以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，包括如下步骤：1）将待整治石漠化地地表的石块进行破碎，平整地面；2）将河沙均匀平铺于平整后的地面上；3）将重金属污染底泥平铺于河沙上；4）将稳定剂撒于重金属污染底泥上；5）第一次旋耕；6）干湿交替处理15天，暴晒7天，进行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、河沙、稳定剂的混合物质量含水率自然降低到25～30%，进行第三次旋耕，旋耕方向与第二次垂直；7）第三次旋耕后种植豆科绿肥1茬，进行第四次旋耕将绿肥还田，2个月后得到耕作层土壤。本方法得到的耕作层土壤重金属稳定化效果明显，种植的蔬菜作物重金属含量符合国家标准。
【专利说明】以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土地整治工程领域，特别涉及一种以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法。
【背景技术】
[0002]土地整治是对低效利用、不合理利用、未利用以及生产建设活动和自然灾害损毁的土地进行整治，提高土地利用效率的活动；也是盘活存量土地、强化节约集约用地、适时补充耕地和提升土地产能的重要手段。其中土地整治工程中对耕作层土壤的要求特别的高，即通过整治后耕地质量比整治前耕地质量提高至少一个等级。具体指标就是整治土层厚度为15~20cm以上，养分齐全，有机质丰富，团粒结构好，土壤环境好，适宜进行长期耕作。在现阶段的土地整治工程中，耕作层土壤的来源主要有以下几个模式:(I)剥离表土层回填；(2)开发建设项目客土回填；(3)在现有耕作层土壤中施加肥料改良等三种主要的耕作层土壤来源模式，但是上述模式都是基于在整治工程中土壤资源较丰富的地区可实现，且部分模式受土壤运距的原因导致经济技术成本较高而不可实现。
[0003]石漠化是指在热带、亚热带湿润、半湿润气候条件和岩溶极其发育的自然背景下，受人为活动干扰，使地表植被遭受破坏，导致土壤严重流失，基岩大面积裸露或砾石堆积的土地退化现象，也是岩溶地区土地退化的极端形式，石漠化的后果就是该地区的土地资源丧失。在石漠化区土地整治工程中解决耕作层土壤的问题是非常重要的，缺少土壤也是限制石漠化区土地整治工程快速推进的主要经济技术因素。
[0004]底泥是水体的重要组成部分，主要由粘土矿物、有机质、活性金属氧化物组成，这种天然的颗粒物具有巨 大的比表面积，在水环境中发挥着重要的作用，它是水中各种污染物的源和汇。底泥疏浚是改善湖泊水质的有效措施，处置疏浚底泥需要同时达到安全、合理、经济的要求。底泥的资源化利用越来愈多地得到人们的关注，轻、中度污染的疏浚底泥资源化利用途径中，土地利用具有用量大、技术简单和经济性好的优势，疏浚底泥的农业资源化利用，不仅可以变废为宝，而且减少了环境污染。
[0005]由于湖泊底泥中含有丰富的有机质、氮、磷等营养元素，其资源化利用己经成为当今研究的热点，但其中的重金属元素超标己成为制约其农业资源化利用的关键因素。许多学者针对如何减少和降低疏浚底泥中重金属毒害作用展开了广泛的研究，但系统性、经济性和实用性还达不到要求。因此，如何对湖泊底泥进行合理资源化利用并避免重金属对土壤一植物系统污染的研究就显得具有十分重要的意义。另外，由于底泥中粘土矿物含量较高，导致脱水后的底泥易板结成硬块，其物理结构不适于植物生长。因此在解决重金属污染的同时还需要调节、改良其构建土壤的物理化学性质。
[0006]河道底泥的资源化利用研究，不仅可以解决底泥出路问题，又可以产生一定的经济效益。底泥资源化技术主要有:制砖、制陶粒、吸附剂、土地利用等。许多研究表明，湖泊底泥土地利用后，总团粒结构和水稳性团粒结构增加；同时也提高了土壤含水量、田间持水量以及土壤孔隙度和毛管孔隙度。有机质含量高以及腐熟化程度较高的底泥施用后，能够使土壤容重减小，土壤固相容积逐渐减少，液相和气相容积逐渐增加；但是粘土矿物含量较高及低腐熟的底泥则可能增加土壤容重和引起板结。因此，底泥的施用可以明显改善土壤的各种理化性状，从而提高土壤保水、保肥及供水、供肥的能力。底泥及其配制成的底泥颗粒肥料含有一定量的养分，比猪粪养分含量高，具有一定的肥效作用。由此说明底泥土地利用后，均能提高土壤养分含量水平。底泥土地利用不仅能带入大量有机质和矿质养分，为土壤中的微生物提供养分，而且底泥本身含有丰富的微生物，提高了土壤微生物的数量。同时，施用城市污泥可以改变土壤微生物的种群结构，提高土壤硝化细菌的比例，增加酶活性，提闻土壤的基础肥力和土壤腐殖质的含量。底泥中含有大量的氣和憐，也含有钟、钙、铁、硫、镁、锌、铜、锰、硼、钥等微量元素，可以缓慢供给植株生长所需的养分。
[0007]同时底泥土地利用存在的风险主要为重金属污染，底泥中重金属种类繁多，主要有Cu、Pb、Zn、N1、Cr、Hg、Cd等，是限制其大规模土地利用的重要因素。目前对土壤重金属的污染研究较多，主要集中在底泥土地利用后土壤耕层重金属的变化、作物各部位重金属累积量、存在形态及其影响等。底泥合理农用不会造成土壤和农产品的重金属污染，但长期施用会增加土壤中重金属的含量。因此，长期施用湖泊底泥及其肥料需进行必要的监测。底泥中含有多种有机污染物，通过生物富集作用可以在生物体内达到较高的水平，从而产生较强的毒害作用，通过食物链还可能危害到人类的健康。
[0008]另外，自然脱水后的底泥质地非常紧实，容重高达1.89g/cm3，孔隙度只有23.8%。适合植物良好生长的土壤孔隙度范围一般为55%~65%。孔隙度低的土壤非常紧实坚硬，影响植物根系的生长和呼吸。因此，如果不对疏浚底泥进行质地调节，就不能成为植物生长的介质，影响其大量用于土地。
【发明内容】
[0009]针对现有 的石漠化地区土壤整治技术上的不足、底泥农业资源化利用技术的不足，本发明的目的在于提供一种以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法。
[0010]本发明提供的一种以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，包括如下步骤:
[0011]I)将待整治石漠化地地表的石块进行破碎，平整地面；
[0012]2)将河沙均匀平铺于步骤I)平整后的地面上；
[0013]3)将重金属污染底泥平铺于步骤2)所述的河沙上；
[0014]4)将稳定剂撒于步骤3)所述重金属污染底泥上；
[0015]5)在完成步骤4)的地面上进行第一次旋耕；
[0016]6)干湿交替处理15天，暴晒7天，进行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、河沙、稳定剂的混合物质量含水率自然脱水降低到25~30%，进行第三次旋耕，旋耕方向与第二次垂直；
[0017]7)第三次旋耕后种植豆科绿肥I茬，绿肥株高达到30-35cm时进行第四次旋耕将绿肥还田，2个月后得到耕作层土壤。
[0018]其中，步骤I)所述石块进行破碎的标准为破碎后石块粒径< 5cm。
[0019]其中，步骤I)所述平整地面的标准为坡度比< 3:1000。
[0020]其 中，步骤2)所述河沙的粒径≥0.02mm,河沙平铺的厚度为30~35cm。该层河沙部分作为耕作层土壤的基部垫层、另一部分作为土壤混合层。
[0021]其中，步骤3)所述的重金属污染底泥为重金属污染河道底泥和/或重金属污染湖泊底泥。
[0022]其中，步骤3)所述重金属污染底泥平铺的厚度为18~24cm，优选20cm。
[0023]其中，步骤4)所述的稳定剂为重金属处理稳定剂，优选为包括以下重量份成分的稳定剂:钙镁磷肥5份，氧化钙5份，轻烧白云石I~3份。
[0024]其中，步骤4)所述的稳定剂的使用量为:每100重量份底泥用稳定剂0.6~0.9重量份，优选每100重量份底泥用稳定剂0.75重量份。
[0025]其中，步骤6)所述干湿交替处理15天，为喷水一次使底泥湿润后晾晒5天，反复进行3次，共15天。
[0026]其中，所述第一次旋耕的深度为20cm ;第二次旋耕的深度为25cm ;第三次旋耕的深度为30cm ;第四次旋耕的深度为30cm ；4次的旋耕方式均为呈螺旋状前进旋耕。
[0027]其中，所述豆科绿肥，优选柱花草、扁豆、田菁中的一种或几种。
[0028]本发明还提供以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法在底泥重金属污染治理上的应用。
[0029]本发明还提供以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤方法得到的耕作层土壤在农作物种植中的应用。
[0030]与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果: [0031]本发明以重金属复合污染河道底泥为处理对象，采用钙镁磷肥、氧化钙、轻烧白云石为重金属稳定剂，以河沙、还田绿肥为理化性质改良剂，处理过的底泥重金属稳定效果好，可浸出成分减少，难于作物吸收，同时理化性质改良效果明显，具有良好的增产效果。为受污染河道底泥的资源化处置提供了出路，为石漠化区土地整治工程中耕作层土壤的构建提出了新的方法，同时成为我国底泥资源化处置、土地整治工程中耕作层土壤构建的互相补充与有机结合。
[0032]本发明第一次旋耕的深度为20cm，确保底泥和稳定剂初步混合与接触；干湿交替处理15天，暴晒7天后第二次旋耕，深度为25cm，旋耕方向与第一次反向，确保底泥、稳定剂及部分河沙充分混合；底泥、河沙、稳定剂的混合物质量含水率降低到25~30%时进行第三次旋耕，旋耕方向与第二次旋耕垂直，深度为30cm，确保底泥和河沙按设计比例(体积2:1)进行混合，使得所构建的耕作层土壤厚度符合土地整治的要求。本发明是通过现场底泥的铺设厚度和旋耕深度来实现底泥和河沙的用量及底泥和河沙混合比例，具有实际的生产价值和意义。通过前三次旋耕土体沉降稳定后，该土壤45cm厚从上到下O~25cm为耕作层土壤；25~35cm为过渡层(犁底层);35~45cm河沙垫层(母质层)，使得该土壤剖面垂直结构合理。
[0033]本发明的方法处理后得到的耕作层土壤底泥颗粒直径< 3cm，底泥及河沙混合均匀。
[0034]发明人从重金属赋存形态和农作物吸收的角度，通过重金属的浸出试验、蔬菜种植大田试验，旱作作物大田试验等方面证明了处理后底泥中的重金属有良好的稳定效果，防止了底泥在农业资源化利用中的二次污染问题和食品安全问题。发明人从底泥构建耕作层土壤后土壤的酸碱度调节试验、土壤肥力改良及增产试验、土壤机械组成调节试验等方面证明了底泥构建耕作层土壤可整体提高土壤质量效果，为底泥在农业资源化中的进一步利用打下了良好的基础。
[0035]经实际测试，本发明所述方法处理后的底泥，重金属Cr、Cu、Zn和Cd的稳定化效果明显，种植的空心菜、柿子椒两种蔬菜作物及旱作作物毛豆中的重金属含量均低于最新发布的《GB2762-2012食品安全国家标准-食品中污染物限量》中规定的的相关限值，且低于《GB18406.1-2001农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》中规定的的相关限值。
【具体实施方式】
[0036]以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0037]实施例1以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法
[0038]2012年11月，在海南省海口市龙华区新坡镇下寺村，将待整治石漠化地地表的石块进行破碎，平整地面。石块进行破碎的标准为破碎后石块粒径≤5cm，平整地面的标准为坡度比≤3:1000。
[0039]将来自于海口市南渡江新坡镇河段的河沙(粒径≥0.02mm)按照设计厚度35cm均匀平铺于经过平整处理过的石漠化地块上，接着将疏浚出的海口市新坡镇某河塘中的底泥进行自然脱水铺平自然晾干脱水后均匀平铺于河沙上面，底泥铺设厚度为20cm。
[0040]均匀施撒稳定剂到上述重金属污染底泥上，所述稳定剂包括钙镁磷肥、氧化钙、轻烧白云石，三者对应的质量比例为5:5:2，每100重量份底泥用稳定剂0.75重量份。
[0041]在撒了稳定剂的地面上用旋耕机(东方红1GQN-125旋耕机，中国一拖集团有限公司，后面的旋耕所用机器相同)进行第一次旋耕；干湿交替处理15天，暴晒7天，进行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、河沙、稳定剂的混合物质量含水率自然降低到25~30%，进行第三次旋耕，旋耕方向与第二次垂直；第三次旋耕后种植豆科绿肥I茬，种植绿肥为柱花草，长到株高30cm后进行第四次旋耕将绿肥还田，2个月后得到耕作层土壤。所述干湿交替处理15天，为喷水一次使底泥湿润后晾晒5天，反复进行3次，共15天。所述第一次旋耕的深度为20cm ;第二次旋耕的深度为25cm ;第三次旋耕的深度为30cm ;第四次旋耕的深度为30cm ；4次的旋耕方式均为呈螺旋状前进旋耕。
[0042]第四次旋耕后2 个月，使用 EPA 的 Method_1311Toxicity CharacteristicLeaching Procedure (TCLP)进行测定，同时设置0.3%石灰+0.3% 钙镁磷肥做稳定剂(100重量份底泥加0.3重量份石灰和0.3重量份钙镁磷肥)作为对比。所述方法处理后的底泥，TCLP浸出浓度明显减少。其中，Cr元素的浸出浓度比未稳定组减少了 36.30%，相对于石灰钙镁磷肥处理组减少了 56.53% ；Cu元素的浸出浓度比未稳定组减少了 69.92%，相对于石灰钙镁磷肥处理组减少了 44.21% ；Zn元素的浸出浓度比未稳定组减少了 28.05%，相对于石灰钙镁磷肥处理组减少了 26.04% ；Cd元素的浸出浓度比未稳定组减少了 31.34%，相对于石灰钙镁磷肥处理组减少了 28.02% ;浸出液中Pb、As、Hg元素的浓度均低于检出限。
[0043]结果具体见表1，重金属浸出减少，稳定效果明显。
[0044]表1稳定前后底泥TCLP浸出液中重金属浓度(单位:μ g/L)
[0045]
【权利要求】
1.一种以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，包括如下步骤: 1)将待整治石漠化地地表的石块进行破碎，平整地面； 2)将河沙均匀平铺于步骤I)平整后的地面上； 3)将重金属污染底泥平铺于步骤2)所述的河沙上； 4)将稳定剂撒于步骤3)所述重金属污染底泥上； 5)在完成步骤4)的地面上进行第一次旋耕； 6)干湿交替处理15天，暴晒7天，进行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、河沙、稳定剂的混合物质量含水率自然脱水降低到25~30%，进行第三次旋耕，旋耕方向与第二次垂直； 7)第三次旋耕后种植豆科绿肥I茬，绿肥株高达到30-35cm时进行第四次旋耕将绿肥还田，2个月后得到耕作层土壤。
2.根据权利要求1所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，步骤I)所述石块进行破碎的标准为破碎后石块粒径< 5cm ;步骤I)所述平整地面的标准为坡度比< 3:1000。
3.根据权利要求1所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，步骤3)所述的重金属污染底泥为重金属污染河道底泥和/或重金属污染湖泊底泥；重金属污染底泥平铺的厚度为18~24cm。
4.根据权利要求1所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，步 骤4)所述的稳定剂为重金属处理稳定剂。
5.根据权利要求4所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，步骤4)所述的稳定剂包括以下重量份成分:钙镁磷肥5份，氧化钙5份，轻烧白云石I~3份。
6.根据权利要求5所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，步骤4)所述的稳定剂的使用量为:每100重量份底泥用稳定剂0.6~0.9重量份。
7.根据权利要求1所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，步骤6)所述干湿交替处理15天，为喷水一次使底泥湿润后晾晒5天，反复进行3次，共15天。
8.根据权利要求1所述的以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法，其特征在于，所述第一次旋耕的深度为20cm ;第二次旋耕的深度为25cm ;第三次旋耕的深度为30cm ;第四次旋耕的深度为30cm。
9.权利要求1-8任一项以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤的方法在底泥重金属污染治理上的应用。
10.权利要求1-8任一项以重金属污染底泥于石漠化地表构建耕作层土壤方法得到的耕作层土壤在农作物种植中的应用。
【文档编号】B09C1/00GK103843488SQ201310407518
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】刘永兵, 李翔, 吴军, 巴特尔, 洪文良, 贾斌, 许杰峰, 程言君, 张建中, 张琼 申请人:轻工业环境保护研究所, 海口市土地储备整理中心