本发明提供一种重金属污染农田土壤的生态水利修复系统及方法。本发明生态水利修复方法分种植间歇期土壤重金属洗脱净化和种植期土壤残留重金属水肥联合阻控两个部分。在水稻种植间歇期，顺次采取重金属污染土壤环保淋洗、田间退水强排和退水生态净化的循环处理，逐步将稻田土壤中的超标重金属转移入水体并予以处理，清洁稻田。在水稻种植期，对稻田土壤淋洗后的残留重金属进行田间水肥联合管理，阻控重金属进入稻米。水稻种植间歇期和种植期的系列土壤重金属治理措施的实施，确保了重金属污染稻田土壤的标本兼治和水稻的安全种植。
1.一种重金属污染农田土壤的生态水利修复系统，其特征在于：包括强化排水管或排水带(2)、沉淀池(5)、生态沟渠(6)、生态净化塘(11)，强化排水管或排水带(2)铺设在稻田(1)土壤中，强化排水管或排水带(2)与沉淀池(5)连通，沉淀池(5)与生态沟渠(6)和生态净化塘(11)通过管道依次连通，生态沟渠(6)和生态净化塘(11)的边坡种植有重金属超累积植物(7)，生态沟渠(6)底部填充夯实的黏土层(10)，黏土层(10)上面覆盖防渗膜(9)，防渗膜(9)上面填充重金属吸附性能优异的重金属吸附基质(8)，生态净化塘(11)出水经水泵(13)和循环管路(4)输送至稻田(1)，环保淋洗剂投放器(15-1)通过环保淋洗剂计量器(13-2)和环保淋洗剂投放阀门(14-2)接入循环管路(4)，化肥投放器(15-2)通过化肥计量器(13-3)和化肥投放阀门(14-3)接入循环管路(4)。
2.如权利要求1所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复系统，其特征在于：所述重金属超累积植物(7)为苎麻、蒌蒿、蜈蚣草中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复系统，其特征在于：所述重金属吸附基质(8)为硅藻土。
4.如权利要求1所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复系统，其特征在于：循环管路(4)上设有进水流量计(13-1)和进水阀门(14-1)。
5.一种重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，其特征在于应用权利要求1-4中任一所述生态水利修复系统进行水利修复，所述方法包括如下步骤：步骤一、种植间歇期稻田土壤重金属环保淋洗：在水稻种植间歇期，向田间施用重金属环保淋洗剂，通过翻耕方式将重金属环保淋洗剂与稻田耕层土壤混合均匀，借助翻耕过程中的扰动将稻田土壤中生物有效态重金属淋洗溶出，转移入水体；
步骤二、稻田土壤淋洗后重金属的田间退水强排：稻田土壤重金属经淋洗进入水体后，采用铺设在田间的强化排水管或排水带(2)强化田间退水排放，将从土壤淋洗出的重金属最大限度排出稻田系统，本质性降低稻田土壤重金属含量；
步骤三、田间退水排出的重金属生态渠塘净化：田间强排的退水通过强化排水管或排水带(2)进入沉淀池(5)，经沉淀降低退水土壤颗粒含量后，依次进入生态沟渠(6)和生态净化塘(11)组成的生态渠塘，利用生态沟渠(6)的重金属吸附基质(8)进行基质吸附、利用生态渠塘边坡上重金属超累积植物(7)进行植物吸收、利用重金属超累积植物(7)根系周围的微生物进行微生物同化，拦截和去除重金属，净化退水水质；
步骤四、稻田土壤淋洗后残留重金属的种植期水肥联合阻控：在种植期，采用田间水分和肥料联合阻控的方法，限制土壤重金属经水稻根系转运至稻米，确保稻米生产安全。
6.如权利要求5所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，其特征在于步骤一中向田间施用重金属环保淋洗剂具体步骤为：
在水稻(3)种植间歇期，利用循环管路(4)、环保淋洗剂投加器(15-1)、环保淋洗剂计量器(13-2)和环保淋洗剂投放阀门(14-2)，采取灌水投加的方式施用筛选出的环境友好型淋洗剂，淋洗过程中，田间淹水时间10-30天，淹水深度0-5cm，环保淋洗剂投加后，每隔5天检测一次田间水体重金属含量，相邻两次重金属浓度差小于5％时，单次淋洗过程结束。
7.如权利要求5所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，其特征在于步骤四具体为：
在水稻种植期，利用水泵(13)、循环管路(4)，设定田间水分条件，控制田间土壤持水量40％-60％，淹水深度0-5cm，阻止残留重金属向生物有效态重金属转化，同时，通过与进水混合的方式，借助化肥投加器(15-2)、化肥计量器(13-3)和化肥投放阀门(14-3)，施用的化肥为钙镁磷肥或稀土肥，利用根系或其它植物组织的竞争吸收作用，阻控重金属进入稻米，化肥与水的质量比为1～3:100。
8.如权利要求5所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，其特征在于：定期对生态沟渠(6)和生态净化塘(11)的地上植物组织进行收割，收割后的植物组织通过焚烧和安全填埋进行重金属的无害化处理。
9.如权利要求5所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，其特征在于：在水稻种植间歇期，生态净化塘(11)出水用作淋洗用水，进行重金属环保淋洗、退水强排和退水生态净化循环；在水稻种植期，生态净化塘(11)出水经处理达到《农田灌溉水质标准》GB5084-2005后，用于水稻生长期的灌溉和田间水肥联合阻控水稻(3)吸收稻田(1)土壤淋洗后的残留重金属。
10.如权利要求5所述的重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，其特征在于：生态沟渠(6)和生态净化塘(11)的水力停留时间为3-7天。
一种重金属污染农田土壤的生态水利修复系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及耕地资源保护与污染土壤治理领域，具体是一种重金属污染农田土壤的生态水利修复系统及方法。
背景技术
[0002] 国土资源部最新统计数据表明，全国18.26亿亩耕地面积有12％以上受到镉、铅、砷、汞等重金属污染，稻田重金属污染及其引发的稻米重金属超标问题尤为严重。2013年发生的湖南省镉大米事件更是震惊国内外，除湖南以外，我国南方广东、广西、福建、浙江等地均存在大米镉超标现象，超标率约在5％～15％。长期食用重金属超标的粮食，会严重伤害人体肝、肾和神经系统，威胁人民群众生命健康安全。我国60％的人口以稻米为主食，稻田重金属污染降低了土壤质量，破坏了我国珍贵的土地资源，极大削弱了稻米稳产增产的基础，积极开展重金属污染稻田的修复治理是合理利用土地资源、解决稻米重金属污染、保障我国基本口粮安全的根本出路。
[0003] 目前国内外已有的重金属污染土壤修复治理措施包括工程措施、土壤改良和淋洗、农业措施及植物修复等。工程措施包括翻耕、客土与换土，工程量较大，还需耗费大量清洁土壤，适宜用于场地修复，但难以应付大面积污染稻田的区域治理。土壤改良措施依靠改良剂稳定重金属，无法降低土壤中重金属含量和解除重金属污染风险，且存在改良剂对土壤造成二次污染和破坏土壤自身生态平衡的问题。土壤化学淋洗技术适用于污染场地修复，实施周期短、效率较高、清理重金属较为彻底，但其采用化学药剂易造成土壤二次污染，亟需寻找环境友好型农田土壤淋洗剂。农业措施通过施肥和田间水分调控抑制作物吸收重金属，无法消减土壤中重金属含量，调控精细化要求高，重金属污染风险难解除。植物修复费用低廉、不破坏场地结构，但周期较长，见效慢，一方面造成稻田长期无法种植，影响稻米生产；且植物吸收富集重金属后的再处理也是难题，因此国内还没有大面积植物修复重金属污染稻田土壤的案例。
[0004] 综上，现有治理技术局限于将重金属在污染土壤介质中进行原位或异位处理，成本较高，且对正常农作产生一定干扰，难以大面积推广应用。与此同时，水体重金属的污染治理相对容易且不影响水稻种植，如何利用农田水利和生态修复原理，在不影响水稻正常耕作的条件下化土壤重金属治理为水体重金属治理，提出一套重金属污染稻田的生态水利修复技术，将是破解重金属污染稻田土壤治理修复难题的理想解决方案，具有极大的经济效益和应用前景。
发明内容
[0005] 本发明提供一种重金属污染农田土壤的生态水利修复系统及方法，可以降低处理难度，提高处理效率，实现重金属污染土壤的标本兼治，在清洁土壤的同时实现不干扰正常耕作的情况下的农作物安全种植，破解我国稻田土壤重金属污染修复困境，保障稻米安全生产。
[0006] 本发明通过如下技术方案实现：
[0007] 一种重金属污染农田土壤的生态水利修复系统，包括强化排水管或排水带、沉淀池、生态沟渠、生态净化塘，强化排水管或排水带铺设在稻田土壤中，强化排水管或排水带与沉淀池连通，沉淀池与生态沟渠和生态净化塘通过管道依次连通，生态沟渠和生态净化塘的边坡种植有重金属超累积植物，生态沟渠底部填充夯实的黏土层，黏土层上面覆盖防渗膜，防渗膜上面填充重金属吸附性能优异的重金属吸附基质，生态净化塘出水经水泵和循环管路输送至稻田，环保淋洗剂投放器通过环保淋洗剂计量器和环保淋洗剂投放阀门接入循环管路，化肥投放器通过化肥计量器和化肥投放阀门接入循环管路。
[0008] 进一步的，所述重金属超累积植物为苎麻、蒌蒿、蜈蚣草中的一种或几种。
[0009] 进一步的，所述重金属吸附基质为硅藻土。
[0010] 进一步的，循环管路上设有进水流量计和进水阀门。
[0011] 一种重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，应用上述生态水利修复系统进行水利修复，所述方法包括如下步骤：
[0012] 步骤一、种植间歇期稻田土壤重金属环保淋洗：在水稻种植间歇期，向田间施用重金属环保淋洗剂，通过翻耕方式将重金属环保淋洗剂与稻田耕层土壤混合均匀，借助翻耕过程中的扰动将稻田土壤中生物有效态重金属淋洗溶出，转移入水体；
[0013] 步骤二、稻田土壤淋洗后重金属的田间退水强排：稻田土壤重金属经淋洗进入水体后，采用铺设在田间的强化排水管或排水带强化田间退水排放，将从土壤淋洗出的重金属最大限度排出稻田系统，本质性降低稻田土壤重金属含量；
[0014] 步骤三、田间退水排出的重金属生态渠塘净化：田间强排的退水通过强化排水管或排水带进入沉淀池，经沉淀降低退水土壤颗粒含量后，依次进入生态沟渠和生态净化塘组成的生态渠塘，利用生态沟渠的重金属吸附基质进行基质吸附、利用生态渠塘边坡上重金属超累积植物进行植物吸收、利用重金属超累积植物根系周围的微生物进行微生物同化，拦截和去除重金属，净化退水水质；
[0015] 步骤四、稻田土壤淋洗后残留重金属的种植期水肥联合阻控：在种植期，采用田间水分和肥料联合阻控的方法，限制土壤重金属经水稻根系转运至稻米，确保稻米生产安全。
[0016] 进一步的，步骤一中向田间施用重金属环保淋洗剂具体步骤为：
[0017] 在水稻种植间歇期，利用循环管路、环保淋洗剂投加器、环保淋洗剂计量器和环保淋洗剂投放阀门，采取灌水投加的方式施用筛选出的环境友好型淋洗剂，淋洗过程中，田间淹水时间10-30天，淹水深度0-5cm，环保淋洗剂投加后，每隔5天检测一次田间水体重金属含量，相邻两次重金属浓度差小于5％时，单次淋洗过程结束。
[0018] 进一步的，步骤四具体为：在水稻种植期，利用水泵、循环管路，设定田间水分条件，控制田间土壤持水量40％-60％，淹水深度0-5cm，阻止残留重金属向生物有效态重金属转化，同时，通过与进水混合的方式，借助化肥投加器、化肥计量器和化肥投放阀门，施用的化肥为钙镁磷肥、稀土肥中的一种或混合，利用根系或其它植物组织的竞争吸收作用，阻控重金属进入稻米，化肥与水的质量比为1～3:100。
[0019] 进一步的，生态沟渠和生态净化塘地上植物组织定期对进行收割，收割后的植物组织通过焚烧和安全填埋进行重金属的无害化处理。
[0020] 进一步的，在水稻种植间歇期，生态净化塘出水用作淋洗用水，进行重金属环保淋洗、退水强排和退水生态净化循环；在水稻种植期，生态净化塘出水经处理达到《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)后，用于水稻生长期的灌溉和田间水肥联合阻控水稻吸收稻田土壤淋洗后的残留重金属。
[0021] 进一步的，生态沟渠和生态净化塘的水力停留时间为3-7天。
[0022] 由于采用了上述方案，本发明具有如下有益效果：
[0023] (1)利用农田水利的方式把污染稻田土壤中重金属逐步洗脱和退水排出，将土壤中重金属转入水体进行处理，突破了传统重金属污染土壤的原位/异位修复思路，降低了处理难度，提高了处理效率。
[0024] (2)通过将污染稻田土壤生物有效态重金属洗脱、后续生态净化，以及稻田土壤淋洗后残留重金属的水肥联合阻控，实现重金属污染土壤的标本兼治。破解了国内重金属污染土壤修复的困境。
[0025] (3)集成农田水利设施、生态修复技术和农业措施，形成一种重金属污染农田的生态水利修复技术。在常规农作过程中，通过作物生长间歇期污染土壤中有效态重金属逐步洗脱转移、以及作物生长期残留态重金属阻控，既清洁了土壤，还实现了不干扰正常耕作的情况下的农作物安全种植，适宜大面积重金属污染稻田的综合治理，具备极高推广应用前景。
[0026] (4)农田水利系统与生态净化渠塘等，不仅用于重金属污染稻田生态水利修复，还能在修复结束后用于稻田正常耕作过程中的田间水肥管理。生态水利修复基础设施重复利用率高。
附图说明
[0027] 图1是本发明重金属污染农田土壤的生态水利修复系统的结构示意图；
[0028] 图2是本发明重金属污染农田土壤的生态水利修复方法的流程示意图。
[0029] 图中：1—稻田，2—强化排水管或排水带，3—水稻，4—循环管路，5—沉淀池，6—生态沟渠，7—重金属超累积植物，8—重金属吸附基质，9—防渗膜，10—黏土层，11—生态净化塘，12—格栅，13—水泵，13-1—进水流量计，13-2—环保淋洗剂计量器，13-3—化肥计量器，14-1—进水阀门，14-2—环保淋洗剂投放阀门，14-3—化肥投放阀门，15-1—环保淋洗剂投放器，15-2—化肥投放器。
具体实施方式
[0030] 下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0031] 图1所示为本发明重金属污染农田土壤的生态水利修复系统的结构示意图，所述系统包括设置在稻田1土壤中的强化排水管或排水带2、沉淀池5、生态沟渠6、生态净化塘11，强化排水管或排水带2与沉淀池5连通，沉淀池5与生态沟渠6和生态净化塘11通过管道依次连通，生态沟渠6和生态净化塘11的边坡种植重金属超累积植物7，如苎麻、蒌蒿、蜈蚣草等，利用植物根、茎、叶等组织的吸收、富集和提取，将生态沟渠6和生态净化塘11水体中的重金属转移进入植物组织。
[0032] 生态沟渠6底部填充30cm夯实的黏土层10，黏土层10上面覆盖防渗膜9，防渗膜9上面填充重金属吸附性能优异的重金属吸附基质8，如硅藻土等，以吸附滞留生态沟渠6中田间退水中的重金属。
[0033] 生态净化塘11出水经水泵13和循环管路4输送至稻田1，为保护水泵13，在其取水口附近设置格栅12，以拦截枯死的水生植物及杂物。
[0034] 循环管路4上设有进水流量计13-1和进水阀门14-1，环保淋洗剂投放器15-1通过环保淋洗剂计量器13-2和环保淋洗剂投放阀门14-2接入循环管路4，化肥投放器15-2通过化肥计量器13-3和化肥投放阀门14-3接入循环管路4。
[0035] 所述系统的工作原理为：在水稻3种植间歇期，利用循环管路4、环保淋洗剂投加器15-1、环保淋洗剂计量器13-2和环保淋洗剂投放阀门14-2，采取灌水投加的方式施用筛选出的环境友好型淋洗剂，淋洗过程中，田间淹水时间10-30天，淹水深度0-5cm。环保淋洗剂投加后，每隔5天检测一次田间水体重金属含量，相邻两次重金属浓度差小于5％时，单次淋洗过程结束。
[0036] 单次重金属淋洗结束后，根据洗脱后重金属在稻田1土壤、孔隙水、间隙水和上覆水中的分布特征，以强化生物有效态重金属排放为原则，利用田间强化排水管或排水带2，人工或自重力最大限度排放淋洗出的田间生物有效态重金属。田间退水强排时的淹没水深为0-5cm，退水速率为1-5cm/d。
[0037] 田间强排的退水经循环管路4进入沉淀池5，沉淀池5流速不高于0.05m/s，沉淀大部分退水中的泥沙颗粒以及附着在泥沙中的重金属。经沉淀处理后的退水，进入经现有田间灌溉水渠、低洼地、水塘等改造成的生态渠塘系统。
[0038] 附着在生态沟渠6的重金属吸附基质8表面，以及生态渠塘边坡上重金属超累积植物7根系周围的微生物可以同化吸收部分水体中的重金属，为提高生态渠塘的重金属净化效果，还可将重金属去除优势微生物驯化或投加微生物制剂。生态渠塘的水力停留时间为3-7天。
[0039] 生态净化塘11出水经水泵13和循环管路4与稻田1连接。在水稻种植间歇期，生态净化塘11出水用作淋洗用水，进行重金属环保淋洗、退水强排和退水生态净化循环，逐步将稻田土壤中的重金属洗脱并转移入水体，清洁稻田。在水稻种植期，生态净化塘11出水经处理达到《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)后，用于水稻生长期的灌溉和田间水肥联合阻控水稻3吸收稻田1土壤淋洗后的残留重金属。
[0040] 为阻控淋洗后稻田1土壤残留重金属进入稻米，在水稻3种植期，利用水泵13、循环管路4，设定田间水分条件，控制田间土壤持水量40％-60％，淹水深度0-5cm，阻止残留重金属向生物有效态重金属转化。与此同时，通过与进水混合的方式，借助化肥投加器15-2、化肥计量器13-3和化肥投放阀门14-3，施用的化肥为钙镁磷肥、稀土肥中的一种或混合，利用根系或其它植物组织的竞争吸收作用，阻控重金属进入稻米，确保粮食生产安全，其中化肥与水的质量比为1～3:100。
[0041] 经过循环淋洗、退水强排和退水生态渠塘净化，逐步清除稻田1土壤重金属，当稻田1土壤生物有效态重金属含量低于《土壤环境质量标准》(15618-1995)二级标准，生态水利修复结束，停止种植间歇期的稻田1土壤淋洗和退化强排、以及种植期的水肥联合阻控等措施。
[0042] 重金属污染稻田生态水利修复结束后，原有的田间退水排放设施及生态渠塘等农田水利系统可继续用于稻田灌溉、田间水分管理以及灌排水水质净化等，构成水稻稳产增产的重要基础设施支撑。
[0043] 请参考图2，本发明还提供一种重金属污染农田土壤的生态水利修复方法，包括如下步骤：
[0044] 步骤一、种植间歇期稻田土壤重金属环保淋洗：在水稻种植间歇期(含泡田期)，向田间施用重金属环保淋洗剂，利用机械翻耕等方式将重金属环保淋洗剂与稻田耕层土壤混合均匀，借助翻耕过程中的扰动将稻田土壤中生物有效态重金属淋洗溶出，转移入水体。向田间施用重金属环保淋洗剂具体步骤为：在水稻3种植间歇期，利用循环管路4、环保淋洗剂投加器15-1、环保淋洗剂计量器13-2和环保淋洗剂投放阀门14-2，采取灌水投加的方式施用筛选出的环境友好型淋洗剂，淋洗过程中，田间淹水时间10-30天，淹水深度0-5cm。
环保淋洗剂投加后，每隔5天检测一次田间水体重金属含量，相邻两次重金属浓度差小于
5％时，单次淋洗过程结束。
[0045] 步骤二、稻田土壤淋洗后重金属的田间退水强排：稻田土壤重金属经淋洗进入水体后，采用铺设在田间的强化排水管或排水带2强化田间退水排放，将从土壤淋洗出的重金属等最大限度排出稻田系统，本质性降低稻田土壤重金属含量。
[0046] 步骤三、田间退水排出的重金属生态渠塘净化：田间强排的退水通过强化排水管或排水带2进入沉淀池5，经沉淀降低退水土壤颗粒含量后，进入由田间原有灌溉水渠、低洼地或水塘等改造成的生态沟渠6和生态净化塘11，利用基质吸附(生态沟渠6的重金属吸附基质8)、植物吸收(生态渠塘边坡上重金属超累积植物7)和微生物同化(重金属超累积植物7根系周围的微生物)，拦截和去除重金属，净化退水水质。生态净化塘11的出水在水稻种植间歇期可继续用作稻田土壤淋洗用水，循环净化稻田土壤；也可在处理达标后用作水稻种植期的灌溉用水，实施后续水肥联合阻控稻米吸收重金属。生态渠塘的水力停留时间为3-7天
[0047] 步骤四、稻田土壤淋洗后残留重金属的种植期水肥联合阻控：为有效降低水稻对土壤淋洗后残留重金属的吸收富集，在种植期，采用田间水分和肥料联合阻控的方法，限制土壤重金属经水稻根系转运至稻米，确保稻米生产安全。具体的，在水稻种植期，利用水泵13、循环管路4，设定田间水分条件，控制田间土壤持水量40％-60％，淹水深度0-5cm，阻止残留重金属向生物有效态重金属转化。与此同时，通过与进水混合的方式，借助化肥投加器
15-2、化肥计量器13-3和化肥投放阀门14-3，施用钙镁磷肥和稀土肥等，利用根系或其它植物组织的竞争吸收作用，阻控重金属进入稻米，确保粮食生产安全，其中化肥与水的质量比为1～3:100。
[0048] 需要说明的是，为防止苎麻、蒌蒿、蜈蚣草等重金属超累积植物7富集的重金属从地上组织(茎叶)转移入地下(根系)，应定期对其地上植物组织进行收割，收割后的植物组织通过焚烧和安全填埋进行重金属的无害化处理。当沉淀池5、生态沟渠6和生态净化塘11表面的淤积物厚度达到20cm时，进行人工清除，获得的淤积物采用投加稳定剂、固化剂等方式进行无害化处理。安全处理后的植物焚烧残留物及清淤淤泥固化体，送环保部门指定的危险废物填埋场填埋处理。
