專(zhuān)利名稱(chēng)：污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤污染防治領(lǐng)域，具體涉及一種污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法。
背景技術(shù)：
污水灌溉在一定程度上可緩解水資源帶來(lái)的壓力和農(nóng)業(yè)用水的緊張局面，但是隨著時(shí)間的推移，污水灌溉同時(shí)也可能帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。污水中雖然含有作物需要的氮、 磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也含有一些有毒有害物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有IX 107hm2的農(nóng)業(yè)土地受到不同程度的污染。這些土壤污染包括重金屬對(duì)土壤的污染、農(nóng)藥對(duì)土壤的污染、酸性沉降物對(duì)土壤的影響等污染類(lèi)型。因?yàn)橹亟饘倬哂形廴疚锏亩嘣?、隱蔽性、一定程度上的長(zhǎng)距離傳輸性和污染后果的嚴(yán)重性，因此土壤污染研究的主要污染物是重金屬。土壤重金屬污染是指由于人類(lèi)活動(dòng)將重金屬加入到土壤中，致使土壤中的重金屬含量過(guò)高，并造成生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象，土壤中的一些重金屬元素在低濃度時(shí)，對(duì)植物而言是必須元素，但有些重金屬元素在過(guò)量時(shí)就會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，如Zn、Cu、Cr、Ni、 Cd、Hg、As、Pb等。在我國(guó)，土壤重金屬污染主要來(lái)自采礦、冶煉、電鍍、化工、電子、制革、染料等工業(yè)生產(chǎn)的三廢以及污灌、農(nóng)藥、化肥的不合理施用等。據(jù)農(nóng)業(yè)部組織的全國(guó)性污灌區(qū)調(diào)查，我國(guó)污灌區(qū)遭受重金屬污染的面積占總污灌面積的64. 8%，其中輕度污染面積占 46. 7%，中度污染面積為9. 7%，重度污染面積為8. 4%，這其中以汞、鎘的污染面積最大。如沈陽(yáng)張士灌區(qū)用污水灌溉20多年后，污染耕地25. OX 103km2，造成了嚴(yán)重的鎘污染，稻田含鎘 5 7mg/kg。二十世紀(jì)八十年代中期對(duì)北京某污灌區(qū)進(jìn)行的抽樣調(diào)查表明，大約60%的土壤和36%的糙米存在污染問(wèn)題。每年因土壤污染而減產(chǎn)糧食1000萬(wàn)t ；另外還有1200萬(wàn)t 糧食中的污染物超標(biāo)，兩者的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200多億元。重金屬是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中一類(lèi)具有潛在危害的化學(xué)污染物。重金屬As，Cd，Hg，Pb 是污水的主要組分之一，它們對(duì)作物、土壤和地下水都有潛在的威脅。污水中的重金屬積累到一定程度就會(huì)對(duì)土壤一植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，不僅導(dǎo)致土壤退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低， 而且通過(guò)徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，惡化水文環(huán)境，并可能通過(guò)直接接觸、食物鏈等途徑危及人類(lèi)的生命和健康。例如1955年日本富山縣發(fā)生的“鎘米”事件，原因是農(nóng)民長(zhǎng)期使用神通川上游鉛鋅冶煉廠(chǎng)的含鎘廢水灌溉農(nóng)田，導(dǎo)致土壤和稻米中的鎘含量增加。 當(dāng)人們長(zhǎng)期食用這種稻米，使得鎘在人體內(nèi)蓄積，從而引起全身性神經(jīng)痛、關(guān)節(jié)痛、骨折，以致死亡。重金屬在土壤中積累到一定限度就會(huì)對(duì)土壤一植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，并可能通過(guò)接觸食物鏈直接或間接地對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。由于土壤中的重金屬不能被微生物分解，且可為生物富集，土壤一旦被重金屬污染，其自然凈化過(guò)程和人工治理都是非常困難的，對(duì)人類(lèi)有較大的潛在危害。因此，研究污水灌溉帶來(lái)的重金屬污染問(wèn)題，特別是重金屬污染物對(duì)土壤一作物系統(tǒng)的影響顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的不斷探索，污染土壤的修復(fù)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，如物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等。這些修復(fù)手段對(duì)污染土壤的治理具有非常重要的實(shí)踐意義，但其各自又有一定的局限，例如耗資大，治理過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致次生污染，引起土壤基本理化性質(zhì)和相關(guān)生態(tài)過(guò)程的改變，處理效率低等。相比較而言，植物修復(fù)由于能夠克服這些缺點(diǎn)，尤其是能夠廣泛利用綠色植物的新陳代謝活動(dòng)來(lái)固定、降解、提取和揮發(fā)污染環(huán)境中的污染物質(zhì)，就像一座“綠色清潔工廠(chǎng)”一樣將污染物質(zhì)加工成可直接去除的物質(zhì)形態(tài)，或轉(zhuǎn)化為毒性小甚至無(wú)毒的物質(zhì)。超富集植物早在一個(gè)世紀(jì)以前就被人們所發(fā)現(xiàn)，但利用植物修復(fù)污染土壤則是近三十年的工作。1976年Jaffre在“Science”上發(fā)表的文章“Sebertia acuminate: hyper accumul ator of nickel from New Caledonia，，中，首先弓I 用“超富集植物 (hyper-accumulator) ”這一術(shù)語(yǔ)。隨后，Brooks提出了超富集植物的概念。Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金屬污染的思想。目前，圍繞超富集植物積累重金屬機(jī)理、性能改進(jìn)及應(yīng)用技術(shù)等方面，在世界范圍內(nèi)展開(kāi)了研究，也取得了一定進(jìn)展，工程性的試驗(yàn)研究以及實(shí)地應(yīng)用效果顯示了植物修復(fù)技術(shù)商業(yè)化的巨大前景。盡管超富集植物在修復(fù)土壤重金屬污染方面表現(xiàn)出很高的潛力，利用植物提取修復(fù)技術(shù)具有廉價(jià)、高效、土壤免受擾動(dòng)的特點(diǎn)，且具有生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，超富集植物由于自身一些固有特性給植物修復(fù)工程帶來(lái)了很大的限制。 第一，大部分超富集植物植株矮小，生物量低，生長(zhǎng)緩慢，因而修復(fù)效率受到很大影響，且不易機(jī)械化作業(yè)；第二，超富集植物多為野生植物，對(duì)生物氣候條件的要求也比較嚴(yán)格，區(qū)域性分布較強(qiáng)，嚴(yán)格的適應(yīng)性使成功引種受到嚴(yán)重限制；第三，超富集植物專(zhuān)一性強(qiáng)，一種植物往往只作用于一種或兩種特定的重金屬元素，對(duì)土壤中其他含量較高的重金屬則表現(xiàn)出中毒癥狀，從而限制了在重金屬?gòu)?fù)合污染土壤治理方面的應(yīng)用；最后，超富集植物提取的重金屬通過(guò)果實(shí)、葉、根等器官腐爛、凋謝或機(jī)械折斷等途徑使重金屬重返土壤，間接降低了修復(fù)效率。因此，尋找與開(kāi)發(fā)大生物量、富集重金屬能力強(qiáng)的修復(fù)植物是植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)走向工程應(yīng)用的首要任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，該方法適用于小麥-玉米輪作的污水灌溉區(qū)域，可大大減少土壤重金屬積累所造成的污染，進(jìn)而延長(zhǎng)耕地的使用壽命。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
利用綠色植物的新陳代謝活動(dòng)來(lái)固定、降解、提取和揮發(fā)土壤中的污染物質(zhì)，從而對(duì)污染土壤進(jìn)行徹底的治理。以使污染土壤與水體可持續(xù)利用以及使污染環(huán)境得到修復(fù)或改
口 O(1)經(jīng)過(guò)多年種植輪回實(shí)驗(yàn)證明，適用于土壤重金屬污染生態(tài)修復(fù)的大生物量非超富集植物品種有糧食作物中的小麥、玉米等；油料作物中的油菜、蓖麻、芥菜型油菜；蔬菜、雜草和樹(shù)木一類(lèi)的作物有小白菜、龍葵、垂枝榕、菩提樹(shù)、鳳凰木等；經(jīng)濟(jì)作物中的煙草、 劍麻等；及花卉中的鳳仙、金盞菊、美人蕉等。(2)大生物量非超富集農(nóng)作物小麥、玉米的污水灌溉
對(duì)于污水灌溉而言，制定合理的灌溉制度不僅可以滿(mǎn)足作物的需水要求，還可以利用土壤微生物和農(nóng)作物的凈化能力對(duì)污水進(jìn)行處理，從而改善水體環(huán)境。選用合適的灌溉期， 既充分利用污水，解決農(nóng)業(yè)用水不足，又可以最大限度地避免污水帶來(lái)的負(fù)面影響。根據(jù)污水灌溉實(shí)驗(yàn)，污水灌溉的優(yōu)先順序應(yīng)當(dāng)為播前灌、拔節(jié)期、抽雄/抽穗期、 成熟期，氣溫低時(shí)優(yōu)于氣溫高時(shí)。

各時(shí)期以污水灌溉的灌水定額按下式I計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，在待治理污水灌溉區(qū)域按生長(zhǎng)季節(jié)進(jìn)行玉米-小麥輪作，其特征在于，至少分別在玉米和小麥的播種前及以下生育期內(nèi)以污水進(jìn)行灌溉，灌水定額按下式I計(jì)算r*式I中—灌水定額，m3/667 m2 ； IT 一計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度，m，根據(jù)播前灌水要求確定田間持水率，％ ；藥一灌溉前I 土層內(nèi)土壤平均含水率，％ ； 7—土壤平均干容重， t/m3 —水的容重，t/m3 ；①播前灌水玉米計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度好取0. 5 0. 6m, 土壤雙深度內(nèi)田間持水率20. 8 30. 5%，灌溉前Jf深度土層內(nèi)的平均含水率線(xiàn)和土壤平均干容重F以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；小麥計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度Ji取0. 6 0. 7m, 土壤I深度內(nèi)田間持水率20. 8 30. 5%，灌溉前jy深度土層內(nèi)的平均含水率壞和土壤平均干容重F以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；②拔節(jié)期灌水玉米計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度取0. 5 0. 6m, ΛΓ深度內(nèi)田間持水率27. 8 33. 5%，灌溉前I深度土層內(nèi)的平均含水率藥和土壤平均干容重7以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；一次或分兩次完成灌溉；小麥計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度雙取0. 7 0. 8m, ￡Γ深度內(nèi)田間持水率20. 5% 21. 8%，灌溉前I深度土層內(nèi)的平均含水率壞和土壤平均干容重Γ以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；一次或分兩次完成灌溉；③玉米抽雄/小麥抽穗期灌水玉米計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度ΛΤ取0. 5 0. 6m, 土壤ΛΓ深度內(nèi)田間持水率27. 8% 33. 5%，灌溉前好深度土層內(nèi)的平均含水率線(xiàn)和土壤平均干容重7以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；一次或分兩次完成灌溉；小麥計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度IT取0. 7 0. 8m, 土壤tf深度內(nèi)田間持水率18. 5% 21. 8%，灌溉前好深度土層內(nèi)的平均含水率壞和土壤平均干容重F以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；一次或分兩次完成灌溉；在小麥進(jìn)入灌漿期和玉米進(jìn)入籽粒成熟期以后，停止以污水進(jìn)行灌溉； 上述灌溉污水符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB5084-2005中的規(guī)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，其特征在于，所述曰 按田間持水率的90%計(jì)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，其特征在于，當(dāng)平均氣溫在0 10°C時(shí)，各時(shí)期的灌水定額分別為氣溫在11 35°C的1. 58倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，其特征在于，所述小麥為鄭麥004、豫硬1號(hào)、豫麥70 - 36中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，其特征在于，所述玉米為浚單22、鄭單9 5 8中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態(tài)修復(fù)方法，其特征在于，小麥進(jìn)入灌漿期及玉米進(jìn)入籽粒成熟期以后，用清水灌溉，計(jì)劃濕潤(rùn)層深度均為 30 40cm，計(jì)劃濕潤(rùn)層深度內(nèi)田間持水率20. 8% 30. 5%，計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的平均含水率和土壤平均干容重:T以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土壤重金屬污染的生態(tài)修復(fù)方法。在待治理污水灌溉區(qū)域按生長(zhǎng)季節(jié)進(jìn)行玉米-小麥輪作，分別在玉米和小麥的播種前或/和其苗期以一定的灌水定額污水進(jìn)行灌溉，并在作物的生長(zhǎng)后期，停止以污水進(jìn)行灌溉。本發(fā)明具有積極有益的效果適用于小麥-玉米輪作的污水灌溉區(qū)域，可減少土壤重金屬積累所造成的污染，延長(zhǎng)耕地的使用壽命；在合理調(diào)控的基礎(chǔ)上，可提高土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收，并降低肥料的投入成本；所選大生物量非超富集農(nóng)作物品種，在保證農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)安全的情況下，利用其生物產(chǎn)量大的優(yōu)勢(shì)，可最大限度的吸收利用、富集、降解轉(zhuǎn)化土壤中重金屬等污染成分；減少地下水污染，改善土壤生態(tài)環(huán)境，并為糧食生產(chǎn)安全提供了技術(shù)保障。
文檔編號(hào)A01G1/00GK102349403SQ20111020866
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者周振民, 李軍 申請(qǐng)人:華北水利水電學(xué)院