一种蚯蚓-植物耦合改良重金属污染土壤的方法与流程

本发明属于污染治理技术领域，尤其涉及一种重金属污染土壤接种蚯蚓-植物改良土壤的方法。

背景技术：

随工业、农业及社会经济的发展，农业生产过程产生的污染物在土壤中不断富集，极大的危害了土壤生态系统的稳定。在各种土壤污染物中，重金属物质由于毒性大，难降解，且存在生物富集效应，对土壤生态系统的危害最为严重，土壤重金属污染已引起人们的高度重视，成为全球关注的热点问题。

各种重金属矿产非常丰富，根据土壤污染状况调查公报显示，受污染土壤超标率为16.1％，无机污染物主要为镉、汞、铅、铜等八种重金属，其中耕地环境污染严重质量堪忧，镉点位超标率为7.0％，是所有污染物超标中最高的污染物。以镉污染为例，受cd污染土壤的土壤微生物量碳和生物量氮较对照组急剧下降；高背景值镉土壤的脲酶、过氧化氢酶活性显著低于低含量地区；受镉污染的土壤内部平衡结构被打破、容重增加、增加团聚体含量，导致土壤板结、孔隙度降低，大量灌溉水无法保湿，汇入地下水，土壤含水量和通透性均降低；镉也会影响土壤酸碱平衡、氧化还原电位等，进而影响物质循环。

尽管关于镉污染对蚯蚓个体行为以及对土壤性质或对作物生长影响的研究已经很多，但农田生态系统显然不仅仅包含土壤动物或土壤植物，而应该是一个土壤-土壤动物和土壤植物的复杂系统。仅仅对某一环节的研究无法应用于生产实际。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种蚯蚓-植物耦合改良重金属污染土壤的方法，能够利用蚯蚓的生活习性和植物特点改良高浓度镉污染的耕地。

本发明采用如下技术方案：

一种蚯蚓-植物耦合改良重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

步骤1.正常开采重金属矿区，选取矿区周围被污染的裸露土地，在表层土壤上均匀撒散玉米秸秆、稻草等有机物破碎的颗粒，施盖厚度为15cm；

步骤2.采用犁地机械对土壤和上层覆盖的有机物破碎颗粒进行翻整；

步骤3.采用整地机械对步骤2中翻整后的土壤进行破碎、细化处理；细化后的土壤和有机物混合后，粒径控制在2-5mm；

步骤4.对步骤3中的土壤喷洒含有一定量浓度的次氯酸钠溶液，消毒并调整土壤含水率；

步骤5.选择明显具有环带个体质量在250mg-400mg的赤子爱胜蚓,投放至步骤4中处理后的土壤中；并在散播一定量植株根系发达的草本植物。

进一步的技术方案是，在步骤1的地块周围挖出一条壕沟，壕沟足够深，并注入一定量的水，避免蚯蚓逃跑。

进一步的技术方案是，定期对步骤5中撒播草本植物喷洒水，保持足够的水分。

进一步的技术方案是，所述步骤2中整地的深度控制在45cm。

进一步的技术方案是，所述步骤4直至土壤水分含水量达到60％。

本发明的有益效果：

由于重金属矿区在开采中对周围植被造成一定破坏，会出现一些裸露的地块，一旦下雨，这些裸露的土壤很容易被冲散，造成地质灾害，而且由于矿区是重金属污染区，由于雨水等冲刷，磷、氮元素流失大，移栽植物很难成活，而等待金属矿被采完再处理又需要若干年，本发明提出利用蚯蚓的生活习性，在裸露地块接种一定的量的处理污染能力强的爱胜蚯蚓，再播撒一些根系发达的植物，利用蚯蚓分解撒播的有机质成活，并且由于表层土壤由于矿区持续开采，重金属离子在表层富集，离子浓度往往超过深层土壤，蚯蚓会生活在更深层的土壤中，使草本植物将根系向深层土壤深入，并且由于蚯蚓的新陈代谢作用，使深层土壤富含大量氮和磷等元素，辅助植物生长，为重金属污染矿区处理裸露地表提供了一种实用且经济的方法。

附图说明

图1为本发明的镉污染蚯蚓分布百分比；

图2为镉污染各处理ph值；

图3为镉污染各处理有机质含量图；

图4为镉污染各处理碱解氮含量图；

图5为镉污染处理有效磷含量；

图6为玉米总生物量示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种蚯蚓-植物耦合改良重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

步骤1.正常开采重金属矿区，选取矿区周围被污染的裸露土地，在表层土壤上均匀撒散玉米秸秆、稻草等有机物破碎的颗粒，施盖厚度为15cm；

步骤2.采用犁地机械对土壤和上层覆盖的有机物破碎颗粒进行翻整；

步骤3.采用整地机械对步骤2中翻整后的土壤进行破碎、细化处理；细化后的土壤和有机物混合后，粒径控制在2-5mm；

步骤4.对步骤3中的土壤喷洒含有一定量浓度的次氯酸钠溶液，消毒并调整土壤含水率；

步骤5.选择明显具有环带个体质量在250mg-400mg的赤子爱胜蚯蚓,投放至步骤4中处理后的土壤中；并在散播一定量植株根系发达的草本植物。

进一步的技术方案是，在步骤1的地块周围挖出一条壕沟，壕沟足够深，并注入一定量的水，避免蚯蚓逃跑。

进一步的技术方案是，定期对步骤5中撒播草本植物喷洒水，保持足够的水分。

进一步的技术方案是，所述步骤2中整地的深度控制在45cm。

进一步的技术方案是，所述步骤4直至土壤水分含水量达到60％。

实施例

以玉米、赤子爱胜蚓作为试验材料，通过建立微宇宙系统，研究4种不同浓度镉胁迫下蚯蚓在土壤中的垂直分布变化，从而证明利用蚯蚓和植物可以改良高浓度的镉污染土壤。

供试土壤、蚯蚓及植物

试验土壤风干后研磨过2mm网筛，土壤与腐殖土按1:0.5比例混合，调节土壤含水量为60％。蚯蚓选择具有明显环带，个体质量在250mg-400mg成年赤子爱胜蚓，接种前置于试验土壤内进行预培养。

试验设计

试验为微宇宙系统培养试验，使用直径20cm，高度30cm，底盖可以打开的实验装置，以10cm为一个土层，每个装置装入7.5kg土壤。选取健康饱满的玉米种子，经0.5％次氯酸钠溶液消毒25min后，用去离子水反复冲洗干净，将种子播种在实验装置中，每个装置种两株，待幼苗长到拔节期。每个装置中投放30条体重大于250mg性成熟蚯蚓，装置表面均匀喷施次氯化镉溶液。设4个处理，氯化镉溶液中镉离子浓度分别为0mg/kg、10mg/kg、30mg/kg、60mg/kg，每个处理设置3次重复。施入镉后2d,6d,25d,50d后进行破坏性采样，并进行各指标的测量分析。

分析方法

土样进行ph、有机质、碱解氮、有效磷含量进行分析，土壤化学性质采用常规农化分析方法测定：有机质采用重铬酸钾硫酸法；碱解氮采用间接扩散法；有效使用氟化铵盐酸浸提法。

数据统计分析采用单因素方差分析，采用duncan法分析不同处理间的差异，数据统计分析均采用spss19.0统计软件。

结果与分析

不同污染处理条件下蚯蚓数量的垂直分布

如附图1所示，为不同浓度镉处理后第2d、6d、25d、50d四次采样时蚯蚓在不同土层分布百分比。由图1可见，60mg/kg镉浓度处理组在2d时20cm-30cm土层出现蚯蚓，处理第6d后，60mg/kg污染柱底层土壤(20-30cm)蚯蚓分布出现显著差异。在整个培养期内，污染组20-30cm土层中蚯蚓分布数量均多于对照组。由图2可知，随着土壤中镉离子浓度的增加及处理时间的延长，蚯蚓的回避率逐渐增大。0mg/kg、10mg/kg镉处理组蚯蚓主要分布在10-20cm土层，30mg/kg、60mg/kg处理组蚯蚓主要分布在10-20cm、20-30cm土层。方差分析表明，蚯蚓在20-30土层分布数量与镉离子浓度呈显著相关，0-10cm、10-20cm土层中蚯蚓分布数量污染组与对照组均无显著差异。研究发现，土壤动物个体数在重金属污染土壤中随着土壤深度的增加具有逆分布现象。可见，镉进入土壤后在表层0-10cm土壤中富集，浓度超过蚯蚓的耐受范围使蚯蚓在表层不能生存，从而大量向深层土壤迁移。

土壤营养元素含量变化、土壤ph变化，如下表1所示：

培养期四次采样不同处理间，土壤ph基本稳定，无显著差异。在50d培养结束后，相同处理三个土层ph随时间变化无显著差异，如表1所示。60mg/kg处理组表层土壤ph显著高于其他处理组，主要原因可能为土壤碱解氮含量高于其他处理组。

如图3所示，在培养期25d不同处理土壤有机质含量有不同程度的增加。10mg/kg、30mg/kg处理组土壤有机质含量相当且高于其他处理组，0mg/kg、60mg/kg处理组土壤有机质含量相当。经过50d培养后，处理间相同土层有机质含量并未达到显著水平。在不同浓度的镉胁迫下蚯蚓在土壤垂直空间变化对土壤有机质含量。蚯蚓吞食过程和蚯蚓对土壤有机质矿化过程的研究发现，蚯蚓吞食可增加土壤中有机质等土壤有效成分含量，通过改变微生物群落影响有机质矿化效率。

土壤碱解氮含量变化

随时间变化对照组及处理组土壤碱解氮含量整体呈增加趋势。每次采样不同处理间0-10cm土层碱解氮含量无显著差异。10-20cm土层在第2d、6d采样时土壤碱解氮含量无显著差异。土壤碱解氮主要集中在土壤表层，分布随土壤深度则增加而减少。本研究第25d后，10-20cm土层碱解氮含量随处理浓度的增加而增加。20-30cm土层6d后30mg/kg、60mg/kg处理组碱解氮含量显著高于对照处理及10mg/kg处理。土壤碱解氮含量的变化趋势可能与蚯蚓的分布有关，6d后10mg/kg、30mg/kg、60mg/kg处理组蚯蚓在20-30cm土层分布数量增加，蚯蚓分布数量的增加增强了土壤有机氮的矿化速率。研究表明，土壤接种蚯蚓后，由于自身代谢分泌和排放含有效氮的排泄物，增加了土壤供氮能力及有机氮的矿化效率。蚯蚓促进土壤氮素的矿化作用的机制主要有以下两个方面：一是蚯蚓分布变化改善了微生物的生镜，二是蚯蚓自身代谢分泌。

土壤有效磷含量变化

不同处理土壤有效磷含量在培养期25d后较之前有不同程度增加，如图5所示，但从表1的数据来看，50d培养结束后，不同处理相同土层及相同处理不同土层间有效磷含量变化均未达到显著水平。

镉对玉米生长发育的影响

25d后随镉处理浓度的增加，玉米生物量减少，如图6所示，10mg/kg、30mg/kg、60mg/kg处理组玉米植株较对照组矮小，生长迟缓，呈现出一定中毒症状。对豆类等作物的镉胁迫研究发现，随着镉离子浓度越高，对作物植株生物量抑制越明显。而50d采样时，60mg/kg处理组玉米生物量积累显著大于10mg/kg、30mg/kg处理组(p<0.05)。分析培养期内土壤碱解氮含量，如图3所示，25d后60mg/kg处理组20-30cm土层土壤碱解氮含量显著大于(p<0.05)其他处理组。

由此可见，蚯蚓垂直分布变化加速了土壤氮素矿化，在一定程度上提高了植物的初级生产力，土壤有效磷含量与作物产量间也呈正相关关系。

蚯蚓的掘穴、觅食等行为一方面增加了土壤营养元素的矿化速率，另一方面促进了土壤通气和作物根系的呼吸作用。另外，蚓粪中也具有丰富的激素类物质。如蚓粪中的植物激素iaa和ga3，土壤接种蚯蚓对小麦和水稻也具有一定的增产作用，多数情况下蚯蚓可促进土壤n/p的可利用性，增加作物产量。

根据试验得出数据，在4个镉浓度处理下，蚯蚓在土壤中垂直空间呈现出分布规律。高浓度镉处理的装置中，蚯蚓个体数在10-20cm和20-30cm层出现逆分布现象。在本试验培养期内，不同处理相同土层和相同处理不同土层间ph无显著差异，土壤有机质、有效磷含量均有增加，但未达到显著水平；高浓度镉处理深层土随蚯蚓个体数量的增加，土壤碱解氮含量增加，提高了深层土壤氮素的供应水平。

镉污染可以通过影响蚯蚓在土壤中垂直分布区间，显著增加土壤间接氮含量，间接地对作物产量造成影响。土壤镉污染一致了玉米生物量的积累，但数据表明，高浓度镉污染对生物量的积累有一定的正向作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。