST_PATH_IMAGE002
=667（28%×90%－3.0%）1.50/1×0.50=111m3/667m2；分两次完成灌溉；
籽粒成熟期停止污水灌溉，以清水灌溉；根据试验点玉米播种及苗期所浇灌的污水营养成分平均含量，与常规施肥相比，播种前和苗期的施肥量减少到当地常规施肥量的1/2左右，其它栽培管理措施同当地常规。玉米收获，平均籽粒产量620.7㎏/667m2。
表1 惠济河污水中所含的养分状况(单位：mg/L)
取样点 总N 总P
1 60.02 1.54
2 59.35 1.69
3 59.98 1.19
玉米收获后，按当地种植方法种植小麦郑麦004，以污水灌溉，各时期灌水定额根据前述公式Ⅰ计算：
播前污水灌溉：计划土壤湿润层深度
Figure 308186DEST_PATH_IMAGE003
取0.6m，土壤0.6m深度内田间持水率20.8%，播前0.6m土层内的平均含水率为1.9%，土壤平均容重为1.51 t/m3，
Figure 480804DEST_PATH_IMAGE002
=667（20.8%×90%－1.9%）1.51/1×0.6=101.5m3/667m2；
拔节期污水灌溉：计划土壤湿润层深度
Figure 654296DEST_PATH_IMAGE003
取0.8m，0.8m深度内田间持水率20.5%～21.8%，0.8m土层内的平均含水率为2.8%，土壤平均容重为1.51 t/m3，=667（20.5%×90%－2.8%）1.51/1×0.8=126m3/667m2；
抽穗期污水灌溉：计划湿润层深度取60cm，土壤60cm深度内田间持水率18.5%%，60cm土层内的平均含水率为2.5%，土壤平均容重为1.51 t/m3，=667（18.5%×90%－2.5%）1.51/1×0.6=85.5m3/667m2；
进入灌浆期后停止灌溉污水，以清水进行灌溉。
上述灌溉污水符合农田灌溉水质标准GB5084-2005中的规定。
小麦收获后轮作玉米，如此反复，连续八个轮作期，各轮作期内的污水灌溉方式基本相同。到2010年5月份上述修复试验方法在开封市推广到10万亩，包括开封县和兰考县的一部分。
按照当地常规的污水灌溉量及种植方法进行测算，该污水灌溉区的土壤中的铬含量将在142.4年后超过国家土壤环境质量二级标准，土壤中的铅含量将168年后超标。而使用本方法后，土壤中205.7年后铬含量超过国家土壤环境质量二级标准，土壤铅含量超标年限是285年，分别减缓45%和70%；而实测数据也证明，土壤重金属（砷、铅、镉、铬）含量平均减少30%。
上述试验表明，污水灌溉增加了土壤肥力，试验区污灌面积0.677万公顷，农田减少肥料投入的价值为1325.17万元；增加了污水灌溉区粮食产量，在相同水量和施肥条件下，污灌区冬小麦产量为6826.1kg/hm2，清灌区产量为5859.6kg/hm2，粮食产量提高16.5%，且污灌区小麦和玉米籽粒中的重金属含量符合国家相关的食品安全标准；可减少地下水污染，改善生态环境，确保粮食生产安全。

Claims (6)

1.一种污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，在待治理污水灌溉区域按生长季节进行玉米-小麦轮作，其特征在于，至少分别在玉米和小麦的播种前及以下生育期内以污水进行灌溉，灌水定额按下式Ⅰ计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
                   Ⅰ
式Ⅰ中—灌水定额，m3/667 m2；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
—计划土壤湿润层深度，m，根据播前灌水要求确定；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
—田间持水率，%；—灌溉前
Figure 528713DEST_PATH_IMAGE006
土层内土壤平均含水率，%；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
—土壤平均干容重，t/m3；—水的容重，t/m3；
①播前灌水
玉米：计划土壤湿润层深度
Figure 383537DEST_PATH_IMAGE006
取0.5～0.6m，土壤
Figure 599492DEST_PATH_IMAGE006
深度内田间持水率20.8～30.5%，灌溉前
Figure 932385DEST_PATH_IMAGE006
深度土层内的平均含水率和土壤平均干容重
Figure 506903DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准；
小麦：计划土壤湿润层深度
Figure 773936DEST_PATH_IMAGE006
取0.6～0.7m，土壤
Figure 910519DEST_PATH_IMAGE006
深度内田间持水率20.8～30.5%，灌溉前深度土层内的平均含水率
Figure 8980DEST_PATH_IMAGE010
和土壤平均干容重
Figure 700992DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准；
②拔节期灌水
玉米：计划土壤湿润层深度
Figure 438004DEST_PATH_IMAGE006
取0.5～0.6m，深度内田间持水率27.8～33.5%，灌溉前
Figure 266600DEST_PATH_IMAGE006
深度土层内的平均含水率
Figure 508226DEST_PATH_IMAGE010
和土壤平均干容重
Figure 219567DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
小麦：计划土壤湿润层深度取0.7～0.8m，
Figure 135888DEST_PATH_IMAGE006
深度内田间持水率20.5%～21.8%，灌溉前
Figure 802492DEST_PATH_IMAGE006
深度土层内的平均含水率
Figure 818990DEST_PATH_IMAGE010
和土壤平均干容重
Figure 316967DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
③玉米抽雄/小麦抽穗期灌水
玉米：计划土壤湿润层深度
Figure 524833DEST_PATH_IMAGE006
取0.5～0.6m，土壤
Figure 475471DEST_PATH_IMAGE006
深度内田间持水率27.8%～33.5%，灌溉前
Figure 295660DEST_PATH_IMAGE006
深度土层内的平均含水率和土壤平均干容重
Figure 528375DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
小麦：计划土壤湿润层深度
Figure 903992DEST_PATH_IMAGE006
取0.7～0.8m，土壤
Figure 324610DEST_PATH_IMAGE006
深度内田间持水率18.5%～21.8%，灌溉前深度土层内的平均含水率
Figure 284530DEST_PATH_IMAGE010
和土壤平均干容重
Figure 209761DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准；一次或分两次完成灌溉；
在小麦进入灌浆期和玉米进入籽粒成熟期以后，停止以污水进行灌溉；
上述灌溉污水符合农田灌溉水质标准GB5084-2005中的规定。
2.根据权利要求1所述污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，其特征在于，所述
Figure 371752DEST_PATH_IMAGE008
按田间持水率的90%计算。
3.根据权利要求1所述污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，其特征在于，当平均气温在0～10oC时，各时期的灌水定额分别为气温在11～35℃的1.58倍。
4.根据权利要求1所述污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，其特征在于，所述小麦为郑麦004、豫硬1号、豫麦70－36中的任意一种。
5.根据权利要求1所述污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，其特征在于，所述玉米为浚单22、郑单９５８中的任意一种。
6.根据权利要求1所述污水灌溉土壤重金属污染大生物量非超富集生态修复方法，其特征在于，小麦进入灌浆期及玉米进入籽粒成熟期以后，用清水灌溉，计划湿润层深度均为30～40cm, 计划湿润层深度内田间持水率20.8%～30.5%，计划湿润层内的平均含水率和土壤平均干容重
Figure 433249DEST_PATH_IMAGE012
以实测值为准。
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