CN105080950A - 一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤修复技术领域，更具体地，涉及一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法，应用于受矿区酸性废水污染导致的重金属超标土壤，将籽粒苋幼苗移栽至混有粉碎秸秆的重金属污染土壤中，待籽粒苋稳定生长后，接种蚯蚓至重金属污染土壤中，培养45～60天后将籽粒苋移除；采用蚯蚓、秸秆和籽粒苋联合修复的方式，较传统植物修复方式，既提高了修复效率，又可显著改善土壤质量，该方法对我国受重金属污染的酸性土壤的修复有广阔的应用价值。

Description

一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，更具体地，涉及一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法。

背景技术

随着经济的快速增长，工业的迅速发展以及农业的现代化，土壤污染问题日益严重，尤其是重金属污染已成为普遍的环境问题，并受到越来越多的关注。我国的土壤重金属污染主要来源于污灌、污泥施用、矿山开采以及金属冶炼等。有研究表明，我国耕地土壤重金属污染发生的概率为16.67%，在土壤重金属污染元素中，由Cd元素引起污染的概率最高，为25.20%。Cd为植物非必需元素，对大多数植物有明显的毒害作用，会引起植物生理生化方面的紊乱，阻碍其正常生长，甚至致其死亡；Cd对人类的危害同样不容忽视，***环境规划署（UNEP）将其列为12种具有全球性意义的危险化学物质的首位，FAO/WHO将Cd列为第三位有限研究食品污染物。其中主要原因在于：Cd在土壤中有较强的移动性，从而更容易被植物吸收，且极易在人体内累积。Cd在人体中蓄积时间久，难被降解和***，毒性强。因此，治理重金属污染土壤，尤其是重金属Cd污染耕地的问题刻不容缓。

一般来说，土壤重金属污染治理方法可以归纳为热力法、生物学、农业工程学、物理、化学处理等方法：物理方法修复时间最短，但其修复成本很高，且会破坏土壤的自然性状，同时还可能影响到地下水的安全；化学方法修复的成本较低且操作较为简便，但极易造成土壤的二次污染；而生物学方法，如植物修复虽然存在植物的筛选、目标植物的生物量以及对复合污染的修复效率等问题，但与传统治理方法相比，植物修复有其在技术、经济及其生态协调上的优势。此外，多种方法联合也是重金属污染土壤修复方法发展的一个趋势，其中生物联合修复为其中最经济和环保的修复方法之一。生物联合修复方法通常由植物、动物以及微生物等组合而成，其中植物一般采用超富集植物，动物一般为蚯蚓、线虫等，微生物一般为活化重金属或者能够促进植物吸收重金属的菌种。

目前生物修复重金属污染土壤有两个方向，一个是将重金属固化，通过减少作物对其的吸收而降低其对人体健康的风险；另一个是将重金属活化，并通过植物吸收将重金属从土壤中迁移出来。从粮食安全和改善土壤环境质量的角度来看，前者只能暂时解决眼前问题，后者才为长远之计。在植物修复方法中，目前大多使用超富集植物，但超富集植物在重金属污染土壤上种植时存在植株矮小，植株生物量低，生长缓慢，区域性分布较强，修复效率不高等问题。为避免以上的局限性，植物修复也可选用一些生物量大且对重金属有一定吸附作用的植物。这些植物体内重金属含量没有达到超富集植物的标准，但因其生物量远大于超富集植物的生物量，所以植物体内累积的重金属绝对量反而比超富集植物的累积量要大。

酸性矿区重金属污染土壤存在质量环境恶劣的问题，不适宜直接种植作物。因此，在进行植物修复之前，需要先对矿区污染土壤进行初步的土壤改良，目前还没有有效的针对矿区重金属污染土壤的修复方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述问题，提供一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法，选择受矿区酸性废水污染导致重金属含量超标的土壤，选取表层的重金属污染土壤，将籽粒苋幼苗移栽至混有粉碎秸秆的重金属污染土壤中，待籽粒苋稳定生长后，接种蚯蚓至重金属污染土壤中，培养45～60d后将籽粒苋移除。

蚯蚓，籽粒苋在现有技术中都可用于重金属的吸收，但针对不同环境下的土壤，研究合适的修复方案才能真正达到土壤修复的目的，本发明所述方法是将蚯蚓、籽粒苋和秸秆三者联合对污染土壤进行修复，添加秸秆，一方面可以改善土壤的酸性状况与质地，另一方面为蚯蚓提供食物，供养其生活下去；添加蚯蚓可活化土壤中的重金属，提高籽粒苋对重金属的吸附效率，从而促进重金属转移至籽粒苋中。

另外，本发明上述修复方法中，投放蚯蚓的时间与次数是与籽粒苋配合的。也就是说，根据土壤受重金属污染的情况，若通过一次“秸秆、蚯蚓和籽粒苋联合修复”尚未达到修复目标，可以根据实际情况，再进行一次或多次相同的联合修复措施。此外，蚯蚓在这里只是投入而不翻出。再次，本发明选用的蚯蚓的存活时间一般为半年到一年，蚯蚓死后其身体极易被分解，其体内的重金属虽会回到土壤中，但因为这部分金属被蚯蚓活化，更容易被籽粒苋吸收，所以说，也是完成了蚯蚓在修复方法中的用途。

优选地，本发明所述重金属为铜、锌、铅、镉中的一种或多种。

优选地，所述重金属污染土壤中粉碎秸秆的添加量为土重的1～5%。具体地，所述粉碎秸秆是经过将秸秆风干粉碎后获得。

优选地，所述蚯蚓的接种密度为90～100g/m²。

更优选地，所述蚯蚓的种类为赤子爱胜蚓。

优选地，为了保证移栽入重金属污染土壤的籽粒苋能够正常生长，需要使籽粒苋稳定生长一段时间，适应重金属污染土壤的环境，所述籽粒苋稳定生长所需时间为2～7天（具体视情况而定）；需要注意的是，当籽粒苋移栽入重金属污染土壤中后，要一直保持籽粒苋生长所需的水分。

优选地，籽粒苋的种植密度为（20～25cm）×（20～25cm）。

更优选地，籽粒苋选用25cm×25cm的种植密度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明是一种利用资源再生、环境友好型的重金属污染土壤修复方法。可以避免传统的化学修复方法带来的二次污染问题，伴随物理方法产生的耗能高、投入高等问题；此外，本发明采用我国最常用的农业废弃物——秸秆，价格便宜，来源广泛，极易获取。将秸秆当做土壤改良剂施入土中不仅可避免焚烧秸秆带来的资源浪费，污染大气等问题，还可以改善土壤的理化性状，为提高籽粒苋的修复效率做铺垫。

（2）本发明采用生物联合修复方法，比单纯的植物修复效率要高。由于酸性矿区污染土壤的pH值普遍较低，养分贫乏，土壤结构较差，直接种植籽粒苋会阻碍其正常的生理生长，导致其植株矮小，植株体内积累的重金属含量低，实现不了植物修复的效果。采用本发明的生物联合修复方法可有效地促进籽粒苋生长，并通过其增加的生物量来提高对土壤重金属的迁移率。

（3）本发明除改善土壤质量，还可以有效降低土壤重金属含量。通过添加秸秆可以初步改善土壤质量环境，提高土壤pH值，增加土壤养分并改善土壤结构；通过添加蚯蚓可以提高土壤重金属的生物有效性，促进籽粒苋对土壤重金属的吸收，并最终达到降低土壤重金属含量的目的。

采用蚯蚓、秸秆和籽粒苋联合修复的方式，较传统植物修复方式，既提高了修复效率，又可显著改善土壤质量，该方法对我国受重金属Cd污染的酸性土壤的修复有广阔的应用价值。

附图说明

图1为不同处理对籽粒苋株高的影响，其中，CK：空白；P：籽粒苋；PE：籽粒苋+赤子爱；PL：籽粒苋+壮尾；SPL：籽粒苋+秸秆+壮尾；SPE：籽粒苋+秸秆+赤子爱：SA：籽粒苋+秸秆，下同。

图2为不同处理对籽粒苋收获时株高的影响；图中数据为平均值，重复数n=3；同列不同字母表示处理间差异显著（P<0.05），下同。

图3为不同处理对籽粒苋地上部干重的影响。

图4为不同处理对籽粒苋地上部Cd含量的影响。

图5为不同处理对整株籽粒苋Cd含量的影响。

图6为不同处理对籽粒苋Cd迁移率的影响。

图7为不同处理对土壤Cd含量的影响。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

土壤化学性质的测定参照《土壤农化分析（第三版）》（鲍士旦，2000）和《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，1999）。土壤pH值的测定选用pH计电位法（1：2.5土水比）；土壤有机碳用K₂Cr₂O₇外加热氧化法；土壤总氮用半微量凯氏法；土壤溶解有机碳（DOC）用1mol·L^-1硫酸钾浸提，然后上TOC仪（Vario）测定；土壤阳离子交换量（CEC）用1mol·L^-1乙酸铵交换法；土壤Cd含量采用三酸消煮法，并用原子吸收光度计测定Cd含量；籽粒苋Cd含量采用湿法（HNO₃-HClO₄）消解，并用原子吸收光度计测定Cd含。

实施例1

1、籽粒苋幼苗的准备：籽粒苋为引种的美国籽粒苋K472，采购于蒂景园林绿化工程有限公司。籽粒苋种子在25℃的生化培养箱（珠江，LRH-250A）加水培养12h后，播入育苗盆（规格：孔径5cm，深8cm）。育苗盆放置于温室（平均室温30℃）培育10天，待苗长到约10cm，叶片数5片时，选择长势健壮且一致的幼苗进行移栽入塑料花盆（口直径19cm，底直径14cm，高15cm）。

2、蚯蚓：选择壮伟环毛蚓Amynthasrobustus（简称壮尾）和赤子爱胜蚓Eiseniafetida（简称赤子爱）为供试蚯蚓，Eiseniafoetida选自人工养殖厂；Amynthasrobustus为华南地区本地种，采自华南农业大学校园内。两种蚯蚓的生态类型及生活习性如表1所示。在试验开始前，所有蚯蚓在试验室无污染土壤中培养一个月（25℃）。

3、秸秆的制备：秸秆风干后用秸秆粉碎机粉碎，其pH值为7.71，有机碳含量为375.01g·kg^-1，全氮含量为7.47g·kg^-1，C/N为50.46。

4、供试土壤：土壤样品采自广东省大宝山露天矿区阳河上游，受Cu、Zn、Pb、Cd污染的水稻田0～20cm耕层土壤（24°30′N/113°45′E）。样品风干混匀后过2mm筛备用。土壤pH为4.7，粘粒含量（<0.002mm）为40%，有机质C含量为14.61g·kg^-1，全N含量为0.72g·kg^-1，C：N为20：1。土壤重金属Cu、Zn、Pb和Cd含量分别为394mg·kg^-1，405mg·kg^-1，439mg·kg^-1，0.60mg·kg^-1。

试验设置为作物盆栽条件下的多因素试验设计，共7个处理，各处理设置3个重复，共21盆。其中，CK为无任何添加的对照土壤，其余6个处理每盆均种上1棵籽粒苋，并按照表2添加蚯蚓和秸秆。

称取2000g过2mm筛的土壤，装于3L底部有微孔的塑料盆，调节土壤水分至60%饱和含水量。将育好的籽粒苋苗移入盆，稳定1周后，接种蚯蚓。为避免蚯蚓逃逸，盆底放纱网，并在盆边缘贴上宽透明胶。蚯蚓的接种按照其在自然中的密度100g·m^-2，每盆投入约5.6g蚯蚓，投入赤子爱16～17条，壮尾15～16条。秸秆按照土重的5%添加，与土壤混匀后再装盆。

盆栽试验进行2个月，期间每1～3天（每天观察土壤水分状况）采用称重法调节水分含量，确保植物正常生长，每隔一周测量籽粒苋的株高。收获时，分别把籽粒苋的地上部和地下部用清水洗净并擦干后，在烘箱105℃杀菌30分钟，70℃烘干至恒重，测定其干重并粉碎待用；盆栽土壤取出，挑出存活的蚯蚓后，把土壤风干，过2mm和0.149mm筛，备用。

由表3所示，不同处理之间的各土壤属性差异显著（P<0.05）。添加秸秆显著降低土壤容重，且提高土壤pH、有机碳、全氮、碳氮比、可溶性有机碳以及阳离子交换量。其中，添加秸秆组的处理中，又以同时种植籽粒苋和添加蚯蚓处理的土壤有机碳、可溶性有机碳的含量最高。

注：表中数据为平均值±标准误，重复数n=3；同列不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

实施例2不同处理对籽粒苋株高的影响

实验方法同实施例1，结果如图1所示，不同处理的籽粒苋株高在第2周开始有差异，并随时间的延长差距不断拉大（P<0.05）。图2是为两个月的培育结束时，不同处理的籽粒苋株高情况。由图所得，与P组相比，单纯添加蚯蚓或秸秆（PE、PL、SA组）均能显著提高籽粒苋的株高，其株高分别提高了23～30%和96%。SPE组处理的籽粒苋长得最高，比P组提高了130%。不同处理组的作用效果为：SPE>SPL、SA>PE、PL。

实施例3不同处理对籽粒苋地上部干重的影响

实验方法同实施例1，结果由图3所示，与P组相比，单纯添加蚯蚓或秸秆（PE、PL、SA组）均能显著增加籽粒苋地上部的干重，分别增加了90～94%和382%。SPE组处理的籽粒苋地上部最重，比P组增加477%。不同处理组的作用效果为：SPE>SA>SPL>PE、PL。

实施例4不同处理对籽粒苋地上部Cd含量的影响

实验方法同实施例1，结果由图4所示，不同处理的籽粒苋地上部Cd含量差异显著（P<0.05）。单纯添加蚯蚓的处理中，仅添加赤子爱的处理（PE组）使籽粒苋地上部Cd含量提高了56%；添加秸秆的3个处理均能显著提高籽粒苋地上部Cd的积累量，其中添SPE组的累积量最高，比P组增加了130%。

实施例5不同处理对整株籽粒苋Cd含量的影响

实验方法同实施例1，结果由图5所示，不同处理的整株籽粒苋的Cd含量差异显著（P<0.05）。单纯添加蚯蚓的处理（PE、PL组）中，PE组使整株籽粒苋Cd含量提高了57%；添加秸秆的3个处理均能显著提高整株籽粒苋的Cd积累量，其中SPE组的累积量最高，比P组增加了143%。

实施例6不同处理对籽粒苋Cd迁移率的影响

实验方法同实施例1，结果由图6所示，不同处理的籽粒苋Cd迁移率差异显著（P<0.05）。单纯添加蚯蚓的处理（PE、PL组）中，PE组使籽粒苋Cd迁移率增加了56%；添加秸秆的3个处理均能显著提高籽粒苋的Cd迁移率，其中SPE组的迁移率最高，比P组增加了130%。

实施例7不同处理对土壤Cd含量的影响

实验方法同实施例1，结果由图7所示，与CK相比，同时添加秸秆与蚯蚓的处理（SPE、SPL组）可显著降低土壤中Cd含量（P<0.05），SPE与SPL分别使土壤中的Cd含量降低了16%和12%，但P组和仅添加秸秆（SA）或者蚯蚓（PE、PL）的处理与CK无明显差异。

由本发明上述具体实施方式可知：添加蚯蚓或秸秆以及同时添加两者对籽粒苋的生长、Cd含量和迁移率、土壤Cd含量产生了影响。其中SPE组的籽粒苋株高、干重及其Cd含量和迁移率显著高于其他处理，且该处理下的土壤Cd含量显著降低。表明在酸性矿区Cd污染土壤中，只进行单一的植物修复难以解决实际问题，但是采用秸秆、赤子爱胜蚓以及籽粒苋对土壤进行联合修复，不仅可以改良土壤理化性状，还可以提高植物修复效率，显著降低土壤Cd含量，达到重金属污染土壤的修复目的。

Claims (6)

1.一种酸性矿区重金属污染土壤的生物联合修复方法，其特征在于，选取表层的重金属污染土壤，将籽粒苋幼苗移栽至混有粉碎秸秆的重金属污染土壤中，待籽粒苋稳定生长后，接种蚯蚓至重金属污染土壤中，培养45～60d后将籽粒苋移除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重金属为铜、锌、铅、镉中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重金属污染土壤中粉碎秸秆的添加量为土重的1～5%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚯蚓的接种密度为90～100g/m²。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚯蚓的种类为壮伟环毛蚓、赤子爱胜蚓。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述籽粒苋稳定生长的时间为2～7d。