CN111299316A - 偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取‑农艺调控联合修复方法，对拟修复区域内土壤预处理，种植一次或多次超富集植物直至拟修复区域内的土壤重金属含量满足修复目标值，对土壤再处理后种植目标重金属的低积累农作物，成熟后收获可食用部分检测重金属含量，满足标准则可以食用或市场销售，否则无害化处理，采用不同的农艺调控种植若干种低积累农作物，筛选出可食部分达标的低积累农作物分时节进行长期种植。本发明可以边修复、边生产、边收益，简单高效，土壤利用率高，修复彻底且维持时间长，无潜在风险，不影响土壤本身的结构和理化性质，根据实际情况选择最符合标准的重金属低积累作物分时节进行长期种植，农作物质量和产量均有保障。
Description
技术领域
本发明涉及污染的土壤的再生的技术领域，特别涉及一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法。
背景技术
农田土壤的环境质量关系到农产品安全生产和农田生态***的安全、稳定性和生产力。
现有技术中，从技术途径上看，农田重金属污染修复一般分为三种修复思路，分别为去除重金属总量、降低重金属活性、减少重金属的食物链风险的方式。
常用的农田土壤修复技术包括钝化技术、农艺调控、植物修复、化学淋洗等。这其中，钝化技术因其工程操作简单、成本低、原位异位均可实施、见效快、可大面积推广等优势被广泛应用，但其存在着不能去除土壤中重金属、仅只降低其有效性和迁移性的缺陷，随着时间的推移，钝化后的重金属可能再次被活化，从而存在潜在风险，并且频繁的投加化学性钝化剂，会影响土壤结构和理化性质，影响农作物质量和产量。化学淋洗技术易破坏土壤物理结构和理化性质，降低土壤肥力，不利于农作物生长，实施也较为复杂，某些情况下，存在有机溶剂二次污染的风险。单独植物修复可彻底清除土壤中重金属，然而受环境影响较大，修复周期长，治理期间影响土地利用。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法。
本发明所采用的技术方案是，一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：对拟修复区域内的土壤进行预处理；
步骤2：在预处理后的土壤内种植超富集植物；
步骤3：待超富集植物成熟，进行收割，对收割的超富集植物进行无害化处理；
步骤4：检测拟修复区域内土壤重金属含量是否满足修复目标值，若高于修复目标值则再次在土壤内种植超富集植物，返回步骤2，否则，进行下一步；
步骤5：对拟修复区域内的土壤进行再处理；
步骤6：在再处理后的土壤中种植目标重金属的低积累农作物；
步骤7：待低积累农作物成熟后，收获可食用部分进行重金属含量检测；
步骤8：若满足标准，则可以食用或市场销售，否则，将可食用部分与低积累农作物的秸秆共同进行无害化处理，进行步骤9；
步骤9：采用不同的农艺调控种植若干种低积累农作物，筛选出可食部分达标的低积累农作物分时节进行长期种植。
优选地，所述步骤1中，预处理包括以下步骤：
步骤1.1：采用旋耕机对土壤进行平整化处理；
步骤1.2：清除土地中的残余作物和根系；
步骤1.3：对土壤中直径大于5cm的土块进行细碎化处理。
优选地，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：在预处理后的土壤中施加有机肥作为基肥；
步骤2.2：在土壤中施加重金属诱导剂；
步骤2.3：采用旋耕机将0~30cm的耕作层土壤混合均匀，种植超富集植物。
优选的，所述步骤2.1中，对于预处理后的土壤，以每亩每年2000~3000kg有机肥进行施加。
优选地，所述步骤2.2中，重金属诱导剂为柠檬酸，投加量为每亩2.0 kg。
优选地，所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：对拟修复区域内的土壤清除所有的超富集植物的根部；
步骤5.2：对土壤进行平整化处理；
步骤5.3：在土壤中施加无机复合肥；
步骤5.4：翻耕0~30cm耕作层土壤。
优选地，所述步骤3和步骤8中，无害化处理包括将收割后的超富集植物和/或低积累农作物的可食用部分与秸秆运输至生物发电厂进行生物质发电，发电过程中植物焚烧的灰分固化/稳定化后进行填埋处置。
优选地，所述步骤9中，农艺调控包括替代种植、轮作、套种、水肥管理。
优选地，所述超富集植物包括蜈蚣草、大叶井口边草、东南景天、八宝景天、伴矿景天、印度芥菜、龙葵、李氏禾、海州香薷。
优选地，所述低积累农作物包括玉米、小麦、大豆、水稻、甘薯。
本发明提供了一种优化的偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，对拟修复区域内的土壤进行预处理后，种植一次或多次超富集植物，对每次收割的超富集植物进行无害化处理，直至拟修复区域内的土壤重金属含量满足修复目标值，对拟修复区域内的土壤进行再处理后种植目标重金属的低积累农作物，低积累农作物成熟后收获可食用部分进行重金属含量检测，满足标准则可以食用或市场销售，否则将低积累农作物的可食用部分与秸秆共同进行无害化处理，采用不同的农艺调控种植若干种低积累农作物，筛选出可食部分达标的低积累农作物分时节进行长期种植。
本发明可以实现边修复、边生产、边收益的生产理念，简单高效，土壤利用率高，在修复过程中产生的废料可以进行无害化处理并作为发电材料，对于土壤的修复具有彻底性且维持时间长，重金属随超富集植物的生长、收割及无害化处理逐渐排出至风险值以下，无潜在风险，以植物本身、佐以农艺调控，不影响土壤本身的结构和理化性质，完成前期处理后，根据实际情况选择可食用部分最符合标准的重金属低积累农作物分时节进行长期种植，农作物质量和产量均有保障。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明涉及一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，所述方法包括以下步骤。
步骤1：对拟修复区域内的土壤进行预处理。
所述步骤1中，预处理包括以下步骤：
步骤1.1：采用旋耕机对土壤进行平整化处理；
步骤1.2：清除土地中的残余作物和根系；
步骤1.3：对土壤中直径大于5cm的土块进行细碎化处理。
本发明中，对大块土粒进行细碎化处理是为了便于幼苗移栽或播种出苗；细碎化程度为将单个土块碎化至5cm及以下。
步骤2：在预处理后的土壤内种植超富集植物。
所述超富集植物包括蜈蚣草、大叶井口边草、东南景天、八宝景天、伴矿景天、印度芥菜、龙葵、李氏禾、海州香薷。
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：在预处理后的土壤中施加有机肥作为基肥；
所述步骤2.1中，对于预处理后的土壤，以每亩每年2000~3000kg有机肥进行施加。
步骤2.2：在土壤中施加重金属诱导剂；
所述步骤2.2中，重金属诱导剂为柠檬酸，投加量为每亩2.0 kg。
步骤2.3：采用旋耕机将0~30cm的耕作层土壤混合均匀，种植超富集植物。
本发明中，步骤2.1的有机肥需满足《有机肥料行业标准》（NY525-2012），每亩每年施加约2000~3000kg。
本发明中，在初夏时节超富集植物快速生长前期还可以施加无机复合肥，每亩每次施加20kg，每个生长周期施加1次复合肥即可；无机复合肥一般为氮磷钾复合肥，需满足《复混肥料国家标准》（GB15063-2009）中相关要求。
本发明中，还可以对超富集植物和/或低积累农作物进行补肥，由于低积累农作物对氮肥需求量一般高于磷肥和钾肥，故一般采用氮肥，如尿素类氮肥，氮肥每亩每次施加约10kg。
本发明中，步骤2.3中，采用旋耕机对耕作层土壤进行混合。
本发明中，超富集植物包括但不限于蜈蚣草、大叶井口边草、东南景天、八宝景天、伴矿景天、印度芥菜、龙葵、李氏禾、海州香薷。
本发明中，采用单独种植、轮作超富集植物均可，但对于大规模修复工程而言，间作的实施较为复杂，并且在间作的情况下，不同超富集植物和低积累农作物之间的相互影响不同，为了工程实施和修复目标的可实现性，主要采用单独种植的形式。
本发明中，蜈蚣草的生长过程中，植物体内的砷浓度会越来越高，繁殖的第二代和刈割后的第二茬蜈蚣草依然保持着很强的砷富集特性，证实其砷富集功能具有明显的遗传特性；大叶井口边草同理，同时大叶井口边草的地上部还可以有效吸收重金属铅；东南景天则是一种锌、镉、铅超积累植物，能将镉、锌、铅等较多地吸收到植株的地上部，有效减轻土壤重金属污染；八宝景天修复锌、镉污染土壤具有易操作、管理简单、费用低廉、镉移除效率高、修复效果好等优点；伴矿景天是在我国南方矿区发现的一种镉/锌超富集植物，因其对重金属镉和锌具有超强的抗性和富集能力，目前伴矿景天是镉污染土壤修复试验的一种主要的修复植物；印度芥菜对特定的金属具有超积累作用，经常被作为植物土壤修复引进的植物，砂培条件下印度芥菜对重金属镉的吸收量大，印度芥菜地下部对重金属的吸收富集能力远高于地上部；龙葵是一种镉超富集植物，其生长周期短、对镉富集能力强，生物量较大，是植物修复机理研究和应用的良好材料；李氏禾是中国境内发现的第一种铬超富集植物，能够有效去除铬、铜、镍污染物，表现出较强的潜力；而海州香薷则是中国原生的铜耐性植物，在土壤铜、锌污染的修复中具有应用前景。
步骤3：待超富集植物成熟，进行收割，对收割的超富集植物进行无害化处理。
所述步骤3和步骤8中，无害化处理包括将收割后的超富集植物和/或低积累农作物的可食用部分与秸秆运输至生物发电厂进行生物质发电，发电过程中植物焚烧的灰分固化/稳定化后进行填埋处置。
本发明中，固化/稳定化一般指污染土壤与能聚结成固体的黏结剂混合，从而将污染物捕获或固定在固体结构中的技术。
步骤4：检测拟修复区域内土壤重金属含量是否满足修复目标值，若高于修复目标值则再次在土壤内种植超富集植物，返回步骤2，否则，进行下一步。
步骤5：对拟修复区域内的土壤进行再处理。
所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：对拟修复区域内的土壤清除所有的超富集植物的根部；
步骤5.2：对土壤进行平整化处理；
步骤5.3：在土壤中施加无机复合肥；
步骤5.4：翻耕0~30cm耕作层土壤。
本发明中，步骤5.3的无机复合肥一般为氮磷钾复合肥，需满足《复混肥料国家标准》（GB15063-2009）中相关要求，无机复合肥每亩每次施加约20 kg。
本发明中，步骤5.4的翻耕厚度为30cm。
步骤6：在再处理后的土壤中种植目标重金属的低积累农作物。
所述低积累农作物包括玉米、小麦、大豆、水稻、甘薯。
本发明中，低积累农作物除了考虑农作物食用部分重金属含量外，还需要综合考虑农作物的产量状况，以及对当地土壤质地的适田性特性。
本发明中，低积累农作物包括但不限于玉米、小麦、大豆、水稻、甘薯，具体种植的作物可以依据需求、土壤情况自行调整。
步骤7：待低积累农作物成熟后，收获可食用部分进行重金属含量检测。
步骤8：若满足标准，则可以食用或市场销售，否则，将可食用部分与低积累农作物的秸秆共同进行无害化处理，进行步骤9。
所述步骤3和步骤8中，无害化处理包括将收割后的超富集植物和/或低积累农作物的可食用部分与秸秆运输至生物发电厂进行生物质发电，发电过程中植物焚烧的灰分固化/稳定化后进行填埋处置。
本发明中，重金属低积累农作物可食用部分重金属含量参照标准包括但不限于《食品安全国家标准粮食》（GB2715-2016）、《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）、《粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY861-2004）等。
步骤9：采用不同的农艺调控种植若干种低积累农作物，筛选出可食部分达标的低积累农作物分时节进行长期种植。
所述步骤9中，农艺调控包括替代种植、轮作、套种、水肥管理。
本发明中，给出一个实施例。
某省某重金属污染农田，长期受含Zn、Cd污染的河水灌溉农田，导致农田土壤中Zn、Cd的含量分别在105.1~404 mg/kg、0.19-2.91 mg/kg，最大值分别超标0.35倍和3.85倍，土壤pH检出范围为7.78-9.49，平均值为8.73，具体调查结果统计分析如表1所示。
表1 土壤环境调查结果统计
| 序号 | 污染物 | 评价标准（mg/kg） | 最小值（mg/kg） | 最大值（mg/kg） | 平均值（mg/kg） | 超标率 |
| 1 | 锌 | 300 | 105.1 | 404 | 198.8 | 25% |
| 2 | 镉 | 0.6 | 0.19 | 2.91 | 0.65 | 27.5% |
采用本发明的方法对超标的165亩农田土壤进行修复治理。具体实施方法如下：
第一阶段种植Zn、Cd超富集植物八宝景天：
1.1月~3月温室培育八宝景天幼苗；
2.同时对修复区土地进行平整，清除残余作物和根系，对大块土块进行破碎处理，以利于幼苗移栽；
3.3月在种植八宝景天之前，每亩施加3000 kg有机肥作基肥，追加肥料后再施加作为重金属活化剂的柠檬酸2.0 kg；
4.移栽八宝景天：采用旋耕机将耕作层0~30cm混合均匀，移栽八宝景天，种植密度30000株/亩，行距约20 cm；
5.田间管理：栽后连灌2次透水，观察土壤状况和移植苗生长状况，适时灌水且不积水，合墒时拔草松土；适时浇水除草直至收割，保持土壤湿润以及良好通风和光照条件；初夏时施加一次氮磷钾复合肥，每亩每次施加约20kg；
6.11月收割八宝景天，留茬不低于5cm，将收割的八宝景天一部分留做种苗繁育材料，剩余的晒干、运输至当地生物发电厂进行生物质发电，发电过程中植物焚烧的灰分固化/稳定化后进行填埋处置；
7.检测修复区内土壤重金属锌和镉含量，未达到项目要求的修复目标值，继续种植八宝景天进行植物提取修复；
8.第二年3月中旬，施肥，重复修复周期；
9.第二年11月连根收割八宝景天，晒干送至生物发电厂进行生物质发电；
10.检测土壤中重金属锌和镉含量，均已达到修复目标值，可进行第二阶段低积累农作物种植。
第二阶段种植低积累农作物小麦：
1.第二年11月八宝景天收获后，采用旋耕机对土壤再次进行平整、翻耕；
2.种植小麦前每亩地施加有机肥3000 kg作为基肥，无机复合肥20kg；
3.翻耕30cm耕作层，将肥料、土壤混合均匀，种植小麦，种子撒播密度约10 kg/亩，行距约35 cm；
4.田间管理：越冬前需大量灌水，忌冰层盖苗；在1月中旬至2月下旬进行化学除草；2月~3月期间，每亩地追加尿素10 kg，促进小麦返青拔节，提高小麦的分蘖率；此处，施肥和施肥时间与农作物种类和生长季节相关，该处为小麦拔节时期，施加尿素可以增产；
5.次年6月收获小麦籽粒进行检测分析，重金属Zn低于《粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY861-2004）标准中50 mg/kg，Cd低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）标准中0.1mg/kg时，可食用或市场销售；
6.如小麦籽粒不满足上述标准，则与小麦秸秆晒干共同运输至当地生物发电厂进行生物质发电，焚烧的灰分固化/稳定化后进行填埋处置。
经过两轮修复后，通过检测土壤和小麦籽粒中重金属含量变化，土壤中Zn、Cd平均含量变化如表2所示，小麦籽粒中Zn和Cd平均含量如表3所示，达到修复要求。
表2 修复区内土壤中Zn、Cd平均含量统计（单位：mg/kg）
| 污染物 | 修复目标值 | 修复前超标点平均浓度 | 修复后平均浓度 |
| 锌 | 300 | 339.5 | 264.37 |
| 镉 | 0.6 | 1.4 | 0.56 |
表3 修复区内小麦籽粒中Zn、Cd平均含量统计（干重，单位：mg/kg）
| 污染物 | 修复目标值 | 修复前平均浓度 | 修复后平均浓度 |
| 锌 | 50 | 77.331 | 43.263 |
| 镉 | 0.1 | 0.103 | 0.059 |
本发明对拟修复区域内的土壤进行预处理后，种植一次或多次超富集植物，对每次收割的超富集植物进行无害化处理，直至拟修复区域内的土壤重金属含量满足修复目标值，对拟修复区域内的土壤进行再处理后种植目标重金属的低积累农作物，低积累农作物成熟后收获可食用部分进行重金属含量检测，满足标准则可以食用或市场销售，否则将低积累农作物的可食用部分与秸秆共同进行无害化处理，采用不同的农艺调控种植若干种低积累农作物，筛选出可食部分达标的低积累农作物分时节进行长期种植。
本发明可以实现边修复、边生产、边收益的生产理念，简单高效，土壤利用率高，在修复过程中产生的废料可以进行无害化处理并作为发电材料，对于土壤的修复具有彻底性且维持时间长，重金属随超富集植物的生长、收割及无害化处理逐渐排出至风险值以下，无潜在风险，以植物本身、佐以农艺调控，不影响土壤本身的结构和理化性质，完成前期处理后，根据实际情况选择可食用部分最符合标准的重金属低积累农作物分时节进行长期种植，农作物质量和产量均有保障。
Claims (10)
1.一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：对拟修复区域内的土壤进行预处理；
步骤2：在预处理后的土壤内种植超富集植物；
步骤3：待超富集植物成熟，进行收割，对收割的超富集植物进行无害化处理；
步骤4：检测拟修复区域内土壤重金属含量是否满足修复目标值，若高于修复目标值则再次在土壤内种植超富集植物，返回步骤2，否则，进行下一步；
步骤5：对拟修复区域内的土壤进行再处理；
步骤6：在再处理后的土壤中种植目标重金属的低积累农作物；
步骤7：待低积累农作物成熟后，收获可食用部分进行重金属含量检测；
步骤8：若满足标准，则可以食用或市场销售，否则，将可食用部分与低积累农作物的秸秆共同进行无害化处理，进行步骤9；
步骤9：采用不同的农艺调控种植若干种低积累农作物，筛选出可食部分达标的低积累农作物分时节进行长期种植。
2.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤1中，预处理包括以下步骤：
步骤1.1：采用旋耕机对土壤进行平整化处理；
步骤1.2：清除土地中的残余作物和根系；
步骤1.3：对土壤中直径大于5cm的土块进行细碎化处理。
3.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：在预处理后的土壤中施加有机肥作为基肥；
步骤2.2：在土壤中施加重金属诱导剂；
步骤2.3：采用旋耕机将0~30cm的耕作层土壤混合均匀，种植超富集植物。
4.根据权利要求3所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤2.1中，对于预处理后的土壤，以每亩每年2000~3000kg有机肥进行施加。
5.根据权利要求3所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤2.2中，重金属诱导剂为柠檬酸，投加量为每亩2.0 kg。
6.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1：对拟修复区域内的土壤清除所有的超富集植物的根部；
步骤5.2：对土壤进行平整化处理；
步骤5.3：在土壤中施加无机复合肥；
步骤5.4：翻耕0~30cm耕作层土壤。
7.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤3和步骤8中，无害化处理包括将收割后的超富集植物和/或低积累农作物的可食用部分与秸秆运输至生物发电厂进行生物质发电，发电过程中植物焚烧的灰分固化/稳定化后进行填埋处置。
8.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述步骤9中，农艺调控包括替代种植、轮作、套种、水肥管理。
9.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述超富集植物包括蜈蚣草、大叶井口边草、东南景天、八宝景天、伴矿景天、印度芥菜、龙葵、李氏禾、海州香薷。
10.根据权利要求1所述的一种偏碱性重金属污染农田土壤的植物提取-农艺调控联合修复方法，其特征在于：所述低积累农作物包括玉米、小麦、大豆、水稻、甘薯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200619 |