一种电动力耦合辣椒种植修复砷污染农用地土壤的方法与流程

本发明涉及一种利用电场来增强植物修复重金属污染土壤方法。属于环境保护技术领域，更具体的，本发明涉及一种砷污染农用地土壤的原位修复方法。属于土壤修复技术领域。

背景技术：

土壤砷污染已经成为一个世界性的环境问题。农用地土壤的砷污染问题还将导致食品中砷的累积，并引发食品安全和人体健康问题。由于土壤中的砷基本上不可能由自然净化的方式去除，因此必须对砷污染土壤进行人工治理与修复，才能达到对土壤中的砷进行固定、隔离、降低毒性或者从土壤中去除的目的。

国内外的研究学者针对砷污染土壤修复的问题开展了大量的研究工作，使用的方法也有多种。按照修复原理可以分为物理修复、化学修复和生物修复。常见的物理方法包括换土法和玻璃化法，化学方法包括固化稳定化、土壤淋洗和电动力法，生物方法包括植物和微生物修复技术。虽然这些技术各有其优点，但是在实际操作中，大多先要进行挖掘，然后再进行进一步处理，所以其工程量大、费用高，很难在大面积的土壤修复项目中实现。另外，利用化学方法处理过的土壤，其肥力以及土壤本身生态系统都会遭到严重的破坏，而导致其农业再利用价值低，所以也很难成为一种绿色，高效的土壤修复技术。

植物修复技术是一种利用植物来修复污染环境的方法。植物修复技术具有费用低、不破坏环境、适用于大面积修复项目等特点，适合我国的基本国情，具有很大的研究和应用价值。上述方法具有绿色修复和可持续修复的特点，所以近年来受到科研人员的广泛关注。

电动力修复技术将污染土壤中离子的电渗析与电迁移技术结合在一起，通过在土壤中插入电极，然后通以低强度的直流电形成电场梯度，金属离子在电场的作用下定向移动，在电极附近富集集中处理或回收利用，从而修复受污染的土壤。近年来，将电动力修复和植物修复联合使用进行污染土壤的修复已经出现在文献报道和发明专利申请之中。

2018年8月24日，常州大学申请公开了一项发明专利申请，一种电动力学联合植物修复重金属污染土壤的方法(cn108435770a)。将电动力修复与黑麦草种植结合在一起修复镉污染土壤，在电动力作用48天后，镉主要富集在黑麦草的根部，茎叶部分较少。为了将土壤中镉去除就必须将黑麦草连根拔起，而黑麦草的细根非常发达，很难通过拔除黑麦草植株的方式将细根连根清理出来，导致大量镉仍然遗留在土壤之中。另外，由于重金属镉仍有少部分进入了黑麦草的茎叶之中，这种修复土壤后产生的含有重金属镉的黑麦草就不再适合于用作动物饲料，否则将导致重金属镉在动物体内的蓄积，影响肉食品安全。通常情况下，这种富集了重金属镉的黑麦草只能进入垃圾填埋场处置。农民在种植黑麦草过程中所占用的田地、花费的化肥、农药以及相应的时间精力等成本投入，在种植黑麦草修复土壤的过程中没有获得任何经济作物作为回报，因此这种没有经济收益的修复方式很难获得农民的认可，政府部门也很难连续地大量投入资金进行土壤修复，这种修复方式在经济层面上仍然不可持续。另外，黑麦草只是对土壤中镉的富集有效，对砷的净化没有任何效果。

2018年4月20日，河海大学获得了一项专利授权，一种干湿调控结合电动力及富集植物的镉污染稻田土壤联合修复方法(zl201510881965.0)。采用干湿调控土壤含水率，通过套种作物的方式进行水稻生产。将水稻种植于电动力修复的有效态镉输出区—阳极区，以减少水稻吸收镉，而将镉超富集植物种植于有效态镉浓度富集区—阴极区，利用超富集植物吸收有效态镉，实现污染土壤的修复。在电动力作用下，由于镉在阴阳两级之间的分布呈线性连续分布，并非全部集中在阴极区，因此种植在阳极区域的水稻仍然会将镉富集在水稻的籽粒之中，只不过降低了水稻籽粒中镉的浓度而已，并不能保证粮食安全。另外，该技术只适合镉的富集和修复，不适于土壤砷的去除。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种绿色的且经济上可持续的修复技术：电动力技术与辣椒种植耦合修复砷污染农用地土壤，既可从污染土壤中去除砷又可以获得满足国家食品安全标准的辣椒果实。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明通过将电动力技术与辣椒种植耦合修复砷污染农用地土壤，通过辣椒生长移除土壤中的砷，同时获得无砷污染的辣椒果实。

具体实施步骤为：

辣椒树苗的准备。具体为：将试验所用种子首先在纯水中浸泡12-24h，后置于潮湿表面皿中进行催芽，待长出0.3-0.5cm根以后，将辣椒苗移栽种入营养土中进行育苗。育苗10-15天以后，将辣椒苗移栽到经预处理后的污染农用地土壤。其中，营养土由肥沃的田园土和充分腐熟的有机圈肥按5-7:1-3比例混合而成；将猪粪与稻草秸秆按照质量4-8:1-2混合后，在30～60℃温度下堆肥15-21天，接着在常温下自然腐熟25-30天，获得有机圈肥。

将砷污染农用地表层50cm土壤进行翻耕、刨松、撒水，保证土壤湿度在40-60％。将培育好的辣椒苗以等间隔纵横直线排列的方式种植在土壤中，纵向和横向的辣椒树苗两两之间间隔均为30-60cm。将两块长、宽、厚分别为350cm、60cm和0.3cm的石墨毡电极板插入土壤中，电极材料顶部与土壤表面齐平，并分别与直流电源的正负极相连接，组成电动力装置。两块电极板均插入两排辣椒树苗的正中间，两块电极板之间的距离为90-180cm，是两颗辣椒之间间距的3倍；电极板的长度为210-420cm，是两颗辣椒之间间距的7倍。电动力装置施加在土壤中电压为0.1～2v/cm，每隔24小时将电动力装置的正负极互换，改变土壤中电流方向。

在运行60天后，土壤中生物有效态砷被去除95％以上，辣椒果实中砷含量远远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(gb2762-2012)中砷的限值。

本发明具有以下的特点：

(1)电动力促进砷在土壤中迁移，使砷酸根离子更容易到达辣椒根系区域，提高根系周围土壤中砷的浓度。

(2)电动力改变辣椒根系周围微环境，进而改变辣椒生长属性。

(3)重金属砷只富集在辣椒的根茎叶之中，不富集在辣椒果实中，保证了农产品质量安全。

附图说明

图1是本发明所述电动力耦合辣椒种植修复砷污染土壤示意图。

图中：1.辣椒，2.石墨毡电极板，3.直流电源。

具体实施方式

实施例1

辣椒树苗的准备。将试验所用种子首先在纯水中浸泡12-24h，后置于潮湿表面皿中进行催芽，待长出0.3-0.5cm根以后，将辣椒苗移栽种入营养土中进行育苗。育苗10-15天以后，将辣椒苗移栽到经预处理后的污染农用地土壤。其中，营养土由肥沃的田园土和充分腐熟的有机圈肥按5-7:1-3比例混合而成；将猪粪与稻草秸秆按照质量4-8:1-2混合后，在30～60℃温度下堆肥15-21天，接着在常温下自然腐熟25-30天，获得有机圈肥。

实验场地选择在湖南省内某砷污染农用地土壤，土壤中总砷浓度为288mg/kg，有效态砷浓度为126mg/kg，土壤ph＝5.8。将土壤表层50cm进行翻耕、刨松、撒水，使得土壤湿度保持在55-60％。选用的辣椒品种为朝天椒。将辣椒苗以等间隔纵横直线排列的方式种植在土壤中，纵向和横向的辣椒树苗两两之间间隔均为50cm。将两块长、宽、厚分别为350cm、60cm和0.3cm的石墨毡电极板插入土壤中，电极材料顶部与土壤表面齐平，并分别与直流电源的正负极相连接，组成电动力装置。两块电极板均插入两排辣椒树苗的正中间，且两块电极板之间的距离为150cm。两电极板之间种植了3排辣椒苗，如附图1所示。电动力装置施加在土壤中电压为1.0v/cm，每隔24小时将电动力装置的正负极互换，改变土壤中电流方向。

将以上施加了电动力作用的实验组称之为耦合修复组。与此同时，在离耦合修复组50米处，设置一个只种植辣椒不施加电场的实验对照组，其土壤处理方式和辣椒种植方式完全与耦合修复组相同，以考察电动力作用下对辣椒富集砷的影响。

在施加电场运行60天时，耦合修复组的辣椒根中砷的平均含量比对照组高160.8％，辣椒茎叶砷的平均含量比对照组高268.6％；土壤中有效态砷含量比对照组低62.6％，且土壤中有效态砷的去除率达到了96.6％；耦合修复组辣椒果实中砷的平均含量只有对照组的6.5％，且远远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(gb2762-2012)中砷的限值。

实施例2

辣椒树苗的准备，如实施例1所述。

实验场地选择在湖南省内某砷污染农用地土壤，土壤中总砷浓度为198mg/kg，有效态砷浓度为85.5mg/kg，土壤ph＝5.5。将土壤表层50cm进行翻耕、刨松、撒水，使得土壤湿度保持在45-50％左右。选用的辣椒品种为牛角椒。将辣椒苗以等间隔纵横直线排列的方式种植在土壤中，纵向和横向的辣椒树苗两两之间间隔均为60cm。将两块长、宽、厚分别为420cm、60cm和0.3cm的石墨毡电极板插入土壤中，电极材料顶部与土壤表面齐平，并分别与直流电源的正负极相连接，组成电动力装置。两块电极板均插入两排辣椒树苗的正中间，且两块电极板之间的距离为180cm。两电极板之间种植了3排辣椒苗，如附图1所示。电动力装置施加在土壤中电压为0.7v/cm，每隔24小时将电动力装置的正负极互换，改变土壤中电流方向。

将以上施加了电动力作用的实验组称之为耦合修复组。与此同时，在离耦合修复组50米处，设置一个只种植辣椒不施加电场的实验对照组，其土壤处理方式和辣椒种植方式完全与耦合修复组相同，以考察电动力作用下对辣椒富集砷的影响。

在施加电场运行60天时，耦合修复组的辣椒根中砷的平均含量比对照组高132.5％，辣椒茎叶砷的平均含量比对照组高236.6％；土壤中有效态砷含量比对照组低50.8％，且土壤中有效态砷的去除率达到了95.8％；耦合修复组辣椒果实中砷的平均含量只有对照组的8.6％，且远远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(gb2762-2012)中砷的限值。

实施例3

辣椒树苗的准备，如实施例1所述。

实验场地选择在湖南省内某砷污染农用地土壤，土壤中总砷浓度为356mg/kg，有效态砷浓度为138.5mg/kg，土壤ph＝6.1。将土壤表层50cm进行翻耕、刨松、撒水，使得土壤湿度保持在50-55％左右。选用的辣椒品种为灯笼椒。将辣椒苗以等间隔纵横直线排列的方式种植在土壤中，纵向和横向的辣椒树苗两两之间间隔均为30cm。将两块长、宽、厚分别为210cm、60cm和0.3cm的石墨毡电极板插入土壤中，电极材料顶部与土壤表面齐平，并分别与直流电源的正负极相连接，组成电动力装置。两块电极板均插入两排辣椒树苗的正中间，且两块电极板之间的距离为90cm。两电极板之间种植了3排辣椒苗，如附图1所示。电动力装置施加在土壤中电压为1.5v/cm，每隔24小时将电动力装置的正负极互换，改变土壤中电流方向。

将以上施加了电动力作用的实验组称之为耦合修复组。与此同时，在离耦合修复组50米处，设置一个只种植辣椒不施加电场的实验对照组，其土壤处理方式和辣椒种植方式完全与耦合修复组相同，以考察电动力作用下对辣椒富集砷的影响。

在施加电场运行60天时，耦合修复组的辣椒根中砷的平均含量比对照组高145.6％，辣椒茎叶砷的平均含量比对照组高219.8％；土壤中有效态砷含量比对照组低60.6％，且土壤中有效态砷的去除率达到了96.2％；耦合修复组辣椒果实中砷的平均含量只有对照组的9.3％，且远远低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(gb2762-2012)中砷的限值。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。