一种循环修复镉污染稻田与种植水稻的方法与流程

本发明涉及环境中重金属污染的修复，涉及稻田镉污染清除，具体为一种循环修复镉污染稻田与种植水稻的方法。
背景技术：
：目前世界各国对农田重金属污染修复技术主要包括物理、化学、生物、农业生态和联合修复技术等，具体如下：一、物理修复技术1、工程措施：主要由客土、换土、深耕繁土等。客土和换土主要用于搬迁工矿厂这类重污染区(一般镉含量≥1.0ppm)，客土和换土措施，具有彻底、稳定的优点，但是工程量巨大、投资高，易破坏土体结构，而且还要对污染的土壤进行二次集中处理，只适用于小面积重污染区修复治理。而深耕翻土则一般用于农田这类轻度污染区(一般镉含量低于0.5ppm)，其工程量也较大，投资高，对土壤结构及肥力具有一定得破坏作用，甚至会破坏水田特有的犁底层，而且只是暂时性的通过翻土的方式稀释重金属浓度，没有根本性解决问题。2、热脱附：该方法主要通过对污染土壤进行热处理，将一些沸点低的重金属如Hg、As、Se等从土壤中解吸出来的一种方法。该方法工艺简单，效果也较好。但是耗能大、费用高，对土壤环境有较大影响，而且只适用于低沸点易挥发的污染物。对于镉这类高沸点的重金属，则不适用。二、化学修复技术1、电动修复：电动修复是在污染土壤两侧施加直流电压，重金属在是土壤形成电场中向两侧进行迁移，然后再土壤电极两侧进行集中收集处理。该法适用于低渗透的黏土和淤泥土，并且可以同时除去重金属和有机污染物，不搅动土层，操作简单。但该法极易导致土壤理化性质变化而造成肥力的破坏，尤其是某些植物营养元素的化学形态的改变和含量的变坏，也不适用于大面积的农田土壤重金属修复。2、淋洗技术：淋洗技术是将水或含有冲洗助剂的熬合剂(柠檬酸、EDTA、DTPA)、酸/碱(硫酸、硝酸)、络合剂(醋酸、醋酸铵、环糊精)、表面活性剂(SDS、SDBS)等淋洗剂注入污染土壤中，洗脱和清洗土壤中的污染物的过程。该技术的关键是寻找针对性强而又不破坏土壤的淋洗液。该方法高效、快速。但是不适用于大面积的农田重金属修复，而且淋洗液价格昂贵，处理后的废液可能造成二次污染。3、稳定/固化修复技术：稳定/固化修复技术是指运用物理或化学方法将土壤中的重金属化学性质转化成不活泼状态，阻止被植物吸收，从而降低植物对重金属的吸收富集。物理方法主要有高温煅烧成玻璃态，或者添加固化剂如热硬化有机聚合物、无机粘结物质、有机站结物质等。化学方法一般通过加入多种金属氧化物、有机质、高分子聚合材料等措施。稳定/固化修复技术属于原位修复，简单易形，但不是一种永久的修复措施，只是改变了重金属的存在形态，金属元素仍然保留在土壤中，极易再次活化产生二次污染。三、生物修复技术1、植物修复：植物修复是20世纪80年代初发展起来的，是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术总称根据其作用机理，该技术主要包括植物稳定、植物挥发和植物提取。植物修复有利于实现生态和环境效益的统一，对生态环境比较友好。但是其周期长、成本高、效果显现慢、推广难度大。2、微生物修复：生物修复是利用活性微生物对重金属吸附或转化为低毒产物，从而降低重金属污染程度。用于修复的菌种主要有细菌、真菌和放线菌。从目前来看，微生物修复是最具发展潜力和应用前景的技术，但微生物个体微小，难以从土壤中分离，还存在与修复现场土著菌株竞争等。因此，驯化和筛选高效菌株，构建菌种库，优化组合修复技术(如动物-微生物、植物-微生物等)，将是未来研究的重点。四、农业生态修复技术农业生态修复技术主要包括农艺修复措施及生态修复技术，农艺修复措施主要是通过改变耕作制度，调整作物品种，种植不进入食物链的植物，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或增施能固定重金属的有机肥等措施，来降低土壤重金属污染。生态修复通过调节诸如土壤水分、养分、pH值和氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对污染物所处环境介质的调控。农业生态修复技术成本较低、对土壤环境扰动较小等优点，但投入大，修复周期长，效果显现慢，受周边环境影响大。五、联合修复技术前研究较多的联合技术包括生物联合技术、物理化学联合技术和物理化学-生物联合技术。譬如蜈蚣草-微生物联合对As污染修复技术、化学试剂淋洗--固定剂修复技术、交换电场-EDDS螯合剂修复技术、套种-化学淋洗修复技术等。联合技术已经开展了相关研究，但并没有大规模的应用，但其是最具有开发最有前途最有前景的新技术，是未来农田重金属乃至其他污染物修复的最具发展方向。镉：镉主要来源于镉矿、冶炼厂。因镉与锌同族，常与锌共生，所以冶炼锌的排放物中必有ZnO、CdO，它们挥发性强，以污染源为中心可波及数千米远。镉工业废水灌溉农田也是镉污染的重要来源。镉被土壤吸附，一般在0-15cm的土壤层累积，15cm以下含量显著减少。土壤中的镉以CdCO3、Cd(PO4)2、及Cd(OH)2的形态存在，其中以CdCO3为主，尤其是在PH>7的石灰性土壤中，土壤中的镉的形态可划分为可给态和代换态，它们易于迁移转化，而且能被植物吸收，不溶态镉在土壤中累积，不易被植物吸收，但随环境条件的改变二者可互相转化。以上诸如此类方法，均不能持续性地对土壤进行有效的镉修复与预防，而且由于环境中水以及不合格有机肥的施加会导致土壤镉的富集，最终会加重稻田的镉污染甚至超标，最终导致稻田水稻不合格。技术实现要素：本发明的目的是针对以上问题，提供一种循环修复镉污染稻田与种植水稻的方法，有效解决稻田镉污染的难题，改善土壤性能，提高修复期土地的经济价值。为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：种植基地选择：基地选择土壤重金属镉为三级(根据土壤环境质量标准值(GB15618-1995)的评价方法)的稻田，常年种植水稻，地势平坦，农田具有良好的排水沟渠和水源供给的功能，周边2公里以内无化工企业且均为水稻农田，是典型的南方水稻种植区域。其技术方法为：一种循环修复镉污染稻田与种植水稻的方法，步骤如下：(1)修复期：在土壤重金属镉为三级(根据土壤环境质量标准值(GB15618-1995)的评价方法)的稻田土壤中施用土壤活化剂，降低调节PH值的同时，种植超富集镉植物，并对收割后的植物做无害化处理；(2)动态监测稻田中土壤重金属镉含量；(3)种植期：在土壤重金属镉为二级或一级(根据土壤环境质量标准值GB15618-1995的评价方法)的稻田土壤中施土壤调理剂，提高PH值的同时，并种植水稻；同时在种植起，通过施用重金属镉活化剂提高稻田中重金属镉的溶解性；通过施用重金属镉活化剂降低所述修复期中稻田的PH值；通过施用重金属镉钝化剂调节所述种植期中稻田的PH值；通过施用重金属镉吸附剂吸附所述种植期中稻田的重金属镉；通过施用微生物肥料中的微生物菌种吸收所述种植期中稻田的重金属镉；所述的复合微生物肥料添加的微生物菌种为芽孢杆菌≥0.2亿cfu/g；所述重金属镉钝化剂施用量为珍珠岩100～150kg/亩/茬，复合微生物肥料40-50kg/亩/茬，氨基酸螯合锌5～8kg/亩/茬，硅肥5～10kg/亩/茬，膨润土100～150kg/亩/茬。进一步的，所述重金属镉活化剂为氨基酸(味精)渣与硫酸铵的混合物或醋酸残渣与硫酸铵的混合物或为氨基酸(味精)渣、醋酸残渣与硫酸铵的混合物。进一步的，第一种方案为，所述重金属镉活化剂、肥料、重金属镉钝化剂及吸附剂中Cd≤0.2mg/kg，所述重金属镉活化剂施用量为氨基酸(味精)渣300～500kg/亩/茬和硫酸铵40～80kg/亩/茬。进一步的，第二种方案为，所述重金属镉活化剂施用量为醋酸渣300～500kg/亩/茬和硫酸铵40～80kg/亩/茬；进一步的，第三种方案为，所述重金属镉活化剂施用量为醋酸渣150～250kg/亩/茬、醋酸残渣150～250kg/亩/茬和硫酸铵40～80kg/亩/茬。进一步的，所述动态监测稻田中重金属镉含量的频率为茬/次，取样范围为9个取样点/亩，在每亩中采用对角线均匀取样。进一步的，所述修复期中稻田的PH值≤6.0。进一步的，所述种植期中稻田的PH值为6.2～8.0。进一步的，所述重金属镉钝化剂为珍珠岩、膨润土、复合微生物肥料、生石灰、硅肥或氨基酸螯合锌中的一种或多种。进一步的，在第三步：种植过程中，包括如下步骤：(1)、土地平整：明确田间规划，确定田间小区的面积及沟渠位置；按照南方习惯种植方法，先将田间放满水，再利用旋耕机进行对杂草及其土块进行破碎，同时对水稻田进行土地平整；达到田间杂草全部被粉碎且无直立的活草，田间单位小区内高低落差小于10cm；(2)、基肥的选择、施用量及施肥方法：1)肥料选择：底肥选择重金属镉含量在0.2mg/kg以下，芽孢杆菌活菌数(cfu)不低于0.2亿/g，其他指标符合NY/T798复合微生物肥料标准的复合微生物肥料；微量元素肥料选择饲料级蛋氨酸锌(GB/T21694)和硅肥(NY/T797)；土壤改良剂选择重金属镉含量在0.2kg/mg以下，其他指标符合GB/T23349标准的膨润土和珍珠岩；2)底肥施用量底肥名称复合微生物肥料蛋氨酸锌硅肥膨润土珍珠岩用量kg/亩40～505～85～10100～150100～1503)提前一周将水田进行灌水(按照当地一季稻、二季稻或三季稻的种植习惯)，水位保持在3cm左右，将以上调理剂及肥料按用量进行撒施，均匀撒在水田表面，然后利用旋耕机再次进行石块破碎、肥料拌匀及地块的平整；(3)、插秧：按照种植习惯进行插秧或抛秧；(4)、田间管理；按照种植习惯进行；(5)、水稻的收割与产量及重金属含量的测定。本发明方法在实施过程中，如下：第一阶段土壤修复:土壤重金属镉的活化与植物萃取，种植超富集植物(龙葵、黑麦草、菖蒲)1、土地平整：明确田间规划，确定田间小区的面积及沟渠位置。先将田间水排放完，再利用旋耕机进行对杂草及其土块进行破碎，同时对田间进行土地平整。达到田间杂草全部被粉碎且无直立的活草，田间单位小区内高低落差小于10cm。2、重金属镉活化剂的选择及施用1)重金属镉活化剂的选择：选择具有能够提高重金属镉离子迁移能力的从而提高植物对其吸收富集的。譬如施用氨基酸(味精)渣、醋酸残渣、硫酸铵等酸性物质。2)活化剂的施用：根据土壤pH值适量田间，一般添加至土壤pH至6.0以下，施用量大概为氨基酸(味精)渣300-500kg/亩/茬、硫酸铵40-80kg/亩/茬或醋酸渣300-500kg/亩/茬，硫酸铵40-80kg/亩/茬，或者醋酸渣150～250kg/亩/茬、醋酸残渣150～250kg/亩/茬、硫酸铵40～80kg/亩/茬。3、超富集植物的种植：根据超富集植物的生长习性进行肥水管理，譬如龙葵和黑麦草适宜于旱地种植，则进行旱地种植方法进行直播种植与管理；而菖蒲适应于水田，则进行水田种植与管理。4、收割超富集植物所种植的所有地上部分全部采收，并单独进行回收处理，不再回归农田。5、土壤的监控：每年的年底定期对土壤进行抽样检测重金属镉的含量，并记录。6、连续种植多年后，当土壤中重金属镉含量达到土壤环境质量标准值二级甚至一级时(GB15618-1995)，则进行第二阶段水稻的正常种植。第二阶段水稻种植：稻田重金属的钝化及其水稻的种植1、土地平整：明确田间规划，确定田间小区的面积及沟渠位置。按照南方习惯种植方法，先将田间放满水，再利用旋耕机进行对杂草及其土块进行破碎，同时对水稻田进行土地平整。达到田间杂草全部被粉碎且无直立的活草，田间单位小区内高低落差小于10cm。2、基肥的选择、施用量及施肥方法：1)肥料选择：肥料选择：底肥选择重金属镉含量在0.2mg/kg以下，芽孢杆菌活菌数(cfu)不低于0.2亿/g，其他指标符合NY/T798复合微生物肥料标准的复合微生物肥料；微量元素肥料选择饲料级蛋氨酸锌(GB/T21694)和硅肥(NY/T797)；土壤改良剂选择重金属镉含量在0.2kg/mg以下，其他指标符合GB/T23349标准的膨润土和珍珠岩；2)底肥施用量底肥名称复合微生物肥料蛋氨酸锌硅肥膨润土珍珠岩用量kg/亩40～505～85～10100～150100～1503)提前一周将水田进行灌水(按照当地一季稻、二季稻或三季稻的种植习惯)，水位保持在3cm左右，将以上肥料按用量进行撒施，均匀撒在水田表面，然后利用旋耕机再次进行石块破碎、肥料拌匀及地块的平整。3、插秧：按照种植习惯进行插秧或抛秧。4、田间管理：；按照种植习惯进行。1)水分控制：选择非工矿污染的水源进行田间灌溉，并且在水稻抽穗前后各三周保持田面2-3厘米的水层，在水源供应困难的地方，也要力争在抽穗后10天保持有效的水层。其他时间按照习惯种植方法进行水分控制。2)追肥的选择及施用方法：后期分蘖肥及穗肥的选择及其施用方法按照常规习惯方法进行，另外在穗肥时辅以5～8kg/亩的蛋氨酸锌和5～10kg/亩的硅肥进行撒施。3)叶面肥的选择及施用方法：叶面肥选择锌含量大于等于50g/L、且符合NY1428的微量元素水溶肥料，每亩50ml～100ml,在水稻抽穗开花期后5-7天，叶面喷施一次叶面肥，一个星期以后再喷施一次。4)病虫害的防治：按照常规种植习惯或当地土肥站的指导进行病虫害的防治。5、水稻的收割与产量及重金属含量的测定1)收割：按照当地常规种植习惯进行人工或者机械收割。2)测产：以单位为单位进行收割并进行装袋且编号，分别进行称重统计。3)重金属镉含量测定：将已编号采收的稻谷按照标准GB2762食品中污染物限量送至具有资质的检测部门对重金属镉含量进行检测。6、土壤重金属的监控：每年年底定期对土壤重金属镉进行检测(按GB15618-1995)，当重金属含量超过标准二级达到甚至超过三级时(GB15618-1995)，再次进入第一阶段进行超富集植物的种植，直至土壤中重金属镉含量达到土壤环境质量标准值二级甚至一级时(GB15618-1995)，再进行第二阶段水稻的正常种植。本发明的有益效果：1、降低稻田重金属总镉含量和有效镉含量，从根本上解决土壤镉超标问题。2、不破坏农田耕地土壤质量，对环境友好，完全遵循自然法则，对耕地无破坏和污染。3、保障重金属污染的农田在修复过程中依然能产生较大效益。4、修复措施简单易行，投资小，无需大型加工处理设备。5、可永久保持土壤重金属在标准线以下，不反弹，可长期确保种植区域粮食重金属镉的含量限量要求。7、可实现农业经济循环，保障种植过程中产生一定得经济效益。8、适用于广：无需大型设备，适用于大范围的水稻种植区。9、费用低廉：无需高昂的费用投入，经济适用。附图说明图1为本发明循环修复镉污染稻田与种植水稻的流程简图。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。实施例1：试验地：湖南长沙县青山铺镇天华村。试验品种：早稻-湘早143，晚稻-金优207。试验方案：试验共设2个处理，分别同在同一块地共平均划分6个区域，每个处理随机重复3次，每个处理约1亩。试验采用实验方法与传统种植方法做对比。实验处理和试验方法：实验组：处理一，应用本申请一种循环修复镉污染稻田与种植水稻的方法；对比组：处理二，传统种植方法；实验组，处理一如下：一、试验的前期准备1、种植基地选择：基地选择农田重金属镉含量在0.5mg/kg以下，常年种植水稻，地势平坦，农田具有良好的排水沟渠和水源供给的功能，周边2公里以内无化工企业且均为水稻农田，是典型的南方水稻种植区域。2、试验区域土壤重金属镉含量的测定采用S型路线随机进行采土，采土深度0-20cm。根据GB15618-1995土壤环境质量标准要求对重金属镉进行检测。检测数据如下表1：表1试验田土壤环境质量统计调查样品编号123456789pH6.36.56.26.46.36.56.46.36.4镉(mg/kg)0.430.560.380.420.310.320.430.540.56级别三级三级三级三级三级三级三级三级三级由表1可知，选择的试验地重金属镉超标(≥0.30mg/kg),不适合农业生产二级标准。所以可以选择为试验地。3、实验区域的划分平均划分6个区域，共设2个处理，每个处理约1亩，并作田埂隔离和区域标记。二、第一阶段土壤修复：耕地的重金属镉的活化及植物萃取时间:2010年3月-2013年12月1、土地的平整：先将田间水排放完，再利用旋耕机进行对杂草及其土块进行破碎，同时对田间进行土地平整。达到田间杂草全部被粉碎且无直立的活草，田间单位小区内高低落差小于10cm。2、重金属镉活化剂的施用活化剂的施用：施用量为氨基酸(味精)渣400kg/亩/茬和醋酸渣500kg/亩/茬，再配硫酸铵80kg/亩/茬，此时测定土壤pH至为5.8。3、超富集植物的种植：龙葵生长适宜温度为22～30℃，开花结实期适温为15～20℃。对土壤要求不严，适宜的土壤pH值为5.5～6.5，一年四季都可进行栽培。撒播：直接将龙葵的种子均匀播撒至农田，并覆盖一层稻草，定时进行浇灌，任其自然生长，待龙葵开始枯萎时，将地上部分进行全部采收。并接着继续进行施肥并种植龙葵。4、土壤质量评估结果三年的龙葵连续种植，结果测定土壤重金属镉的含量统计如下表2：表2试验田土壤环境质量统计调查样品编号123456789pH5.45.65.86.05.45.55.46.05.9镉(mg/kg)0.300.260.280.190.290.310.230.250.26级别二级二级二级二级二级三级二级二级二级由上表2可知，结果连续三年对土壤处理及其龙葵的种植，土壤环境质量达到了二级，符合二级标准保障农业生产要求。三、第二阶段水稻种植：时间：2014年4月-2015年10月品种：早稻-湘早143，晚稻-金优2071、土地平整：明确田间规划，确定田间小区的面积及沟渠位置。按照南方习惯种植方法，先将田间放满水，再利用旋耕机进行对杂草及其土块进行破碎，同时对水稻田进行土地平整。达到田间杂草全部被粉碎且无直立的活草，田间单位小区内高低落差小于10cm。2、基肥的选择、施用量及施肥方法：1)肥料选择：底肥选择重金属镉含量在0.2mg/kg以下，枯草芽孢杆菌和热带假丝酵母活菌数(cfu)不低于0.2亿/g，总养分约为25％(10-7-8)，其他指标符合NY/T798复合微生物肥料标准的复合微生物肥料；微量元素肥料选择饲料级蛋氨酸锌(GB/T21694)和硅肥(NY/T797)；土壤改良剂选择重金属镉含量在0.5kg/mg以下，其他指标符合GB/T23349标准的膨润土和珍珠岩；有机肥选择以菜籽饼、茶枯、小麦及玉米秸秆为原料制作的全植物源有机肥料，总镉含量在0.2mg/kg以下且符合NY525标准。2)底肥施用量，见表3表3底肥施用量底肥名称复合微生物肥料蛋氨酸锌硅肥膨润土珍珠岩有机肥用量kg/亩508101301501003)提前一周将水田进行灌水(按照当地一季稻、二季稻种植习惯)，水位保持在3cm左右，将以上肥料按用量进行撒施，均匀撒在水田表面，然后利用旋耕机再次进行石块破碎、肥料拌匀及地块的平整。3、插秧：按照种植习惯进行插秧。4、田间管理：1)水分控制：选择非工矿污染的水源进行田间灌溉，并且在水稻抽穗前后各三周保持田面2-3厘米的水层，在水源供应困难的地方，也要力争在抽穗后10天保持有效的水层。其他时间按照习惯种植方法进行水分控制。2)追肥的选择及施用方法：后期分蘖肥及穗肥的选择及其施用方法按照常规习惯方法进行，另外在穗肥时辅以5～8kg/亩的蛋氨酸锌和5～10kg/亩的硅肥进行撒施。3)叶面肥的选择及施用方法：叶面肥选择锌含量大于等于50g/L、且符合NY1428的微量元素水溶肥料，每亩90ml,在水稻抽穗开花期后5-7天，叶面喷施一次叶面肥，每亩90ml，一个星期以后再喷施一次。4)病虫害的防治：按照常规种植习惯或当地土肥站的指导进行病虫害的防治。5、水稻的收割与产量及重金属含量的测定1)收割：按照当地常规种植习惯进行机械收割。2)测产：以单位为单位进行收割并进行装袋且编号，分别进行称重统计。3)重金属镉含量测定：将已编号采收的稻谷按照标准GB2762食品中污染物限量送至具有资质的检测部门对重金属镉含量进行检测。6、土壤重金属的监控：每年年底定期对土壤重金属镉进行检测(按GB15618-1995)，当重金属含量超过标准二级达到甚至超过三级时(GB15618-1995)，再次进入第一阶段进行超富集植物的种植，直至土壤中重金属镉含量达到土壤环境质量标准值二级甚至一级时(GB15618-1995)，再进行第二阶段水稻的正常种植。四、数据统计及分析,见表4表4数据统计由表2、表4统计数据可以看出：1、经过3年多茬龙葵的种植，农田的pH有明显的降低，有利于活化重金属隔得活性，促进后续龙葵对镉的吸附和萃取。(表2)2、经过3年多茬龙葵的种植，农田土壤中的重金属镉含量有明显的降低，由重金属镉超标将至达到适宜农田生产二级标准的要求。(表2)3、在后续的水稻种植过程中，通过施用复合微生物肥料、蛋氨酸锌、硅肥、膨润土、珍珠岩及有机肥后，土壤的pH有效的得到了提高，恢复至适合水稻种植的弱酸性条件。(表4)4、在后续的水稻种植过程中，土壤pH得到了有效的提高，也降低了土壤重金属镉的活性，降低水稻对重金属镉的吸收。(表4)5、经过循环修复与种植的方法与习惯种植方法相比：对亩产的影响不产生明显的影响；但是土壤中的镉含量却得到了修复，达到了适宜农田生产二级标准的要求；同时生成出来的大米也达到了食品安全国家标准的限量要求。(表4)该实验说明：采用该专利的循环修复与种植的方法对水稻田重金属镉的污染修复有明显的效果。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3