一种基于生物炭原位钝化结合甜高粱种植的安全利用重金属污染耕地的方法与流程

本发明涉及一种基于生物炭原位钝化结合甜高粱种植的安全利用重金属污染耕地的方法。

背景技术：

近年来，我国工业化和城市化进程不断加快，大量污染物随意排放，使得土壤重金属污染日益加剧，污染面积也在逐年扩大。重金属镉、铅具有富集性，在土壤中滞留时间长，易在表土积累，可被植物吸收，是中国土壤-植物生态系统中主要的重金属污染。据统计，我国重金属污染耕地面积已经达到2000万公顷，每年有1200万吨粮食受污染而重金属超标，直接经济损失200亿元。

针对矿区周边镉铅重度污染农田，基于非食用类能源作物的种植结构调整是农田安全利用的趋势，对于降低农产品风险具有重要的意义。另一方面，农业废弃物的能源化利用既可减少农业面源污染，是解决“三农”问题的重要手段，又是解决当前全球能源危机的必要措施，具有广阔的应用前景。开展土壤钝化-能源作物原位修复和农业生物质高效能源化和资源化综合利用则成为该项技术市场化应用的关键。

生物炭作为一种新型吸附材料，在废水处理和污染土壤修复等环保领域展现出巨大应用潜力。生物炭通过改变土壤环境条件，如提高土壤ph值和土壤有机质含量，改变土壤微生物群落组成及土壤氧化还原电位，降低重金属生物有效性；另一方面，生物炭对重金属离子有较强吸附和固定作用，可降低重金属生物有效性。重金属在土壤中主要存在4种形态(弱酸提取态、铁氧化物结合态、有机结合态和残渣态)，而生物有效态通常指的是弱酸可浸提态。施用生物炭可改变土壤中重金属形态和迁移，降低土壤中某些重金属酸提取态含量，将活性态的重金属固化，使其变成更加紧密的结合形态(如可还原态或可氧化态)，从而实现降低重金属在土壤环境中生物有效性。

甜高粱(sorghumbicolor(linn.)moench)是粒用高粱的一个变种，具有生物产量及茎秆含糖量高、生育期短、抗逆性强、适种范围广等优点，是最具前景的生物质能源植物之一。在镉铅重度污染农田种植甜高粱，其茎秆和籽粒可通过固体发酵技术生产乙醇，酒糟可用于燃烧发电，而镉可从燃烧后的灰烬中加以回收，这样镉就从食物链转移到能源链中，同时兼顾了生态和经济效益。研究表明，高粱是一种能有效吸收重金属的作物，但不同高粱品系吸收重金属的能力有很大差异。高粱可以耐受一定浓度的cd，1mg/l以下的cd处理可以促进高粱的生长和对铁的运输，并且没有明显的毒害症状，在10mg/l的cd处理下生物量才开始明显的下降。

技术实现要素：

甜高粱具有丰富的种质资源，不同品种对镉、铅的吸收和积累具有很大的差别。本发明针对华南地区典型矿区流域镉铅重度污染农田，拟在筛选镉铅高耐受和低吸收的优良甜高粱品种的基础上，构建甜高粱-生物炭原位钝化联合修复技术模式，结合下游能源化和资源化技术研发，实现镉铅重度污染耕地的安全利用。

本发明的目的是提供一种基于生物炭原位钝化结合甜高粱种植的安全利用重金属污染耕地的方法。

本发明要求保护一种安全利用重金属污染耕地的方法，包括：在所述重金属污染耕地中加入椰壳生物炭和石灰石，种植镉铅低吸收甜高粱品种。

本发明还要求保护一种修复重金属污染耕地的方法，包括：在所述重金属污染耕地中加入椰壳生物炭和石灰石，种植镉铅低吸收甜高粱品种。

本发明还要求保护一种降低甜高粱镉和/或铅含量的方法，包括：在种植甜高粱的土壤中，加入椰壳生物炭和石灰石。

具体的，上述方法中，所述降低甜高粱镉和/或铅含量具体为降低在甜高粱的根、茎和叶中至少一种中的镉和/或铅含量；

所述甜高粱品种选自品种名为grassl、mn4578和smith的甜高粱中至少一种。上述甜高粱品种可由美国国家植物种质系统(npgs)获得，也可由如下文献获得：jiawt,miaoff,lvsl,etal.identificationforthecapabilityofcd-tolerance,accumulationandtranslocationof96sorghumgenotypes[j].ecotoxicologyandenvironmentalsafety,2017,145:391–397。

所述甜高粱品种grassl的npgs代号为pi154844；所述甜高粱品种mn4578的npgs代号为pi273969；所述甜高粱品种smith的npgs代号为pi511355。

本发明还要求保护安全利用重金属污染耕地种植甜高粱的方法，包括：在重金属污染耕地中加入椰壳生物炭和石灰石，种植镉铅低吸收甜高粱品种；所得甜高粱茎秆作为能源原料；所得甜高粱籽粒作为饲料原料。

具体的，上述方法中，所述椰壳生物炭和石灰石的质量份数比为(0.2-5)：(0.1-0.5)；更具体为(0.2-5)：0.1、(0.2-5)：0.5、(0.2-5)：0.2、(0.2-5)：0.4、0.5：(0.1-0.5)、1：(0.1-0.5)、0.2：(0.1-0.5)或5：(0.1-0.5)。

更具体的，所述椰壳生物炭和石灰石的质量份数比为2.5：1。

所述椰壳生物炭的用量为每亩地土壤质量的0.2-5％；更具体为0.5％、1％、0.5-1％、0.3-4.5％或0.3-1.5％；

所述石灰石的用量为每亩地土壤质量的0.1-0.5％；更具体为0.2％、0.4％或0.2-0.4％；

所述每亩地按300吨表层土量计算。

所述镉铅低吸收甜高粱品种选自前述品种名为grassl、mn4578和smith的甜高粱中至少一种。

在重金属污染耕地种植甜高粱，收获的甜高粱茎秆用于能源化利用，兼顾了生态和经济效益。本发明一方面利用已筛选到的镉铅低吸收甜高粱品种，另一方面通过施加重金属钝化剂生物炭和土壤酸碱调节剂石灰的方法降低土壤镉铅有效性，从而进一步降低甜高粱的镉铅含量，大大降低了甜高粱能源化利用中重金属污染的风险和重金属回收成本。本发明以3个镉低吸收甜高粱品种为材料，1个镉高吸收品种为对照。设置不同的椰壳生物炭和石灰石组合。结果显示，0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石和1％椰壳生物炭+0.4％石灰石处理后，土壤有效镉、铅含量均下降50％以上，结合成本考虑，0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石处理较为理想；4个甜高粱品种均表现出较好的重金属耐受性，未处理条件下，低吸收品种的镉含量约是高吸收品种的1/5，铅含量约是高吸收品种的1/2。钝化剂处理后，甜高粱茎中的镉铅含量均有显著降低。这些结果表明，低吸收品系适宜用于重金属污染区的稳定修复和能源化利用。另外，甜高粱籽粒中几乎检测不到镉，铅含量也在饲料标准之内，说明籽粒比较安全，可以用作饲料原料。本发明提供的方法技术简便、方法易行，在广大的重金属污染地区具有极其广阔的应用前景。

附图说明

图1为处理前和收获后土壤镉(a)和铅(b)含量；每组中，左为处理前，右为处理后。

图2为处理前和收获后土壤有效镉(a)和铅(c)含量以及有效镉(b)和铅(d)的降低率；每组中，左为处理前，右为处理后。

图3处理前后4个甜高粱品系的株高(a)，茎粗(b)，地上部分鲜重(c)和糖锤度(d)统计；每图每组数据中，由左至右依次为ck、t1、t2和t3。

图4为处理前后4个甜高粱品系的镉含量及转运系数；图4中a-d每组数据中，由左至右依次为ck、t1、t2和t3；e中每组数据中，由左至右依次为根、茎、叶和籽粒。

图5为处理前后4个甜高粱品系的铅含量及转运系数；图5中a-d每组数据中，由左至右依次为ck、t1、t2和t3；e中每组数据中，由左至右依次为根、茎、叶和籽粒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、

2.材料与方法

2.1材料

2.1.1甜高粱品种

本工作选用甜高粱品种均可从美国国家植物种质系统(npgs)获得，也可由如下文献获得：jiawt,miaoff,lvsl,etal.identificationforthecapabilityofcd-tolerance,accumulationandtranslocationof96sorghumgenotypes[j].ecotoxicologyandenvironmentalsafety,2017,145:391–397。

3个镉低吸收品种分别为grassl(d1，27号；npgs代号为pi154844)、mn4578(d2，69号；npgs代号为pi273969)、smith(d3，76号；npgs代号为pi511355)；对照镉高吸收品种为no.5gambela(g1，64号；npgs代号为pi257599)。

2.1.2土壤钝化剂

所用钝化剂为椰壳生物炭，购买自海南文昌市东郊椰子活性炭厂。所用石灰石(caco3≥95％)购买自河南省珊瑚环保科技有限公司。

土壤钝化剂处理：

treat1：0.5％椰壳生物炭；

treat2：0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石；

treat3：1％椰壳生物炭+0.4％石灰石；

ck：空白对照。

上述处理treat1-treat3中，所述百分比均为占每亩地土壤质量的百分比；所述每亩地按300吨表层土量计算。

2.1.3试验时间与地点

时间：2019年4月到2019年10月。

地点：位于广西桂林阳朔县兴坪镇思的村的铅锌矿区。

2.2方法

2.2.1田间栽培管理方法

(1)整地与土壤处理

第一次翻地。翻耕深度为20-30厘米，土壤晾晒1周，以去除杂草。

施肥、土壤钝化剂及第二次翻耕。每亩施30公斤复合肥符合ny/t496肥料合理使用准则通则的规定。

土壤钝化剂设3个处理，处理1：0.5％椰壳生物炭；处理2：0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石；处理3：1％椰壳生物炭+0.4％石灰石；以不施加钝化剂的为空白对照。

以上肥料与钝化剂与土表10厘米的土壤充分翻耕。

第三次精耕细耙。浅犁细耙，土壤细碎平整，底墒充足，以利甜高粱出苗。

(2)播种

于广西4月下旬，通常土壤的10cm耕层地温稳定在12℃以上时播种，每个处理每个品种约0.5亩。人工或者机械点播机播种，穴播和条播均可，播种深度2～3cm。种植行距为60厘米，株距为20厘米，种植密度约6000株/亩。

(3)田间管理

查苗补苗。播种10天后，种子补播。

间苗与适时定苗。甜高粱在2-3叶期进行间苗；长至4-5叶时定苗，定苗时株距一致，留壮苗。

肥水管理。拔节期每亩追施速效性氮肥尿素10～15公斤。苗期一般无须灌溉，在拔节至抽穗期耗水量较大，如果天气干旱应注意浇好拔节水和孕穗水。如果降水量过大，也应注意排涝。

病虫草害防治。播种后及时用拉素1000倍液，或用50％阿特拉津可湿性粉剂150～200克/亩兑水30～50千克均匀喷于土表防治田间杂草。全生育期注意防治蚜虫、玉米螟、高粱条螟等害虫。

(4)收获。

籽粒收获：适宜收获期是蜡熟末期，穗下部籽粒切开呈蜡质状时，籽粒颖壳呈现固有色泽，一般在10月上中旬。茎秆收获：在籽粒收获七天后，茎秆含糖量最高，此时收获茎秆用于能源生产可获得最佳收益。在成熟期检测株高、茎粗、地上部分鲜重、糖锤度等指标，并别取根、茎、叶和籽粒，用于测定不同组织镉铅含量。同时分别在处理前和收获后取各地块土样，测定了土壤镉铅总量和有效含量，评价修复效果。

2.2.2植物株高、茎粗和鲜重的测定

株高：从根和茎连接处到穗顶端的距离。每个品种每个处理设10个重复。

茎粗：用游标卡尺测量中间茎节的直径。每个品种每个处理设10个重复。

鲜重：单株地上部分鲜重。3株一个重复，设3个重复。

2.2.3糖锤度和出汁率的测定

糖锤度：选取中间茎节，挤出汁液，使用便携式糖锤度仪测量。

出汁率：取整株甜高粱，称取鲜重。用榨汁机(sxz-80dcm，乐滋山五金机械厂)榨汁后，称取汁液鲜重，出汁率(％)＝(汁液鲜重/植株鲜重)×100％。每个品种设3个重复。

2.2.4土壤总cd和pb含量的测定

土壤样品于80℃烘干至恒重，充分研磨与混匀后，取0.05g用浓硝酸消解后，用电感耦合发射光谱仪(icp-aes,thermo,waltham,ma,usa)测定cd和pb含量。

2.2.5土壤重金属cd和pb有效含量的测定

采用cacl2溶液浸提法提取土壤有效镉铅含量。

步骤如下：

在新的50毫升离心管中称取20克风干过筛(<2毫米)的土壤；

加入40毫升cacl2溶液，将离心管水平放置在塑料袋中(在瓶盖周围用封口膜封闭以防止泄漏)在旋转振动筛上以80转/分的速度摇动48小时；

摇晃后，让悬浮液静置半小时。

以3000转/分的转速离心10分钟；

用注射器吸取上清9毫升，使用0.45μm滤膜过滤至新的10毫升离心管中；

加入浓hno3，至终浓度为2％。4℃保存；

用电感耦合发射光谱仪(icp-aes,thermo,waltham,ma,usa)测定cd和pb含量。

2.2.6甜高粱cd和pb含量的测定

植物材料在105℃杀青30分钟，然后在80℃烘干至恒重，随后将烘干的根、茎、叶和籽粒用不锈钢粉碎机磨碎，再分别用浓硝酸消解，用电感耦合发射光谱仪(icp-aes,thermo,waltham,ma,usa)测定cd和pb含量。

2.2.7数据统计分析

用统计软件spss12.0进行多重比较的(lsd)统计分析，在p<0.05和p<0.01水平上对各处理和株系差异的显著性进行比较。

3结果与分析

3.1土壤镉铅含量及镉铅有效性检测

为了评价土壤修复效果，并减少各地块镉铅含量差异对实验的影响，分别在钝化剂处理前和甜高粱收获后采用五点取样法对各地块分别取土样。利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤镉铅含量。土壤镉铅总含量测定结果如图1所示。各地块镉铅含量差异较大，处理前镉含量为1.53-2.73mg/kg，其中t1(处理1)含量最低，t3(处理3)含量最高。处理前铅含量为662-1177mg/kg，其中ck(空白对照)地块含量最高，其余三个地块差异不大。处理后同一地块的土壤镉铅总含量无显著变化。

进一步通过0.001mcacl2浸提法提取有效态重金属，对各地块的土壤镉铅有效含量进行了测定(图2)，发现处理前土壤有效镉铅含量差异也比较大，但与镉铅总量并不完全对应。其中ck和t2(处理2)有效镉含量约是t1和t3的5倍(图2中a)，而t2的有效铅含量最高，是其他地块的3-5倍(图2中c)。土壤镉铅总量与有效含量的不一致，可能与土壤ph及其他理化性质有关。值得注意的是，t2和t3处理后，土壤有效镉铅含量都显著下降。t2处理下，镉铅有效含量分别下降50.1％和62.4％(图2中b,d)；t3处理下镉铅有效含量分别下降58.1％和54.9％(图2中b,d)。

因此，从成本考虑，t2处理(0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石)比较理想。

图1中，ck，空白对照；t1，0.5％椰壳生物炭；t2：0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石；t3：1％椰壳生物炭+0.4％石灰石(下同)。数据为平均值±sd(n＝3)，误差线上不同字母表示在p<0.05时有显著差异。

图2中，数据为平均值±sd(n＝3)，*表示同一地块与处理前相比在p<0.05存在显著差异，**表示同一地块与处理前相比在p<0.01存在显著差异。

3.2甜高粱不同品系的生长指标及糖锤度比较

每个处理每个品系取10株测定株高、茎粗、鲜重和糖锤度。在未处理对照中，4个品系的株高、茎粗、单株鲜重差异不大。株高为2.8-3.2m，茎粗为17.1-20.4mm，单株鲜重1.5-2.2kg(图3中a,b,c)。各品系对钝化剂处理的生长响应存在差异。值得注意的是，d2在三种浓度的处理下株高和鲜重均有显著提高，d1高浓度生物炭和石灰石处理下株高和鲜重有所提高。用糖锤度仪测定中间节茎秆汁液的糖锤度。除了d2由于田间未挤出汁液未测定糖锤度外，对照条件下其他三个品系的糖锤度都在16％以上，其中d3的糖锤度达到19.2％。而在钝化剂处理后，各品系的糖锤度都有不同程度的升高，尤其是t3处理下，d3的糖锤度达到20.6％(图3中d)，有利于能源化利用。

图3为处理前后4个甜高粱品系的株高(a)，茎粗(b)，地上部分鲜重(c)和糖锤度(d)统计；数据为平均值±sd(a,b,d,n＝10，c,n＝3)，*表示同一品系与ck相比在p<0.05存在显著差异，**表示同一品系与ck相比在p<0.01存在显著差异。

3.3甜高粱不同品系的镉铅含量及分布特征比较

为了考察钝化剂处理对不同甜高粱品系的镉铅积累与分布的影响，从植物的角度评价修复效果，每个处理每个品系分别取3株高粱，分别测定根、茎、叶和籽粒中的镉铅含量。

与前期研究结果一致，三个镉低吸收品系(d1-d3)的根、茎、叶中的镉含量都显著低于镉高吸收品系(g1)(图4中a,b,c)，在对照条件下，g1茎中的镉含量达到14.23mg/kg，而d1仅为2.79mg/kg，两者相差5.1倍(图4中b)。钝化剂处理后，各品系根与叶中镉含量变化不显著(图4中a,c)，而茎秆中的镉含量在不同处理下均有不同程度下降(图4中b)。t1处理后，各品系茎秆镉含量比对照条件下降8.9-65.6％；t2处理后，各品系茎秆镉含量比对照条件下降20.9-72.7％；t3处理后，各品系茎秆镉含量比对照条件下降31.5-45.1％。茎秆中镉含量的下降对于降低能源化利用中的镉污染风险具有重要意义。

3个低吸收品系的镉转运系数也低于g1，这也是低吸收品系茎秆镉含量较低的重要原因之一，但不同钝化剂处理对镉转运系数影响不显著(图4中d)。同时比较了镉在不同组织中的分别，发现在4个品系中，镉分布均表现为：根>茎>叶>籽粒(图4中e)。值得一提的是，甜高粱籽粒中几乎检测不到镉，远低于饲料卫生标准(1mg/kg)，这表明在镉重度污染农田种植甜高粱，一方面茎秆可以能源化利用，另一方面籽粒是比较安全的，可以饲用。

图4为处理前后4个甜高粱品系的镉含量及转运系数；其中，(a)，根中镉含量；(b)，茎中镉含量；(c)，叶中镉含量；(d)镉转运系；(e)镉在根、茎、叶和籽粒中的分布；数据为平均值±sd(n＝3)，*表示同一品系与ck相比在p<0.05存在显著差异，**表示同一品系与ck相比在p<0.01存在显著差异。

与镉不同，对照条件下，4个品系中，镉低吸收品系d3根和叶中的铅含量均高于其他品系，分别为528.08mg/kg和148.59mg/kg，约为其他三个品系的2倍左右(图5中a,c)。而d1茎中铅含量最高，为20.65mg/kg(图5中b)。这表明甜高粱对镉和铅的吸收机制不同。在t2和t3条件下，与对照相比，各品系在根、茎、叶中的铅含量均显著降低。t2处理后，各品系茎秆铅含量比对照条件下降18.3-68.7％；t3处理后，各品系茎秆铅含量比对照条件下降7-61.2％。需要特别指出的是，尽管对照条件下d1和d3茎和叶中的铅含量高于g1，但t2和t3处理下，3个镉低吸收品系(除了t2处理下d1茎)的茎和叶中铅含量均低于g1(图5中b,c)。说明这些镉低吸收品系在施加钝化剂后，茎和叶铅含量下降多，也适用于铅污染土壤的钝化修复。甜高粱对铅的转运系数远低于镉的转运系数，说明甜高粱对铅的转运能力较低。处理前，d1转运系数最高，也仅为0.1左右(图5中d)。铅在四个品系的组织分布均为根>叶>茎>籽粒(图5中e)。籽粒中的铅含量也比较低，为3.5-6.2mg/kg，低于饲料卫生标准(30mg/kg)，可饲用。

图5为处理前后4个甜高粱品系的铅含量及转运系数；其中，(a)，根中铅含量；(b)，茎中铅含量；(c)，叶中铅含量；(d)铅转运系；(e)铅在根、茎、叶和籽粒中的分布；数据为平均值±sd(n＝3)，*表示同一品系与ck相比在p<0.05存在显著差异，**表示同一品系与ck相比在p<0.01存在显著差异。

结论

施加0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石和1％椰壳生物炭+0.4％石灰石处理后，土壤镉铅有效含量可降低50％以上。基于成本考虑，推荐0.5％椰壳生物炭+0.2％石灰石作为钝化剂。

4个甜高粱品系均表现出较好的重金属耐受性，未处理条件下，低吸收品系的镉含量约是高吸收品系的1/5，铅含量约是高吸收品系的1/2。钝化剂处理后，甜高粱茎中的镉铅含量均有显著降低。这些结果表明这些低吸收品系适宜用于广西阳朔重金属污染区的稳定修复和能源化利用。

甜高粱籽粒中几乎检测不到镉，铅含量也非常低，均低于饲料卫生标准，说明籽粒比较安全，可以作为饲料原料。

所用甜高粱品种均具有较高的生物量和含糖量，是能源化利用的良好材料。

通过使用镉铅低吸收甜高粱品种和施加生物炭钝化剂可有效降低甜高粱镉铅含量，大大降低了甜高粱能源化利用中重金属污染的风险和重金属回收成本，从而实现镉铅污染耕地的安全利用。