一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法
【专利摘要】本发明提供一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法，即在受镉污染的土壤中种植灯笼草，镉经灯笼草根系吸收后，继而被转移、贮存到灯笼草的地上部分，当灯笼草生长到开花期时收割地上部分，留茬发芽进行连续提取，将植物地上部分进行灰化焚烧，灰分用硫化钠溶液进行稳定化处理，再加水泥固化成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方，从而达到治理土壤镉污染的目的。本发明具有费用低廉，操作简便，治理效果显著，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染，能保持水土和美化美化环境等特点，推广应用前景广阔。
【专利说明】一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镉污染土壤的修复治理方法，尤其是一种以灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法。
【背景技术】
[0002]我国受镉、砷、铅等重金属污染的土壤较多，尤其以镉污染最为突出。因镉不能被土壤中微生物降解、半衰期长、生物迁移性强，极易被植物吸收并累积，超过一定限度不仅严重影响作物的产量、品质，且可食部分极易通过食物链在人体内积累并危害人体健康，如日本的骨痛病事件就是由于土壤中的镉元素污染造成的。因此，研究镉污染土壤中的修复治理方法和技术是十分必要的。
[0003]关于土壤镉污染的治理，目前主要有农业生态修复法、植物修复方法、化学治理方法、物理治理方法、工程治理方法、微波辐照技术等。其中，化学治理方法、物理方法、工程治理方法和微波辐照技术处理方法成本较高，且易导致土壤结构破坏、生物活性下降和肥力退化等，难以大规模应用；农业生态修复法受到修复周期长，效果不显著等局限，不利于大规模推广。
[0004]植物修复技术因其特殊的修复原理和对土壤的改良作用，在土壤镉污染治理中有着其它修复方法不可比拟的优势。植物修复技术是利用超富集或富集植物对环境污染物吸收、富集、固定、转移等特性，降低或清除环境污染物，使污染环境得以恢复的技术。植物修复技术成本低，效率高，可增加土壤有机质和肥力，对环境扰动小，适合大面积处理。另外，植物修复在清理重金属污染的同时，还可以清除污染土壤周围的大气或水体的其它污染物，具有较高的美化环境价值。因此，植物修复技术已成为世界环境修复技术与工程科学的热点和前沿领域之一，具有广阔的应用前景。
[0005]镉超富集植物同时具备以下特征:(I)以干重计，植物地上部茎或叶的重金属含量超过临界标准100mg/kg ； (2)植物地上部镉含量大于土壤中镉的含量；(3)植物地上部镉含量大于根部镉含量；(4)植物的生长没有表现出明显的镉毒害症状。
[0006]相对于镉超富集植物，镉富集植物对镉的富集能力要弱一些。但在镉污染场地特定的土壤条件及气候环境下，没有针对性很强的超富集植物适合种植的情况下，种植镉富集植物也是常用的方法。镉富集植物具备以下特征:(I)植物地上部镉含量大于根部镉含量；(2)植物的生长没有表现出明显的镉毒害症状；(3)植物地上部镉含量大于土壤中镉的含量，但以干重计，还没有达到镉超富集植物所要求的100mg/kg临界标准。
[0007]目前应用于修复土壤镉污染的超富集或富集植物主要有东南景天、印度芥菜、宝山堇菜、小白酒花、蒲公英、龙葵、天蓝遏蓝菜、三叶鬼针草等。它们对镉单一及复合污染有较强的耐性和富集能力，但几乎都适种地域狭窄，受土壤类型、气候等环境条件的影响而生长缓慢，生物量小，修复期限长，效率低，难以大范围采用。因此，在采用植物修复技术治理镉污染土壤时，亟需寻找一些能广泛适用于多种土壤条件和气候环境，生长周期短，生物量大，富集能力强的镉修复植物，以满足镉污染土壤的治理需要。[0008]为此，本发明提供一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法，具有修复植物适种范围广，费用低廉，操作简便，治理效果显著，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染，能保持水土和美化环境等诸多优点。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种费用低廉，操作简便，治理效果显著，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染，同时还能保持水土和美化环境的镉污染土壤植物修复方法。
[0010]为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案和步骤:
[0011]1、现场调研镉污染场地的土壤条件及气候环境，采集土壤样品，检测污染土壤中的镉含量，确定修复治理目标。这样做的理由是，所有修复工程都需要首先进行现场调查和勘验，确定修复目标，并为制定合理的修复方案提供第一手资料，也为后期评估治理效果奠定基础。
[0012]2、选择灯笼草为镉修复植物并判定其是否适种于所治理的污染场地，方法为查看灯笼草的产地生境范围是否涵盖所要治理的地方。
[0013]选择灯笼草为镉修复植物的理由是:发明人通过试验研究发现，灯笼草对镉污染土壤具有较强的富集能力和转移能力，并且呈现出以下特点:①土壤污染元素镉含量越高，灯笼草的富集能力越强，当污染土壤中镉浓度> 100mg/kg时，灯笼草具有镉超富集植物的所有特征，但其生物量也像目前所用其它富集或超富集植物一样，会随着土壤镉浓度的增加而受到一定的抑制；当污染土壤中镉浓度〈100mg/kg时，灯笼草具有镉富集植物的所有特征，因此灯笼草适宜于所有浓度梯度的镉污染土壤，尤其适宜于镉浓度> 50mg/kg的重度污染区。②灯笼草不但对镉的耐受能力强，还有很强的耐贫瘠、耐干旱等抗逆能力。③易于露天栽培和收割，生物量高，其地上部冬季虽然枯萎，但翌春又萌发生长，一次种植，多年收获。这些特征使其成为镉污染理想修复的植物。
[0014]从形态特征上看，灯笼草为茄科酸浆属多年生草本植物，株高50?80cm，茎微卧或倾斜，多分枝，叶互生，叶先端渐尖，基部宽楔形；花单生于叶腋，花萼绿色，花后自膨大成卵囊状，成熟时橙红色或火红色；果实近球形，熟时深蓝色，藏于萼内，直径约5毫米。这些形态特征使其具有良好的固土护坡，防止水土流失及美化环境等效果。
[0015]灯笼草适种范围广，生产地生境范围包括:陕西，甘肃，山西，河北，河南，山东，浙江，江苏，安徽，福建，江西，湖南，湖北，广西，贵州，四川，云南及西藏东部；生于山坡、路边、土坎、林下、灌丛、空地、荒地等，适应所有土壤类型，海拔至3400米。
[0016]3、按治理场地地形特点及走势，设置治理单元，并理顺每个治理单元的水系，主要措施为:沿场地治理单元四周深挖截水沟，阻拦治理场地外的来水进入治理场地，场地内设置合理的疏导及拦蓄设施，避免治理过程中污染元素镉随水外流。
[0017]这样做的理由是:水系紊乱可能造成治理区水土流失及镉元素随水迁移而扩大污染范围，降低治理效果和效率。阻截治理区外的来水及治理区内的雨水外流，则可避免这种情况。
[0018]4、对表层20cm土层进行挖掘翻土,每间隔40?50cm起塊留沟，同时施底肥；每塊种植灯笼草两行，行间距10?20cm,株间距20?30cm ;种植40?50天后，追施尿素、碳铵、硫铵、硝铵、高氮复合肥中任何一种氮肥一次，用量30?50公斤/亩；适时灌溉，优先采用治理单元内拦蓄的雨水，土壤含水量宜长期保持在田间持水量的60~75%。
[0019]这样做的理由是:采用与灯笼草生长习性相符的耕植方式，可以有效提高灯笼草的生长速度和生物产量，从而提高植物修复的效果。
[0020]采用治理单元内拦蓄的雨水灌溉的好处是:就地取水，既保证灌溉，又可使流失在水中镉污染元素重新聚集在灯笼草根部，以便更快地被植物根系吸收。
[0021]5、待第一茬移栽60~70天，或二茬及以后灯笼草生长到开花时，收割地上部分，留茬发芽进行连续提取，将收割后的植物地上部分进行焚烧灰化处理。这样做的理由是:通过灯笼草富集、收割的方式，将土壤中的镉提取出来，并进行后续固定化处理。
[0022]6、取样检测植物地上部和地下部镉含量，并折算地上部灰分的镉含量，在灰分中加入等摩尔量的硫化钠水溶液，充分搅拌混合，搁置30分钟以上，再加入大于或等于灰分质量的水泥，调整水分，将混合物压成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方。
[0023]这样做的理由是:硫化钠水溶液可使灰分中的镉离子从活化游离态回归到钝化稳定的岩石成分，从而达到治理镉污染土壤和恢复生态的目的。
[0024]Cd2++S2_=CdS I
[0025]CdS非常稳定，溶度积系数为3.6X10_29。在自然界中，以CdS形式存在的镉极为稀少，只存于镉矿中，并只能在强酸作用下才能释放出游离态镉。可见，通过硫化钠水溶液稳定化处理游离态镉是可靠的。同时，加入的水泥凝固后对CdS还有进一步的封闭和包裹作用，并保持较强的碱性条件，使镉元素更加不易释放出来。
[0026]7、从第二茬开始，原留茬直接出芽生长，追肥，灌溉，重复步骤5~6，直至修复完成，土壤达标。
[0027]本发明较好的方案可以是，步骤4所述底肥采用由木质素和无机养分复合而成的木质素缓释肥，其有机质含量为500~900g/kg，总腐植酸为260~500g/kg，全氮为8~14g/kg,全磷为5~8g/kg,速效钾为280~330mg/kg,施加量为每株0.2~0.5kg。这样做的好处是:可改良土壤理化性状，增加土壤的肥力；木质素是一种酚型三度空间有分枝的网状结构高分子聚合物，含有较多的酚羟基和醇羟基，跟重金属离子有很好的螯合或络合吸附作用，能在一定程度上减轻重金属离子对植物的毒害，尤其是当污染土壤中镉浓度^ 100mg/kg时，从而使灯笼草地上部分的生物量增加，提高污染土壤镉的提取率。
[0028]本发明较好的方案也可以是，步骤4所述的灯笼草种植，第一茬采用先营养块育苗再移栽的方式进行。这样做的好处是:第一茬采用先营养块育苗再移栽的种植方式要优于直接播种的方式，原因在于:营养块育苗可与场地水系梳理，土地整理等工作同时开展，交叉进行，节约种植时间，同时减少种子用量，提高种苗前期营养状况，免去间苗等步骤。
[0029]与现有技术相比，本发明具有以下优势:(I)灯笼草对镉的富集和耐受能力强，是镉超富集或富集植物；(2)灯笼草适应范围广，在全国大部分地区都有产地生境分布，适应于任何土壤类型；(3)灯笼草有很强的耐贫瘠、耐干旱等抗逆能力，易于种植，生物量大，提取效率高；(4)灯笼草为多年生草本或灌木，一茬栽培，多年连续生长，多茬收割，直到修复完毕，土壤达标；(5)修复成本低，管理粗放，操作极为便利。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下面结合附图及具体的实施方式进行更详细地说明。[0031]图1是本发明的工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0032]实施例1
[0033]本发明首次在云南某市的镉污染场地进行测试，测试治理面积为3000m2。试验修复步骤如下:
[0034](I)经现场调研，场地海拔2000米左右，地势相对平缓，部分为平地，部分为坡度在30°以下缓坡，土壤类型均为沙壤土。经取样检测，土壤中镉含量分布不均匀，平地取样点平均为105mg/kg,缓坡取样点平均为75mg/kg。根据场地为住房用地的用途,确定修复目标为达到国家《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)中规定的居住用地最高允许镉含量10mg/kg的标准。
[0035](2)对照灯笼草产地生境分布范围，确定本镉污染场地可采用本发明所述灯笼草为修复植物进行土壤污染治理。
[0036](3)按本测试场地地形特点及走势，设置I个治理单元，沿坡面及平地周边设截水沟，阻拦坡上来水，避免进入治理场地，在平地低洼处设蓄水池，在坡面及平地设水沟，将坡面及平地的雨水导归到蓄水池中，避免外流。
[0037](4)对污染场地表层20cm 土层进行挖掘翻土，每间隔40cm起垅留沟，同时施农家肥作底肥；第一茬每垅种植灯笼草两行，采用点播的方式进行种植，出苗20天后间苗，行间距10cm，株间距20cm ;种植45天后，追施尿素，用量30公斤/亩；适时采用治理单元内拦蓄的雨水进行灌溉，无收集有雨水则接自来水管进行灌溉，土壤含水量长期保持在田间持水量的65~70%的范围。
`[0038](5)待第一茬移栽70天后，收割地上部分，留茬发芽进行连续提取，将收割后的植物地上部分进行焚烧灰化处理。
[0039](6)取样检测植物地上部和地下部镉含量，见表-1。折算地上部灰分的镉含量，加入等摩尔量的硫化钠水溶液，充分搅拌混合，搁置30分钟以上，再加入等于灰分质量的水泥，调整水分，将混合物压成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方。
[0040](7)从第二茬开始，直接生长，追肥，灌溉，重复步骤5~6，一年种植2茬，连续修复3年后，土壤镉含量降到GB15618-2008中居住用地允许的10mg/kg最高限值以下。
[0041]表-1第一巷灯笼草对重金属镉的富集情况
[0042]
地上部分地下部分转移系数地上部富集系数 样品来源， 、 ， 、
(mg/kg) (mg/kg)TFBCF
坡面植物样(平均) 88.6281.551.081.18
平地植物样(平均) 164.95143.461.151.57
[0043]说明:(1)转移系数TF=地上部Cd含量/地下部Cd含量，TF越大，则Cd从地下部分向地上部分转移能力就越强。(2)地上部富集系数系数BCF=地上部Cd含量/ 土壤中Cd含量，BCF越大，则地上部Cd富集能力就越强。[0044]由表-1可见，在本实施例中，坡面植物样的TF、BCF均大于I，但地上部镉含量不超过100mg/kg的临界标准，表明灯笼草种植在坡面上，具有镉富集植物的所有特征，其对镉的富集、转移效果良好；同样，平地植物样的TF、BCF均大于1，同时地上部镉含量已超过镉超富集植物的临界标准100mg/kg，灯笼草种植在平地上，具有镉超富集植物的所有特征，其对镉的富集、转移能力更佳。
[0045]实施例2
[0046]本例为本发明在江西赣州某钨矿区下游的镉污农田进行的测试，测试治理面积合计1800m2。试验修复步骤如下:
[0047](I)经现场调研，场地海拔1800米左右，场地原为水稻田，土壤类型为花岗岩赤红壤母质发育成的水稻土，发现污染后已停止耕作，成为旱地。经取样检测，土壤PH6.8，其中镉含量分布不均匀，在4.0~8.0mg/kg之间。根据场地为农业用途，确定修复目标为达到GB15618-2008中规定的农业用地中的水田镉最高允许含量0.5mg/kg的标准。
[0048](2)对照灯笼草产地生境分布范围，确定本镉污染场地可采用本发明所述灯笼草为修复植物进行土壤污染治理。
[0049](3)按本测试场地地形特点及走势，设置4个治理单元，沿每个治理单元周边设截水沟，阻拦周边来水进入治理场地，在每个治理单元设蓄水池及排水沟，将治理单元内的雨水导归到蓄水池中,避免外流。
[0050]本实例其余步骤与实施例1基本相同，所不同的是，步骤4所施底肥采用由木质素和无机养分复合而成的木质素缓释肥，其有机质含量为800g/kg，总腐植酸为450g/kg，全氮为12g/kg,全磷为6g/kg,速效钾为300mg/kg,施加量为每株0.3kg,并采用先营养块育苗再移栽的方式进行种植。
[0051]第一茬灯笼草对镉的富集情况见表_2，显示出灯笼草对镉具有良好的富集、转移能力。
[0052]该测试项目，一年种植2茬，连续种植三年后，治理单元I和2 土壤镉含量低于GB15618-2008中规定的农业用地中水田镉最高允许含量0.5mg/kg的标准限值，连续种植四年后，所有治理单元全部达到标。
[0053]表-2第一巷灯笼草对重金属镉的富集情况
[0054]
【权利要求】
1.一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于，包括以下技术步骤: (1)现场调研镉污染场地的土壤条件及气候环境，采集土壤样品，检测污染土壤中的镉含量，确定修复治理目标。 (2)选择灯笼草为镉修复植物并判定其是否适种于所治理的污染场地，方法为查看灯笼草的产地生境范围是否涵盖所要治理的地方。 (3)按治理场地地形特点及走势，设置治理单元，并理顺每个治理单元的水系，主要措施为:沿场地治理单元四周深挖截水沟，阻拦治理场地外的来水进入治理场地，场地内设置合理的疏导及拦蓄设施，避免治理过程中污染元素镉随水外流。 (4)对表层20cm土层进行挖掘翻土，每间隔40?50cm起垅留沟，同时施底肥；每垅种植灯笼草两行，行间距10?20cm,株间距20?30cm ;种植40?50天后，追施尿素、碳铵、硫铵、硝铵、高氮复合肥中任何一种氮肥一次，用量30?50公斤/亩；适时灌溉，优先采用治理单元内拦蓄的雨水，土壤含水量宜长期保持在田间持水量的60?75%。 (5)待第一茬移栽60?70天，或二茬及以后灯笼草生长到开花时，收割地上部分，留茬发芽进行连续提取，将收割后的植物地上部分进行焚烧灰化处理。 (6)取样检测植物地上部和地下部镉含量，并折算地上部灰分的镉含量，在灰分中加入等摩尔量的硫化钠水溶液，充分搅拌混合，搁置30分钟以上，再加入大于或等于灰分质量的水泥，调整水分，将混合物压成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方。 (7)从第二茬开始，原留茬直接出芽生长，追肥，灌溉，重复步骤5?6，直至修复完成，土壤达标。
2.根据权利要求1所述的一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于，步骤4所述底肥采用由木质素和无机养分复合而成的木质素缓释肥，其有机质含量为500?900g/kg,总腐植酸为260?500g/kg,全氮为8?14g/kg,全磷为5?8g/kg,速效钾为280?330mg/kg,施加量为每株0.2?0.5kg。
3.根据权利要求1所述的一种灯笼草修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于，步骤4所述的灯笼草种植，第一茬采用先营养块育苗再移栽的方式进行。
【文档编号】B09C1/00GK103817144SQ201410083109
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】曹华英, 朱兆华, 孙吉雄, 徐国钢, 董沁, 陈晓蓉, 刘 英, 刘杰 申请人:深圳市万信达生态环境股份有限公司