一种基于边际盐生能源植物甜高粱修复含油盐碱土壤的方法

1.本发明涉及环境修复领域，具体是一种基于边际盐生能源植物甜高粱修复含油盐碱土壤的方法。


背景技术：

2.世界上大多数石油开采区位于海域盐碱滩以及内陆盐碱土地，所以油田开采区土壤同时面临石油污染和土壤盐渍化的双重污染。中国土壤盐碱地约9913亿公顷，约占全球盐碱地总面积的十分之一以上。我国盐碱地分布广泛，其中超过30％的盐碱地分布于西北、东北以及滨海地区；土壤表层呈现白色，植被稀少，仅有稀疏的碱蓬生长。土壤盐碱化时，土壤溶液浓度大，导致植物根部失水过多，对植株造成较大胁迫，所以一般的植物难以存活，同时在油田开采周围，由于石油开采和加工过程中产生的含油污水排放或油类泄露也是一个重要的污染源，对周边生态环境造成持续性的危害。当含油污泥或污水中得烃类物质渗入土壤后，使土壤颗粒表面附着油份，影响土壤的通透性，造成土壤导水通路的阻塞，进而影响土壤渗水率；石油污染物中所带的反应基会与土壤中的有效氮、磷结合而限制硝化作用和脱磷酸作用，使土壤的有效氮、磷含量降低，进而导致土壤有机质的变化，导致土壤微环境的变化，威胁其中的微生物活性。对作物发育产生不利的影响。低分子的烃类物质通过渗透作用进入植物内部，破坏其生理机制，而高分子的烃类物质会黏附在根系，影响营养和水分的吸收，导致根系的腐败，致使植物难以在含油的土壤中生存。有研究表明，在盐碱地上长期进行有机种植，土壤碳含量及其碳储量均有所提高，土壤碳的固存潜力也有得到提高。
3.现有的土壤修复技术中大多仅考虑盐碱地的修复，对于含油盐碱土壤的修复研究较少，这类土壤的修复工作的技术屏障主要来源于盐渍化及石油污染对土壤环境及内里微生物环境的双重胁迫。盐碱地改良技术有化学改良、物理改良、有机肥改良及生物改良。基本的原理都是降低土壤盐碱度，减少植物和微生物的盐碱胁迫，增加土壤有机质及肥力，进而提升土壤理化性质，改良植物生存环境。但各有缺点，化学改良见效快，但以造成二次污染；物理改良效果较低，费时费力；有机肥改良仅能提高肥力，忽视了理化性质的改良；生物方法主要以施加微生物菌剂为主，但盐碱地中的盐碱胁迫会影响微生物菌剂的效用，相对成本较高。针对于含油土壤，主要的改良修复技术同样分为物理修复、化学修复、生物修复。物理修复主要有焚烧法，隔离法，换土法，通过温度、添加其他惰性材料减少含油土壤中石油类物质的比重，但均存在适用范围小，成本高，操作复杂，治标不治本等问题。化学修复主要为萃取法，土壤洗涤法，化学氧化法；依据石油类物质的化学特性，通过将萃取剂、洗涤剂、氧化剂将油份分离，破碎进而达到剥离土壤的作用，一般不会造成二次污染，但操作复杂，成本较高；生物修复主要依赖于石油降解微生物菌剂，通过可代谢烃类物质的微生物降解掉土壤中的油，达到降低含油量的目的。这样的微生物菌剂中一般包含多种菌株，以达到对石油类物质全面的降解，转化为水和二氧化碳等无机产物。生物修复的周期一般较长，但操作简单，成本较低，且对周边环境如地下水等影响较小，是目前前景较好的修复技术。但
目前针对含油盐碱地尚未有较好的修复技术及研究，这对于油田周边环境污染治理是一个较大的缺口，亟待解决。
4.因此，需要一种有针对性的，能够综合考量石油污染和盐渍化的土壤修复方案，并且兼具环保性及经济性的联合修复方法。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决上述方法存在的缺陷，进而提供一种基于边际盐生能源植物甜高粱修复含油盐碱土壤的方法。
6.本发明一种基于边际盐生能源植物甜高粱修复含油盐碱土壤的方法具体是按以下步骤进行：
7.在废弃油田周边的含油盐碱地上种植甜高梁；收获后，将其茎秆中糖分以发酵形式转化为l-乳酸，为pla生物材料的制备提供原材料；再将发酵过程中产生的发酵残渣以改良剂的形式回用于土壤。
8.本发明的有益效果：
9.本发明结合植物修复与微生物修复手段，通过利用边际/荒废的油田周边含油盐碱地，结合作物种植、生物质能、废弃物资源化利用。充分利用甜高梁这一高能作物的自身优势，改善废旧油田周边环境，并创造经济效益，转变为绿色油田。
附图说明
10.图1为供试土壤种植实况照片；
11.图2为供试甜高粱生长实况照片；
12.图3为室内l-乳酸发酵试验装置照片；
13.图4为本发明的技术路线图。
具体实施方式
14.具体实施方式一：本实施方式一种基于边际盐生能源植物甜高粱修复含油盐碱土壤的方法具体是按以下步骤进行：
15.在废弃油田周边的含油盐碱地上种植甜高梁；收获后，将其茎秆中糖分以发酵形式转化为l-乳酸，为pla生物材料的制备提供原材料；再将发酵过程中产生的发酵残渣以改良剂的形式回用于土壤。
16.本实施方式通过在含油盐碱地上种植甜高梁，减少水分流失，改善土壤环境。在种植期间，同时施用甜高梁茎秆生物炼制乳酸所产生的发酵残渣作为生物改良剂，利用残渣富含的有机及无机养分增加土壤有机质，调节土壤ph值，缓解盐碱胁迫，增强土壤微生物活力，通过微生物的生长代谢作用降解土壤中的烃类物质，降低其对植株的毒害作用，最终达到土壤理化特性的改善及土壤生态的修复。
17.本实施方式所述甜高梁品种为当地常见品种，播种方式无特殊要求。
18.本实施方式甜高粱光合作用吸收二氧化碳，通过微生物发酵固定于l-乳酸中，发酵残渣修复土壤，增强土壤碳固存潜力和储量；施用发酵残渣及废液，利用其中所含成分降低土壤碱化的同时，提高土壤微生物活性，进而通过共代谢的方式促进石油降解菌的代谢
活动，减轻石油污染程度；方案综合生物质能、土壤修复、资源利用三大方面，可为油田或废弃油田提供绿色、可持续性的碳减排修复方案。
19.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：在种植甜高梁前，通过农耕用具进行翻土，翻土深度为距离土壤表面10～15cm。其它与具体实施方式一相同。
20.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将其茎秆中糖分以发酵形式转化为l-乳酸具体是按以下步骤进行：
21.一、收割成熟的甜高梁，去除根、叶、穗部分；将茎秆经粉碎机粉碎至细丝状，得到茎秆丝；
22.二、分别配置l-乳酸菌菌液和焦亚硫酸钠溶液，然后分别装入无菌喷壶中；l-乳酸菌菌液所用培养基是mrs液体培养基，在mrs中接种乳酸菌后在温度为37～45℃的培养箱中培养18～24h，菌液浓度控制在105～107cfu/g；所述焦亚硫酸钠溶液的浓度为1～2g/l；
23.三、测定茎秆丝的含水率，通过喷洒l-乳酸菌菌液和焦亚硫酸钠溶液将茎秆水分控制在68～75％，得到待发酵甜高粱渣；将待发酵甜高粱渣装入青贮袋内，青贮袋内表面提前喷洒焦亚硫酸钠溶液，然后逐层装填，逐层压实，排挤多余空气，压紧封袋，于20～25℃避光贮藏；l-乳酸菌液的喷洒量为5～8wt％，焦亚硫酸钠溶液的喷洒量为4～10wt％；
24.四、青贮贮藏一至两周后，转入发酵罐中，按照总固含量为5～10％进行青贮装填，依次向其中添加商品纤维素酶、硫酸镁进行l-乳酸发酵，得到发酵液；发酵条件为：温度为37～45℃、ph为5.8～6.0、转速为150～250rpm、发酵时间为48～72h；所述商品纤维素酶的添加量为0.01～0.05％，酶活5000～10000u/g；所述的硫酸镁浓度为0.5～4mm/l；
25.五、发酵结束后，通过压滤方式对发酵液进行固液分离；l-乳酸发酵固体残渣用作土壤改良剂；分离的液体通过超滤、絮凝、脱色除去内里杂质，除杂后提取l-乳酸。其它与具体实施方式一相同。
26.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤四中ph通过氨水进行调节。其它与具体实施方式三相同。
27.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤四中发酵过程先通入氮气2～5h以排除空气。其它与具体实施方式三相同。
28.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤五中所述杂质包含菌体、蛋白质、酶和色素。其它与具体实施方式三相同。
29.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤五中提取l-乳酸通过浓缩、酸化、酯化、水解来实现。其它与具体实施方式三相同。
30.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤五中l-乳酸发酵固体残渣用作土壤改良剂的具体是按以下步骤进行：
31.将l-乳酸发酵固体残渣与有机肥料混合作为土壤改良剂；所述有机肥料包含畜禽粪便和谷物残渣；所述土壤改良剂中按质量百分比由30～50％的l-乳酸发酵、15～30％的畜禽粪便和10～20％的谷物残渣组成。其它与具体实施方式三相同。
32.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：土壤改良剂用于甜高粱种植前或收割后施用。其它与具体实施方式八相同。
33.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：土壤改良剂的施用方法具体是按以下步骤进行：是将土壤改良剂均匀的铺于土壤表面，通过农机设备对表层土
壤进行上下翻动，再进行浇灌，即完成施用；甜高粱生长期时，直接将l-乳酸发酵固体残渣均匀施用于土壤；浇灌用水采用发酵液除杂及提取过程中产生的废液。其它与具体实施方式九相同。
34.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
35.实施例均于室内进行，为室内栽培试验。供试甜高梁植株原载于大庆试验田。选取生长期的甜高梁植株，连根带土将整株甜高梁带回实验室，同时将植株周围10～20cm范围内的土壤也一并带回。甜高梁品种为常见品种。所有试验均设立平行组，以试验田土壤为对照组，其余为乳酸残渣修复组，编号1、2、3。
36.供试土壤理化特征：
37.为控制石油污染程度，原试验田周围无石油污染源，本试验田于2021年5月开始甜高粱种植，由于2021年黑龙江省大庆地区的平均降雨量较高，而试验田处于低势，故土壤含水量较往年高，影响了甜高粱的生长，植株高度较往年低1～2米，试验田种植环境如图1 和图2所示。现场按5分法获取供试土壤，将其混合后置于密封袋内送回实验室。于洁净托盘内平铺成约0.5～1cm的厚度，用镊子将土壤中的植物根，叶，动物残肢，石头等杂物清除，于室温条件下风干24小时。风干土壤过筛后保存于干燥环境中。通过相关土壤测定标准方法测定供试土壤理化特征，如取风干土壤与纯水，按照水：土为2.5：1的重量比混合，超声3～5min，静置1～3h后测定土壤ph值；取风干土壤与纯水，按照水：土为5：1 的重量比混合，超声3～5min，于滤纸过滤，滤液用于盐度、电导率等指标的测定，上述指标通过水质分析仪测定。其他指标测定方法参考相关国标。结果见表1。
38.表1供试土壤的基本理化性质
[0039][0040]
试验田位于大庆，土壤类型为苏打盐碱地，土壤碱度较高，有机质含量较低。
[0041]
供试土壤含油量的添加：
[0042]
在栽种甜高梁前，通过采集的实际含油污水进行浇灌，使供试土壤中含有油类物质，以控制含油量，便于研究。含油污水的含油量约为40～130mg/l。称取约为土壤重量的 10～30％的含油污水，取液时应在均质的情况下，保证油类于水样中为混合均匀的状态，以确保含油量的稳定，每日浇灌1次，连续浇灌3～5天，营造土壤含油环境。供试土壤最终含油量为10～30mg/l。现实场景中，土壤中的含油量随时间的延续基本保持稳定，故为模拟现实条件，在试验期间，每隔3～5天浇灌一次含油污水。由于其中的无机元素含量较低，故作为灌溉水对于后续发酵残渣使用后土壤养分的影响较小。
[0043]
甜高梁植株的室内栽培：
[0044]
将位于试验田中处于生长期的甜高梁植株连根带土带回室内实验室。将其移栽至塑料花盆中，花盆尺寸为直径30～40cm，盆高约45cm。将试验田土壤先铺于花盆底部，厚度约为10～15cm，再将带土的甜高梁植株固定于花盆中央位置，将带回的试验田土壤填入花盆中，逐层填入，以固定甜高梁植株，固定完植株后轻压土壤，加固植株位置。花盆内留有约4cm高度空间预备施用乳酸发酵残渣，在试验期间，开启室内光源用作补充太阳光。
[0045]
甜高梁l-乳酸发酵及残渣的收集：
[0046]
甜高粱收割于2021年10月，由于该年降水较大，导致甜高粱产量下降，约15kg/m2，株高1.7～2.3m，糖锤度为11～14％。l-乳酸发酵菌菌株a为市售植物乳杆菌，经实验室驯化后作为l-乳酸发酵菌株使用。甜高粱茎秆经高速粉碎机粉碎后，称取400g，一喷洒形式添加20ml菌株a菌液(37℃，mrs厌氧培养24h)，与20ml焦亚硫酸钠溶液,混合均匀后装入青贮袋内，抽除空气，于25℃避光恒温培养箱中贮藏一周。一周后，该甜高粱青贮按照固液比ts5-10％装填至5l发酵罐内，并加入mrs液体培养基制备的菌株a的种子发酵液(添加比例为2-5％)，配置2mol/l的氨水和稀盐酸作为酸碱调节剂，过程中调节发酵液ph值，使其控制在5.9～6.2的范围内，于37～45℃温度下维持高效的l-乳酸发酵进程，发酵过程中通入氮气以保持厌氧发酵环境，发酵48～72h，实施例所述发酵液总体积为2l，使用带有自动控制及监测设备的biostata发酵罐进行l-乳酸发酵(见图3)。l-乳酸发酵结束后，粗发酵液经压滤过滤，分离得到的滤液再经超滤后用于l-乳酸的纯化与提取，而压滤后得到的固相发酵残渣则收集起来用于土壤修复。表2为l-乳酸发酵残渣的相关指标参数。
[0047]
表2供试乳酸发酵残渣成分分析
[0048][0049]
在甜高粱乳酸发酵后，由于微生物代谢作用，发酵残渣中的粗脂肪、粗蛋白较原料有所提升，而水溶性碳水化合物则被乳酸菌利用进行乳酸发酵，故发酵残渣中含量较低，而其中的氮的来源源于有机物如蛋白质、发酵中和剂氨水。由表2可见，发酵残渣中的残留养分较丰富，可利用价值高。其中无机养分有利于提升土壤肥力，其中所剩余的有机养分如粗蛋白，粗纤维均可作为土壤微生物的碳源、氮源，也可提高土壤有机质含量。同时有研究表明，土壤水分有利于含油土壤中石油降解微生物的代谢活动，故发酵残渣的含水量较大，有利于含油土壤修复。
[0050]
乳酸发酵残渣的施用：
[0051]
收集的乳酸发酵残渣含水量较大，水分含量为50～70％。发酵滤渣内含有残留的粉碎甜高梁茎秆、乳酸菌菌体、菌体蛋白、未完全消化的纤维素、木质素、少量乳酸铵、乙酸、酯类、维生素、色素等，可利用价值较高。发酵残渣无需烘干。其添加比例按照花盆试验土壤质量的2～7％进行添加，通过其自身所含有的水分调节土壤含水量。施用后，将表层土壤(5～8cm)与发酵残渣通过上下翻动进行混合，即完成该步骤。
[0052]
修复后土壤含油量及各指标变化：
[0053]
室内栽培试验时间为30～90天，进行土壤理化指标的测定。调制后土壤的初始含镉量约为35.59mg/kg。修复后土壤理化指标结果见表3。
[0054]
表3甜高梁修复后土壤理化特性
[0055][0056]
通过表3中的数据可知，乳酸发酵残渣的施加，显著降低了土壤ph值，本实施例中盐碱地主要以碱化的胁迫为主，其中土壤电导率有所降低，修复后土壤含油量变化不明显，这是由于人为浇灌含油量的缘故。但从有机碳含量来看，含油污染土壤中的有机碳主要源于含油污水中的各类烷烃分子，而在实施例中明显可以发现，乳酸发酵残渣处理组的有机碳含量较对照组有较大的提高，而结合含油量，该有机碳含量的增加并不是由于石油分子，这说明施用乳酸发酵残渣提高了土壤有机碳含量，而这与土壤肥力有正相关影响。同时值得注意的是，施加乳酸发酵残渣后土壤氮含量大幅上升，这是由于残渣中含有乳酸铵及乳酸菌体蛋白或代谢分泌的酶类。
[0057]
从土壤微生物组成来看，供试土壤中存在能够降解石油的微生物菌属，人为的浇灌含油污水就相当于逐渐的增加增加土壤石油污染程度，这对于石油降解菌而言是有利的，同时，乳酸发酵残渣的加入，增加了土壤有机质，土壤中其它微生物的代谢活动得以活跃，导致土壤微生物菌群多样性得以提高，微生物之间的相互作用，物质交流增多，对于植物根系而言，有机物的转化增强，养分含量增强，植物内生菌、菌根菌活动增强，有利于提升甜高粱内部细胞对于双重胁迫下的抗逆性，减缓土壤碱化及石油污染对其生长的抑制。而微生物之间的共代谢作用同样有所增加，从而促进石油降解菌的代谢活动，土壤含油量虽然变化不大，但微生物活动增强对于土壤理化性质的改变起着至关重要的作用，土壤的改善，对于植物根系发展及生长也有促进作用。最终将体现在甜高粱生物产量上的提高。
[0058]
综上所述，乳酸发酵残渣对含油盐碱土壤具有一定的改善作用，通过长期的施用，其效果更为显著。这证明了本方案是可持续性的，高效的，绿色的综合含油盐碱地修复方案。