一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法与流程

1.本发明涉及土壤重金属污染治理技术领域，具体涉及一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法。


背景技术：

2.耕地是专门用于生产粮食的土地资源，耕地镉(cd)等重金属污染的防治问题已经引起极大关注。耕地土壤中聚集的cd为水稻等农作物吸收而进入食物链，对人体健康、国家粮食安全等将产生损失或影响。确保粮食安全则必须保证足够的耕地资源数量和耕地土壤的环境质量。修复治理cd等污染耕地，是确保粮食安全的一个重要环节，研制修复耕地cd等污染的实用技术，是土壤环境保护与耕地资源生态管护的一项重要内容。
3.在目前所发现的重度cd污染耕地中，有一些耕地土壤的cd浓度极高、其耕作层土壤cd均量超过10mg/kg，远远超过了国标限定的风险管制值(详见gb15618-2018)，且其耕地土壤cd污染深度(污染土层的累计厚度)也不仅仅局限在20cm以浅、通常污染深度可以达到30cm。对于这类重度cd污染耕地，用单一的深翻耕技术，没有把握将残留在耕层土壤中的超高浓度cd完全清除，若选用单一的植物修复技术，也没有把握将土壤中均量超过10mg/kg的cd浓度降低到安全利用类耕地之要求。这些具体的问题或实际存在的困难，都是对耕地污染防治、特别是对类似重度cd污染耕地修复治理的一大挑战。
4.申请号为201811044471.7的中国专利公开了一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法。该方法将耕地土壤中的重金属镉源源不断的吸收，并转运、富集至草被植物层和吸附垫层，以达到减少耕地土壤中重金属镉的含量，高效修复镉污染耕地土壤的目的，其中重金属活化剂为柠檬酸、乙二胺四乙酸、草酸和表面活性剂中的一种。但是在实际使用的过程中，若酸性重金属活化剂使用过量，则可能造成土壤酸化，形成酸性土壤，严重危害作物的生长发育；若酸性重金属活化剂使用量过少，则可能导致重金属镉去除不彻底。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.提供一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤1、采用重金属活化剂对重度镉污染耕地土壤进行处理；重金属活化剂为草酸；
9.步骤2、向步骤1处理后的耕地土壤加入铁盐，进行翻耕、分垄、平整；
10.步骤3、在步骤2处理后的耕地土壤上插栽柳条。
11.进一步地，步骤2中，铁盐的加入量为草酸质量的十分之一。
12.进一步地，步骤2中，翻耕深度为40—50cm。
13.进一步地，步骤2中，对田块分垄，每垄宽100—200cm、长以田块自然长度为准，四
周留深80cm、宽40cm的排水沟，垄与垄之间留宽30cm、深20cm的浅沟。
14.进一步地，步骤3中，柳条为长15cm、直径1.5cm的苏柳795插条。
15.进一步地，步骤3中，插条间距为50
×
5cm，4棵/平方米，2年后及时清除长大的柳树，并进行第2次柳树插条移栽，直至4年后将柳树清除，耕地复原。
16.本发明的有益效果为：
17.1.本发明针对土壤cd含量大于10mg/kg、污染深度大于30cm的特别严重cd污染耕地，采用深翻耕和植物修复联用的手段，可以彻底解除农田中残留cd，保障所对应的严重镉污染耕地的生态安全利用并生产合格的粮食。
18.2.本发明选用最便宜的草酸作为重金属活化剂，为了避免草酸过量使用造成土壤酸化，加入氯化铁，草酸具有很强的还原性，与氧化剂作用易被氧化成二氧化碳和水，通过翻耕释放二氧化碳。柳树则可以将污染土壤中的重金属富集至柳树器官中，综合达到修复严重镉污染耕地土壤的作用。
附图说明
19.图1为重度cd污染耕地土壤剖面元素含量分布特征示意图；
20.图2为苏柳795生长吸收耕地土壤cd实测效果对比图；
21.图3为联合修复前后重度污染耕地土壤cd实测结果对比图；
22.图4为联合修复前后重度污染耕地土壤ph实测结果对比图。
具体实施方式
23.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
24.实施例1
25.一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，该方法包括以下步骤：
26.步骤1、选准土壤cd大于10mg/kg、污染深度大于30cm的污染耕地，采用重金属活化剂对重度镉污染耕地土壤进行处理；重金属活化剂包括草酸和硫酸铵；草酸和硫酸铵的质量比为5：1。
27.步骤2、向步骤1处理后的耕地土壤加入质量为草酸质量十分之一的铁盐(氯化铁)；进行翻耕，翻耕深度为40—50cm。翻透完毕，对田块分垄，每每垄宽100—200cm、长以田块自然长度为准，四周留深约80cm、宽约40cm的排水沟，垄与垄之间留宽约30cm的浅沟(约20cm深)。对分垄后的田块进行旋耕机碎土，并人工简单抹平。
28.步骤3、开春后提前做好上述田块整治工作，视需要打一次封闭式除草剂(为减少后面的除草工作量打好基础)，待时机成熟(植树节期间的某个下雨日前一天)立即插栽事先备好的苏柳795插条。第二次插栽柳条前，只需要在清除柳树的田块稍作平整、沟渠疏浚和必要的提前除草即可，无需再次深翻耕土壤。
29.具体地说，在之前长大的苏柳795树枝上，提前用园艺工人的专业剪刀制备好足够的柳树插条，长约15cm、直径约1.5cm，尽量挺直且粗细相宜。待植树节期间(最好选择下雨
前一晚)将柳树插条均匀插栽到上述翻整好的耕地中，插柳条时注意孢芽朝上，插条间距为50
×
5cm，4棵/平方米、保证长大后每平方米成活2—3棵。待插条吐绿冒芽后，视土壤湿度及时浇水，30天后视柳条成活情况及时补苗或间苗。待柳树长到30cm高时视需要进行除草、松土，柳树长到50cm时跟进治虫。之后，就可以让柳树自然生长，冬天视情况清理落叶，2年后及时清除长大的柳树，并进行第2次柳树插条移栽。直至4年将柳树清除，耕地复原。或依据需求继续进行植物修复，直到将土壤cd全部清除干净。
30.在本实施例中，通过2次柳树生长吸收(2年/次)，结合上述深翻耕所伴生的稀释效应，4年期的联合修复，将耕地土壤cd浓度从均量14.65mg/kg降低到2.75mg/kg，降幅为81.2％。同时，还使得污染耕地土壤的zn浓度从均量86mg/kg降低到76mg/kg，pb浓度从均量60mg/kg降低到44mg/kg，ph从均值6.12提升到6.77。
31.实施例2
32.在实施例2的步骤中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于，草酸和硫酸铵的质量比为8：1。其余同实施例1所述。
33.在本实施例中，将耕地土壤cd浓度从均量14.65mg/kg降低到2.55mg/kg，降幅为82.6％。同时，还使得污染耕地土壤的zn浓度从均量86mg/kg降低到68mg/kg，pb浓度从均量60mg/kg降低到40mg/kg，ph从均值6.12提升到6.96。
34.实施例3
35.在实施例3的步骤中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例3与实施例1的不同之处在于，草酸和硫酸铵的质量比为10：1。其余同实施例1所述。
36.在本实施例中，将耕地土壤cd浓度从均量14.65mg/kg降低到2.68mg/kg，降幅为81.6％。同时，还使得污染耕地土壤的zn浓度从均量86mg/kg降低到70mg/kg，pb浓度从均量60mg/kg降低到42mg/kg，ph从均值6.12提升到6.88。
37.对比例1
38.在对比例1的步骤中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。对比例1与实施例1的不同之处在于，未加入铁盐。其余同实施例1所述。
39.在本对比例中，将耕地土壤cd浓度从均量14.65mg/kg降低到3.28mg/kg，降幅为77.6％。
40.对比例2
41.在对比例2的步骤中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。对比例2与实施例1的不同之处在于，耕地土壤未经重金属活化剂活化处理，未加入铁盐，仅在翻耕后的土壤上种植柳树。其余同实施例1所述。
42.在本对比例中，将耕地土壤cd浓度从均量14.65mg/kg降低到8.35mg/kg，降幅为43.0％。
43.在本发明实施例中，4年之前(未种植柳树之前)，耕地土壤cd浓度为10.5—18.3mg/kg，4年后(柳树吸收+深翻耕修复后)，同一片耕地土壤cd浓度为0.8—6.7mg/kg，20亩试验地采集土壤样40个、化验分析得到此结果。
44.选择两年为一个周期、苏柳795插条长满2年就移除重新植入新插条的做法，是依
据耕地土壤中cd聚集深度和柳树根系生长速度共同决定的，通过挖掘机一次性深翻耕后、土壤cd富集深度可能延深到50cm左右，而先前的柳树生长观测结果已经证实柳树插条长大后、其2年生长期间树根向下可以伸展到50cm左右。另外，柳树生长吸收土壤cd的饱和试验也证实柳树在cd污染土地中生长2年后其植物器官浓度也趋于饱和，再继续生长柳树中的cd浓度也不再显著增加，这一方面可能与柳树吸收土壤cd趋近饱和有关，另一方面可能与柳树根系深入到50cm以下深度土壤后、此时土壤中已经不再富集cd有关。
45.苏柳795是吸收土壤残留cd效果最好的植物之一，但cd等重金属在柳树中的分布分配是不均衡的。最新调查结果显示，一棵柳树生长2年，正常质量约12kg(全部为干重，余同)，其中树根约1.2kg、树干8.1kg、树枝2kg、树叶0.7kg，树根、树干、树枝、树叶的cd浓度依次为21mg/kg、15mg/kg、26mg/kg、32mg/kg。树皮的cd浓度在所有柳树器官中相对最高、一般在35mg/kg以上，其次为树叶。除树叶外，其余柳树器官(或植物组织)都容易被一次性移除。从长大后的柳树质量差异及其cd浓度综合对比而言，可以确证一棵柳树中吸收土壤cd最多者当属于树干，这个特点对于处置柳树是有益处的。
46.柳树正常生长2年，从一根不足100g(高约15cm)的插条长成一棵重达12kg左右的柳树(高约3.5m)，从树叶、树枝、树干到树根都含有较高浓度的cd。落叶后对地里的柳树进行统一清除，用挖掘机、铁锹、锄头、电锯、镰刀等将柳树连根拔起，分类处置。树根生长是盘根错节的，30cm以上深度的树根通常比较粗，30cm之下的柳树根相对较细，树根最深可长到约50cm深度土壤中，粗的柳树根需要用刀斧等斩断拨出，细一点的树根可以用手拽出来。树干是吸收cd最多的植物器官，可作为木材使用，运到相关场所作为栅栏围墙的基本材料。树根与树枝由当地农户拿回家作为柴火使用，树叶除少量落在地里任其腐烂外，其余大部分通过人工清扫或收集起来、送到垃圾场按照环保要求由专业机构统一处置。
47.表1重度cd污染耕地土壤联合修复4年后最终采样分析结果(mg/kg)
48.[0049][0050]
注：表中toc(总有机碳)含量为％，ph无量纲；zx39、zx40为对照(ck)样数据。
[0051]
表2cd污染耕地联合修复试验区柳树叶采样分析结果(mg/kg)
[0052]
[0053][0054]
注：表中ph无量纲，bcf为柳树叶吸收土壤cd的生物富集系数＝柳树叶的cd含量/土壤cd含量、也为无量纲。
[0055]
表3试验区全株柳树植物样cd等元素含量分布调查结果(mg/kg)
[0056][0057]
注：表中植物样总质量单位是kg；“深根”代表插入土壤30cm一下深度的细根，“浅根”代表插入土壤30cm以上深度的粗根、和树干直接相连；样号“01”代表第一棵全株柳树样、其总质量为15.83kg，样号“02”代表第二棵全株柳树样、其总质量为18.33kg，全为现场称重(鲜重为主)。
[0058]
在长期的耕地cd等污染修复治理实践中，申请人曾借鉴前人的经验、独自研发了多项特殊品种柳树等大生物量植物修复技术，掌握或发现了一些柳树生长能吸收土壤残留cd的特点与规律，发现运用特殊品种柳树生长清除土壤残留cd是有效果的，其最大优势在于特殊品种柳树(如苏柳795等)吸收土壤cd总量很大、植物生长管护成本相对最低。但这类植物修复技术的劣势同样明显，就是柳树生长根系不受控制、吸收土壤cd的有效时机难以
把握，而且柳树长大后因为吸收了一定数量的cd该如何处置也是一个问题。经过综合考虑和对比分析后，认识到将单一的能吸收土壤cd的特殊品种柳树这一植物修复技术用于治理上述重度cd污染耕地应该有一定效果、但短期内不足以解决其全部残留cd的有效清除，将单一的深翻耕方法用于治理类似的重度cd污染耕地也不能完全解决实际问题。但是，若能将特殊品种柳树这一植物修复与深翻耕这两种方法有机结合起来，作为一种联合手段用于清除上述重度cd污染耕地土壤中的高浓度残留重金属，则可能达到预期目的，既充分降低了原先耕层土中聚集的超量cd等重金属，还可能同时提升相关的污染耕地的生态质量。
[0059]
基于上述的认识与经验，申请人于江苏无锡市太湖周边选择了土壤cd浓度大于10mg//kg、表层土壤cd聚集深度为25—35cm的耕地，开展了移栽苏柳795插条(幼苗的一种)+深翻耕的联合修复试验，成功将上述重度cd污染耕地恢复到安全利用水平，实现了将cd超量富集之耕地恢复为可安全利用耕地的突破。本发明方法能够在4年期间将重度cd污染耕地土壤中的残留cd量清除80％以上，将只能流转为非耕地的土地成功保持为可生产粮食的耕地，这在国内重度cd污染耕地或cd严重超量富集耕地的修复治理实践中都是极其少见或罕见的。
[0060]
在本发明技术方案中，选用最便宜的草酸作为重金属活化剂，为了避免草酸过量使用造成土壤酸化，加入氯化铁，草酸具有很强的还原性，与氧化剂作用易被氧化成二氧化碳和水，通过翻耕释放二氧化碳。柳树则可以将污染土壤中的重金属富集至柳树器官中，综合达到修复耕地土壤的作用。
[0061]
于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0062]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采用重金属活化剂对重度镉污染耕地土壤进行重金属活化处理；重金属活化剂为草酸；步骤2、向步骤1处理后的耕地土壤加入适量铁盐，进行深翻耕、分垄、平整；步骤3、在步骤2处理后的耕地土壤中插栽苏柳795插条。2.根据权利要求1所述的联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，其特征在于，步骤2中，铁盐的加入量为草酸质量的十分之一。3.根据权利要求1所述的联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，其特征在于，步骤2中，翻耕深度为40—50cm。4.根据权利要求1所述的联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，其特征在于，步骤2中，对田块分垄，每垄宽100—200cm、长以田块自然长度为准，四周留深80cm、宽40cm的排水沟，垄与垄之间留宽30cm、深20cm的浅沟。5.根据权利要求1所述的联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，其特征在于，步骤3中，柳条为长15cm、直径1.5cm的苏柳795插条。6.根据权利要求5所述的联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，其特征在于，步骤3中，插条间距为50
×
5cm，4棵/平方米，2年后及时清除长大的柳树，并进行第2次柳树插条移栽，直至4年后将柳树清除，耕地复原。

技术总结
本发明公开了一种联合清除污染耕地高浓度残留镉的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、采用重金属活化剂对重度镉污染耕地土壤进行重金属活化处理，促进土壤Cd能更快被植物吸收，重金属活化剂为草酸；步骤2、向步骤1处理后的耕地土壤加入适量铁盐，进行土地深翻耕、分垄、平整；步骤3、在步骤2处理后的耕地土壤中插栽苏柳795插条。本发明针对土壤Cd含量大于10mg/kg、污染深度大于30cm的特别严重Cd污染耕地，采用深翻耕和植物修复等联合手段，可以彻底解除农田中残留Cd，保障所对应的严重镉污染耕地的生态安全利用并生产合格的粮食。染耕地的生态安全利用并生产合格的粮食。染耕地的生态安全利用并生产合格的粮食。


技术研发人员：廖启林 郝社锋 许伟伟 任静华 范健 刘玲 汪媛媛 崔晓丹 李文婷 徐宏婷 李文博
受保护的技术使用者：江苏省地质调查研究院
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6