利用重金属污染土壤种植经济作物的方法与流程

1.本发明涉及污染土壤利用和修复领域，具体涉及一种利用重金属污染土壤种植经济作物的方法。


背景技术：

2.随着矿产开采、金属冶炼、化工生产、污水灌溉等人类生产活动的进行，土壤重金属污染日益严重。重金属污染不仅会降低土壤肥力及作物产量，而且会通过生物积聚、生物放大作用威胁人类健康，破坏生态环境。因此，解决土壤的重金属污染问题刻不容缓。
3.土壤修复是目前解决土壤重金属污染问题的主要方式，具体包括：
4.1)物理修复技术，包括换土修复、土壤填满、封装技术等，主要通过物理隔离或物理移除的方式进行修复，效率相对较高，但存在成本高、需要额外土地做填埋场或修复后土壤失去生态功能等缺点；
5.2)化学修复技术，包括土壤淋洗、化学固定等技术，主要通过化学溶剂提取、钝化重金属的方式进行修复，效率相对较高，成本合理，但存在造成修复土壤的二次污染、固化重金属重新活化或修复后的土壤丧失生态功能等缺点；
6.3)生物修复技术，包括植物修复、微生物修复技术，主要通过植物移除或微生物转化进行修复，成本低、土壤扰动小，但存在修复效率低、耗时长等缺点。
7.上述三种方法虽实现了污染土壤的整体修复，但均无法在短期内对污染土壤进行农业利用。对于物理修复和化学修复来说，虽然修复效率高，但修复后的土壤极易存在二次污染或丧失土壤生态功能，失去了农业耕作的可能性；生物修复对土壤扰动小、保持了土壤的生态功能，在耕地上得到了广泛应用，但其低修复效率导致需经历数十年的修复周期后才能进行农业种植。显然，已有的土壤修复技术均注重于对土壤中重金属的移除或钝化，却忽略了重金属污染土壤在短期内进行农业利用的可能。
8.因此，开发一种成本低廉、环境友好，能够进行农业利用且兼顾土壤修复的重金属污染土壤经济作物种植方法，是提高污染土壤利用率的重要手段，也是缓解耕地资源短缺的有效途径。


技术实现要素：

9.本发明针对重金属污染土壤整体修复周期长、无法在短期内进行农业利用的问题，提出了一种利用重金属污染土壤种植经济作物的方法。该方法基于人工调控和诱导蚯蚓，作用于根际土壤并与植物产生正向协同作用，由降低土壤整体重金属含量转向降低作物潜在可吸收重金属含量，得到符合安全标准的农产品，提高土壤利用效率，同时通过重金属移除作用兼顾土壤修复的效果。
10.为实现上述目的，本发明所设计一种利用重金属污染土壤种植经济作物的方法，包括以下步骤：
11.1)选择与重金属污染区域具有相同土壤母质的非重金属污染土壤进行野生蚯蚓
采集；
12.2)对重金属污染区域进行土地平整，以宽行、窄行交替的方式设置条带状分区，
13.3)在条带状窄行中施用腐熟的畜禽粪便类有机肥，并将有机肥与土壤翻耕混匀；
14.4)在施用有机肥的条带状区域播种低累积作物品种种子，通过滴灌控制土壤水分为45-75％；
15.5)在作物下方接种上述野外采集的蚯蚓，接种量为15-30条/m2；
16.6)接种蚯蚓后的1-7天，观察地表蚯蚓粪产生情况，若有大量蚓粪产生则不进行任何处理；若蚓粪产生量较少则补充接种蚯蚓15-30条/m2。
17.7)接种蚯蚓后第10天起，每天日出前收集地表的新鲜蚯蚓粪，并将收集到的新鲜蚯蚓粪移出地块，另作处理(新鲜蚯蚓粪与旧蚯蚓粪可通过蚓粪形态与湿度进行区分)；
18.8)作物收获后，在原种植有作物的条带状区域重复步骤3)-7)。
19.进一步地，所述步骤1)中，蚯蚓为表-内栖型(epi-endogeic)蚯蚓。
20.再进一步地，所述蚯蚓为湖北远盲蚓(amynthas hupeiensis)、参状远盲蚓(amynthas aspergillum)、威廉环毛蚓(pheretima guillelmi)和粉正蚓(lumbricus rubellus)中任意一种。
21.再进一步地，所述步骤2)中，条带状分区中窄行宽度为0.2-0.5m，宽行宽度为0.5-1.0m，长度可依据修复区实际情况确定。
22.再进一步地，所述步骤3)中，有机肥的施用量为1.5-3.0kg/m2；
23.有机肥是由牛粪与秸秆按照质量比5：1-5：2混匀后腐熟完全而成；
24.翻耕深度为30-50cm。
25.再进一步地，所述步骤4)，低累积作物品种种子播种前，需先采集重金属污染土壤开展蚯蚓回避试验：
26.当蚯蚓回避率大于80％时，则该重金属污染土壤不适宜于本发明中的方法；
27.或者，当蚯蚓回避率低于等于80％时，则该重金属污染土壤适用于本发明方法。
28.再进一步地，所述步骤4)中，低累积作物品种为油菜、花生、大白菜、小白菜和菜心中任意一种；其中，
29.油菜为华油杂62、中双10号或中油821，
30.花生为鲁花8号、鲁花9号或奇山208，
31.大白菜为丰源新3号、金丰100(d4)或乐园翠峰(d4)，
32.小白菜为越秀4号、热优2号或华冠青粳，
33.菜心为尖叶早绿菜心或绿油粗苔菜心。
34.本发明的原理
35.1.蚯蚓类型的选择。蚯蚓按照生活习性可分为表栖型(epigeic)、内栖型(endogeic)和深栖型(anecic)，不同生态类群的蚯蚓食性和习性迥异。表-内栖型(epi-endogeic)蚯蚓是农田中常见的介于表栖(epigeic)和内栖(endogeic)之间的过渡生态类型，其特点在于取食富含有机质的土壤，大多于夜间在土壤表面排泄(图1)。
36.2.蚯蚓对重金属的富集作用。蚯蚓在对土壤取食的过程中能够富集重金属，尤其是对重金属cd、pb、hg和cu等的积聚能力较强，能够明显降低土壤的重金属含量。当蚓体中重金属富集量接近饱和时，富集的重金属开始随蚓粪排出体外，导致蚓粪中重金属含量显
著高于土壤本身。
37.3.蚯蚓的趋肥、趋水及趋根性。蚯蚓喜食土壤中的有机腐殖质，喜欢潮湿、凉爽的环境，植物根系残体及分泌物也是蚯蚓的食物来源。因此，蚯蚓大多喜欢聚集在肥沃、潮湿的根际区活动。
38.4.植物根际区域特性。根际区域是邻接植物根系的土壤区域，通常认为，松散黏附在根系表面1-4mm的土壤为根际土壤，其在土体中所占的比例极小。根系是重金属进入植物体的门户，而根际则是根系与土壤相互作用最频繁的微生态区域，是土壤与植物相互作用的界面，是控制植物受土壤重金属影响的关键区域。
39.由上可知：本发明通过人工措施将接种的表-内栖型蚯蚓活动范围限定在根际区域，利用蚯蚓取食-富集作用降低根际区域土壤(而非整个污染地块土壤)重金属含量，进而降低作物潜在可吸收重金属含量，在短期内即可实现重金属污染土壤的农业利用；随后通过蚯蚓的排泄行为将根际区域重金属移至土表，通过人工收集土表蚯蚓粪将重金属移出耕地，达到修复重金属污染土壤的目的。
40.本发明的有益效果：
41.1.本发明在短期内即可实现重金属污染土壤经济作物的种植，并产出符合安全要求的产品，提高了土地利用效率；
42.2.本发明具有土壤扰动小、不破坏原有土壤生态功能且成本低的优势；
43.3.本发明将蚯蚓活动限定在植物根际区域，强调根际土壤重金属含量的降低，相比传统修复技术追求土壤整体重金属含量的下降，本发明具有作用对象突出、见效快的特点。
44.4.本发明强调农产品重金属含量达标，而非要求土壤整体重金属含量降低，重点在于实现重金属污染土壤的利用，兼具土壤修复功能，具有目的性强的优势。
45.5.本发明集土壤利用与土壤修复为一体，有机肥及滴灌既是诱导蚯蚓的手段，又是作物生长的条件，在土壤修复的同时实现了土壤培肥。
46.6.本发明中蚯蚓对土壤其它性质的改良作用及与植物的正向协同作用，均可促进植物生长，提高作物产量。
附图说明
47.图1为表-内栖型蚯蚓在地表排泄的蚯蚓粪图。
具体实施方式
48.下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
49.实施例1
50.某矿山植被恢复区下游约300m处，重金属污染土壤中镉(cd)含量为0.46mg/kg，铅(pb)含量为108.74mg/kg，ph值为6.05，有机质(om)含量11.24g/kg。参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(gb 15618-2018)，该区域cd含量及pb含量均超过农用地土壤污染风险筛选值。
51.蚯蚓采集自矿山以北约4.9km处农田，利用挖掘-手捡法收集，蚯蚓品种为湖北远盲蚓(amynthas hupeiensis)，其生态类型为表-内栖型(epi-endogeic)蚯蚓。挑选具有明
显环带、健康且活性较好的个体备用。
52.1)采集重金属污染区域土壤，并利用所采集的蚯蚓开展蚯蚓回避试验。结果显示，蚯蚓回避率为68％，可利用本发明中的方法开展重金属污染土壤经济作物种植。
53.2)重金属污染区域进行土地平整，按照宽行0.7m、窄行0.4m进行条带状分区。
54.3)在条带状窄行区域施用腐熟牛粪有机肥，施用量为2.0kg/m2，之后将有机肥与土壤翻耕混匀，翻耕深度40cm。
55.4)在条带状窄行区域播种大白菜，在植物根部设置滴灌设施并通过滴灌控制土壤水分在45-75％范围。
56.5)在植物下方接种所采集到的蚯蚓，接种量为20条/m2。接种后观察地表蚯蚓粪产生情况，自第4天开始在地表可观察到大量新产生的蚯蚓粪。
57.6)接种蚯蚓后第10天起，每天日出前收集地表的新鲜蚯蚓粪，并将收集到的新鲜蚯蚓粪移出地块，另作处理。
58.7)作物收获后，在条带状窄行区域重复以上步骤，持续3年。
59.实施例2
60.地点及蚯蚓采集同实施例1。
61.1)采集重金属污染区域土壤，并利用所采集的蚯蚓开展蚯蚓回避试验。结果显示，蚯蚓回避率为68％，可利用本发明中的方法开展重金属污染土壤经济作物种植。
62.2)重金属污染区域进行土地平整，按照宽行0.6m、窄行0.4m进行条带状分区。
63.3)在条带状窄行区域施用腐熟牛粪有机肥，施用量为3.0kg/m2，之后将有机肥与土壤翻耕混匀，翻耕深度40cm。
64.4)在条带状窄行区域播种大白菜，在植物根部设置滴灌设施并通过滴灌控制土壤水分在45-75％范围。
65.5)在植物下方接种所采集到的蚯蚓，接种量为30条/m2。接种后观察地表蚯蚓粪产生情况，自第3天开始在地表可观察到大量新产生的蚯蚓粪。
66.6)接种蚯蚓后第10天起，每天日出前收集地表的新鲜蚯蚓粪，并将收集到的新鲜蚯蚓粪移出地块，另作处理。
67.7)作物收获后，在条带状窄行区域重复以上步骤，持续3年。
68.在开展实施例的同时，于相邻区域设置对照例及植物修复例。对照例不对土壤进行任修复，于第3年开始播种大白菜。植物修复例通过种植超富集植物并定期收割移除对土壤进行植物修复，于第3年开始播种大白菜。
69.待第3年播种的大白菜成熟后，采集实施例、对照例及植物修复例的植物样品，测定其产量及重金属含量；采集实施例、对照例及植物修复例的作物根际土壤，测定土壤重金属含量及养分含量。
70.表1显示，实施例地上部及地下部鲜重均显著高于对照例及植物修复例，说明本发明促进了植物的生长，有助于提高产量。表1显示，实施例中大白菜叶片中cd含量为0.15-0.17mg/kg，pb含量为0.26-0.27mg/kg，均符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》(gb 2762-2017)的要求，收获的大白菜安全可食用。表1显示，采取植物修复措施(植物修复例)虽然也能够降低大白菜叶片中的cd、pb含量，但仍超过gb 2762-2017的限量要求，经过3年的植物修复后，种植的大白菜仍旧无法用于食用。
71.表1大白菜生物量及重金属含量
[0072][0073]
注：同一指标数据后标有不同字母表示实施例与对照例差异显著(p《0.05)
[0074]
表2显示，实施例根际土壤有机质含量及全氮含量均显著高于对照例和植物修复例，说明实施例显著改善了根际土壤养分状况，较高的根际土壤肥力是实施例获得更高产量的原因。表2显示，实施例根际土壤cd含量为0.21-0.25mg/kg，pb含量为70.055-74.47mg/kg，均低于gb 15618-2018中要求的农田土壤污染风险筛选值，说明对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可忽略。表2显示，植物修复例在进行3年的植物修复后，根际土壤cd含量及pb含量均有下降趋势，但并未与对照例产生显著差异，且其含量均高于gb 15618-2018中要求的农田土壤污染风险筛选值，说明对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当采取安全利用措施。
[0075]
表2土壤养分状况及重金属含量
[0076][0077]
注：同一指标数据后标有不同字母表示实施例与对照例差异显著(p《0.05)
[0078]
综合表1表2的数据，说明本发明实行3年后，即可通过种植经济作物实现重金属污染土壤的农业利用；而传统植物修复实行3年后，仍未能在重金属污染土壤上安全种植经济作物。
[0079]
实施例3
[0080]
某矿山植被恢复区，镉(cd)含量为0.17mg/kg，铅(pb)含量为214.21mg/kg，ph值为5.74，全氮(tn)含量0.99g/kg，有机质(om)含量5.46g/kg。
[0081]
蚯蚓采集自矿山以北约4.9km处农田，利用挖掘-手捡法收集，蚯蚓品种为湖北远盲蚓(amynthas hupeiensis)，其生态类型为表-内栖型(epi-endogeic)蚯蚓。挑选具有明显环带、健康且活性较好的个体备用。
[0082]
采集待修复的重金属污染土壤，并利用所采集的蚯蚓开展蚯蚓回避试验，蚯蚓回避率为83％，不可利用本发明中的方法开展重金属污染土壤修复。
[0083]
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描
述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。