一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法
【專利摘要】一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法，其是在非淹水狀況下將相當(dāng)于土壤重量4％的竹炭均勻撒入土壤，然后保持土壤30mm－50mm左右的水層40天左右。本發(fā)明使得土壤的pH值提高，并且降低了土壤中鎘元素的活性，實(shí)現(xiàn)了顯著修復(fù)土壤的作用。
【專利說明】
一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)化和城市化的不斷推進(jìn)，我國的土壤污染問題越來越受到人們的重視。 在眾多的污染物中，重金屬以不被降解、具累積性、在土壤中難以移動(dòng)、危害周期長等顯得 尤為突出。目前，我國鎘、砷、絡(luò)、鉛、萊等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm 2,約占全國總 耕地面積的20%。有研究表明：鎘元素是當(dāng)前我國耕地土壤重金屬污染的最主要元素，污染 發(fā)生概率為25.20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他7種土壤重金屬(As，Zn，Cr，Hg，Cu，Ni，Pb)。自20世紀(jì)初 發(fā)現(xiàn)鎘以來，鎘的產(chǎn)量逐年增加。鎘對土壤的污染主要有氣型和水型兩種。氣型污染主要來 自工業(yè)廢氣。水型污染主要是鉛鋅礦的選礦廢水和有關(guān)工業(yè)（電鍍、堿性電池等)廢水排入 地面水或滲入地下水引起。目前，僅僅被鎘污染的農(nóng)田土壤面積就已超過20萬hm 2,其中用 鎘污染水灌溉的農(nóng)田面積達(dá)330多萬hm2,東北地區(qū)沈陽張士灌區(qū)是污染面積最大、污染最 嚴(yán)重的鎘污染區(qū)，約2500余hm 2，每年生產(chǎn)鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品達(dá)14.6 X 108kg。土壤中鎘的 污染可導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，通過土壤一作物一食物的迀移方式被人類攝取，從而 危害人類健康。
[0003] 目前，對重金屬污染土壤的治理方法主要有:物理工程治理法、生物治理法和化學(xué) 治理法等。物理工程治理法包括客土法、換土法、翻土法等，治理費(fèi)用高，實(shí)施復(fù)雜，僅適用 于小面積、重污染的地方。生物治理法是指利用生物的某些習(xí)性來適應(yīng)、抑制和改良重金屬 污染，雖然費(fèi)用低，實(shí)施方便，但效率不高，并且常具有專一性。化學(xué)治理法是利用化學(xué)物質(zhì) 來降低土壤中重金屬的迀移性和生物可利用率，從而達(dá)到污染土壤的治理和修復(fù)?；瘜W(xué)治 理法包括淋洗法、施用改良劑法等。化學(xué)淋洗法雖然有成本低、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)導(dǎo)致 土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤養(yǎng)分流失及地下水污染。施用土壤改良劑法是指通過添加某些改良劑 進(jìn)行離子交換、吸附、沉淀等鈍化作用，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低土壤中的移 動(dòng)性及生物有效性，從而降低重金屬污染物對環(huán)境土壤的毒性，達(dá)到修復(fù)治理污染土壤的 目的。
[0004] 生物炭是近期研究較多的一種改良劑，它是一種黑炭，是植物生物質(zhì)在完全或部 分缺氧情況下，經(jīng)高溫慢熱解(通常<700°C)產(chǎn)生的一類難溶的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富 含碳素的固態(tài)物質(zhì)。生物炭的組成元素主要為碳、氫、氧等，并以高度富含碳(一般可達(dá)60% 以上)為主要標(biāo)志。隨著熱解溫度的升高，生物炭的堿含量和pH值均增加，生物炭表面含氧 官能團(tuán)的數(shù)目下降，芳香化程度升高，微孔所占比例逐漸增大，比表面積也不斷增大。生物 炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，比表面積巨大，表面帶有大量負(fù)電荷和較高的電荷密度，并且富含 一系列含氧、含氮、含硫官能團(tuán)，具有較高的陽離子交換量(CEC)。生物炭的芳香化結(jié)構(gòu)使其 具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，降解速度慢，半衰期長，是重要的碳儲(chǔ)存庫。是由經(jīng)熱 解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的難熔性固態(tài)物質(zhì)，具有高度熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的吸附特性。 常見的生物炭包括木炭、小麥稻草等秸桿炭、竹炭、稻殼炭等。生物炭能夠提高土壤有機(jī)碳 含量，改善土壤保水、保肥性能，減少養(yǎng)分損失，有益于土壤微生物棲息和活動(dòng)。侯艷偉等研 究了生物炭施用對污染紅壤中重金屬化學(xué)形態(tài)的影響，結(jié)果表明生物炭施用后提高了土壤 PH值和有機(jī)質(zhì)含量，施用雞糞生物炭和木肩生物炭后改變了土壤中重金屬Cu、Zn、Cd、Pl^94 種化學(xué)提取形態(tài)所占的比例。Uchimiya等發(fā)現(xiàn)采用生物質(zhì)炭作為土壤鈍化劑可以加強(qiáng)Cd 2' Cu2+、Ni2+在土壤中的固定。Gui等在田間實(shí)驗(yàn)中研究了生物炭對鎘污染水稻田的影響，表明 生物炭對修復(fù)鎘污染有很大的作用，可使用DTPA提取土壤中的鎘最高降低50%，使稻米中 的鎘降低60 %。
[0005] -般認(rèn)為淹水條件能夠調(diào)節(jié)土壤環(huán)境的氧化還原電位(Eh)，淹水后土壤處于還原 狀態(tài)，土壤中的SO 42I皮還原成S2' S2-與Cd2+生成CdS沉淀，降低了鎘的有效性。甲卡拉鐵等人 采用淹水培養(yǎng)方式，經(jīng)過60天的淹水試驗(yàn)表明，土壤淹水初期pH顯著上升，隨后逐漸回落， 并趨向中性。土壤有效鎘的變化趨勢則與pH變化趨勢相反，兩者間存在顯著的線性負(fù)相關(guān)。 另一個(gè)試驗(yàn)，胡坤等采用盆栽試驗(yàn)在3種水分管理方式(曬田、濕潤灌溉和淹水處理)下種植 水稻，研究表明曬田水稻產(chǎn)量最高，其次為淹水，最低為濕潤灌溉。淹水處理比濕潤灌溉顯 著降低了水稻籽粒中的鎘含量，并且還明顯抑制了鎘從秸桿向籽粒的轉(zhuǎn)移，相反，濕潤灌溉 處理促進(jìn)了鎘從秸桿向籽粒的轉(zhuǎn)移。
[0006] 雖然生物炭在農(nóng)業(yè)應(yīng)用、土壤修復(fù)和環(huán)境保護(hù)上的研究頗多，但將生物炭應(yīng)用在 淹水條件下的試驗(yàn)鮮有報(bào)道，本研究將兩者結(jié)合起來，以期為修復(fù)污染土壤提供科學(xué)依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種利用改良劑和淹水 共同作用降低土壤鎘活性的方法，以明顯降低土壤鎘活性。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種利用改良劑和淹水共同 作用降低土壤鎘活性的方法，其是在非淹水狀況下將相當(dāng)于土壤重量4%的竹炭(粉碎后過 80目篩)均勻撒入土壤并耙勻，然后保持土壤上有30-50mm的水層。
[0009] 所述的竹炭是一種由毛竹燒制而成的生物炭，其比表面積為478.887m2/g，孔隙度 為0 · 200cm3/g，孔徑為1 · 922nm，pH值為9 · 92，全鎘含量為0 · 08mg/kg，它在本發(fā)明中的主要 功能是提高土壤PH值，降低土壤中鎘的有效性。
[0010] 所述水，即自來水。它在本發(fā)明中的主要功能是在較長的時(shí)間內(nèi)盡可能地保持土 壤呈厭氧狀態(tài)，改變土壤的Eh值，鞏固和增強(qiáng)鈍化土壤重金屬的效果。
[0011]為驗(yàn)證本發(fā)明的可行性，在湖南省株洲市馬家河鎮(zhèn)新馬村試驗(yàn)示范基地稻田采集 0-20cm的耕作層土壤，通過室內(nèi)培養(yǎng)40d。研究結(jié)果表明：土壤在添加竹炭和淹水的共同作 用下，顯著降低了土壤可交換態(tài)鎘比例，并增加了碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī) 質(zhì)及硫化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘比例，從而顯著降低了土壤中鎘的活性。
【附圖說明】
[0012] 圖1為各處理各時(shí)期土壤鎘形態(tài)含量百分比。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 2014年4一6月間，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)樓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，完整 技術(shù)方案如下：
[0014] A、供試土壤：在湖南株洲市馬家河鎮(zhèn)新馬村試驗(yàn)示范基地稻田（N27° 504.3〃， El 13° 02' 8.4〃）采集0-20cm的耕作層土壤，其全鎘含量為9.89mg/kg，是單一鎘污染土壤。 [0015] B、供試生物炭：竹炭，其比表面積為478.887m2/g，孔隙度為0.200cm3/g，孔徑為 1 · 922nm，pH 值為 9 · 92，全鎘含量為 0 · 08mg/kg 〇
[0016] C、試驗(yàn)設(shè)計(jì):本試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法，設(shè)置2個(gè)處理，分別為未添加改良劑的 污染土壤對照(CK)，及生物炭添加量為4% (占供試土壤質(zhì)量百分比）的污染土壤(BC);每個(gè) 處理設(shè)置3次重復(fù)。每個(gè)重復(fù)分別稱取200g土壤樣品（過20目篩）準(zhǔn)確移至500mL培養(yǎng)器皿 中，加自來水，調(diào)節(jié)至土壤上水層3 - 5cm左右，在室內(nèi)溫度為25±2°C下培養(yǎng)40d。分別在0， 5，10，20，40d取適量土樣測定土壤pH值和鎘各形態(tài)含量變化。
[0017] D、分析測試:在0,5，10,20,40(1取的土壤樣品采集后，經(jīng)自然風(fēng)干，磨碎后分別過 20目篩（用于分析土壤鎘形態(tài)和pH值)和100目篩（用于分析土壤全鎘含量），混勻，按編號(hào)裝 入密封袋內(nèi)保存?zhèn)溆谩Ｍ寥乐亟饘俚娜坑萌f分之一的天平(AUX120,日本島津)稱取土壤 樣品0.5000 ± 0.0002g，用HCl-HNO3-HCKk體系在可調(diào)溫電熱板(ED36，美國Labtech)上進(jìn)行 濕法消解。土壤重金屬形態(tài)分級(jí)采用T eSSier(1979)五步連續(xù)提取法浸提。重金屬濃度均用 ICP-AES測定。土壤pH值采用酸度計(jì)(雷磁pHS-3C，上海精密科學(xué)儀器有限公司）測定，固液 比為1:5。
[0018] 研究結(jié)果表明（見表1-5及圖1)，經(jīng)BC處理（生物炭添加量為4%)后土壤pH值隨著 培養(yǎng)時(shí)間的增加而升高，經(jīng)過40d的培養(yǎng)后，土壤pH值由7.11升高至7.41，升高了0.3個(gè)單 位。土壤可交換態(tài)鎘含量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而降低，經(jīng)過40d的培養(yǎng)后，土壤可交換態(tài)鎘 含量由5.45mg · kg-1降低至2.20mg · kg-S降低了3.25mg · kg-1C3碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵猛氧化物 結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)及硫化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量也分別基本隨著時(shí)間的增加而增加。經(jīng)過 40d的培養(yǎng)后，土壤的鎘活性指數(shù)也有所降低，由1.23降低至0.29，降低了0.94個(gè)單位。CK對 照組的結(jié)果表明，土壤PH值隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而降低，經(jīng)過40d的培養(yǎng)后，土壤pH值由 7.11降低至6.95，降低了0.16個(gè)單位。土壤可交換態(tài)鎘含量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而降低，經(jīng) 過40d的培養(yǎng)后，土壤可交換態(tài)錦含量由5.45mg · kg-1降低至3.44mg · kg-I降低了 2.Olmg · kg+1。碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)及硫化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量 也分別基本隨著時(shí)間的增加而增加。經(jīng)過40d的培養(yǎng)后，土壤的鎘活性指數(shù)也有所降低，由 1.23降低至0.54,降低了0.69個(gè)單位。研究數(shù)據(jù)表明，單獨(dú)的淹水條件能讓土壤的鎘活性降 低，但生物炭和淹水的共同作用下能更明顯地降低土壤鎘活性。由此可見，本發(fā)明是一種經(jīng) 濟(jì)、有效、易操作的土壤修復(fù)技術(shù)，具有良好的推廣應(yīng)用前景，為修復(fù)鎘污染土壤提供有效 的科學(xué)支持和理論依據(jù)。
[0019]表1初始土壤pH值和土壤鎘形態(tài)含量
[0023] 注:表中數(shù)字為3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，鎘活性指數(shù)=可交換態(tài)/(碳酸鹽結(jié)合 態(tài)+鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)+有機(jī)質(zhì)及硫化物結(jié)合態(tài)+殘?jiān)鼞B(tài)）同列不同小寫英文字母表示P〈 〇.〇5(P值屬于差異顯著性統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)概念。P值就是當(dāng)原假設(shè)為真時(shí)所得到的樣本觀 察結(jié)果或更極端結(jié)果出現(xiàn)的概率。如果P值很小，說明這種情況的發(fā)生的概率很小，而如果 出現(xiàn)了，根據(jù)小概率原理，我們就有理由拒絕原假設(shè)，P值越小，我們拒絕原假設(shè)的理由越充 分。總之，P值越小，表明結(jié)果越顯著。但是檢驗(yàn)的結(jié)果究竟是"顯著的"、"中度顯著的"還是 "高度顯著的"需要我們自己根據(jù)P值的大小和實(shí)際問題來解決。）水平上的差異顯著，同下 表。
[0024] 表3培養(yǎng)IOd后土壊DH倌和土壊輻形杰含量
[0026] 表4培養(yǎng)20d后土壤pH值和土壤鎘形態(tài)含量
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法，其特征在于具體步驟為： 在非淹水狀況下將相當(dāng)于土壤重量4%的竹炭均勻撒入土壤并耙勻，然后保持土壤上存在 高度為30mm-50mm的水層40天，即可。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法，其 特征在于，所述竹炭是一種由毛竹燒制而成的生物炭，其比表面積為478.887m 2/g，孔隙度 為0 · 200cm3/g，孔徑為 1 · 922nm，pH 值為 9 · 92，全鎘含量為0 · 08mg/kg。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法，其 特征在于，所述竹炭經(jīng)粉碎后過80目篩。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用改良劑和淹水共同作用降低土壤鎘活性的方法，其 特征在于，所述水是自來水。
【文檔編號(hào)】B09C1/08GK106040740SQ201610686065
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月18日
【發(fā)明人】鐵柏清, 毛懿德, 葉長城, 周細(xì)紅, 廖家偉, 張淼, 陳喆, 魏祥東, 雷鳴
【申請人】湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 鐵柏清