一种干湿调控结合电动力及富集植物的镉污染稻田土壤联合修复方法

摘要

本发明公开了一种镉污染稻田土壤联合修复方法，首先利用节水灌溉方式形成水分干湿交替的水分过程，促进稻田土壤中镉向植物有效态的转变；其次利用太阳能供电的方式促进溶于水的有效态镉向阴极区定向迁移；通过套种作物的形式进行水稻生产，将水稻种植于电动力修复的有效态镉输出区‑阳极区，以减少水稻吸收镉，而将用于植物修复的超富集植物种植于有效态镉浓度富集区‑阴极区，利用超富集植物吸收有效态镉，实现污染土壤的修复。本发明可以促进重金属转化与吸收，实现在水稻生产中的微污染土壤修复、同时减少水稻吸收的风险，修复效率更高，同时具有很好的经济价值。

权利要求

1.一种镉污染稻田土壤的联合修复方法，其特征在于采用干湿交替促进镉转化、电动力促迁移、植物超富集修复联合，具体包括：采用水稻-镉超富集植物套作模式，水稻种植在电动力修复的阳极区、超富集植物在阴极区，稻田灌溉采用干湿交替的节水灌溉技术，通过太阳能供电系统供电；通过干湿交替水分管理促进镉向有效和易有效态的转化，通过电动力作用促进有效和易有效态镉的定向迁移，通过超富集植物的大量吸收转移实现镉污染土壤修复联合。

2.如权利要求1所述的联合修复方法，其特征在于所述的干湿交替的节水灌溉技术为：

灌水后不建立或者建立1-2cm的水层，水层自然消失，然后根据田间土壤水分状况或者脱水之后的天数来进行灌溉。

3.如权利要求1所述的联合修复方法，其特征在于所述的水稻-镉超富集植物套作模式为：两行水稻中间套种镉超富集植物，所述镉超富集植物选择适合干湿交替环境、具有观赏价值及经济价值的景观植物。

4.如权利要求3所述的联合修复方法，其特征在于所述的植物选自凤眼莲、宝山堇菜、五色梅、遏蓝菜、鱼腥草、叶用红慕菜、蒌蒿、商陆、垂柳、蜀葵、三色堇或孔雀草。

5.如权利要求1所述的联合修复方法，其特征在于所述的电极选用石墨板电极，每延米长度上布置3组，布置形式结合水稻-镉超富集植物的套作种植按平行布置，其中稻种植区设置为阳极、超富集植物种植区设置为阴极。

6.如权利要求1所述的联合修复方法，其特征在所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件、太阳能控制器和蓄电池组。

说明书

一种干湿调控结合电动力及富集植物的镉污染稻田土壤联合

修复方法

技术领域

[0001] 本发明属于土壤污染治理技术领域，涉及一种镉污染稻田土壤联合修复方法，具体涉及一种干湿调控促转化-太阳能电动驱动定向运移-套作富集植物的镉污染稻田土壤联合修复方法。

背景技术

[0002] 土壤重金属污染引发的土壤生态功能破坏和农产品等问题日益受到大众的关注。近年来我国已经发生多起重大的重金属污染事件，严重威胁人民群众的生命健康。土壤重金属镉污染一直是研究的热点，研究对污染土壤的修复是当代研究人员的重要课题之一。

[0003] 以重金属镉为例，据统计我国目前受镉污染的农田土壤面积近130万hm2，涉及我国的11个省市的25个地区。这也导致各地都出现了大米镉超标的严重食品安全问题，南京农业大学在华东、东北、华中、西南、华南、华北六个大区的县级市场中，随机采购大米样品91个，结果显示其中的10％左右的市售大米镉含量超标。据《发明与创新》杂志2013年第七期第“镉米之殇”的报道显示湖南、江西等地的毒大米事件，在社会上引起了轩然大波。广州市食品药品监管局食品抽检结果显示44.4％的大米及米制品发现镉含量超标。

[0004] 土壤重金属污染修复的技术方法很多，主要包括工程修复法、物理化学修复法和化学修复法。工程修复法主要包括客土、换土和翻土法。它的优点是修复后比较稳定、彻底，缺点就是实施起来工作量较大，成本高且破坏土壤原有的结构，同时对置换出来的污土集中难以处理。物理化学方法修复重金属污染土壤包括使用电修复、热修复和土壤淋洗等。这些方法也能取得较好的修复效果，缺点就是比较昂贵，操作也很复杂。土壤化学修复技术应用较多的方法是向土壤中添加诸如磷酸盐、硅酸盐和石灰等改良剂，使土壤中的重金属得以稳定，不易被植物吸收。这种做的缺点是只改变了重金属的形态，并没有根本去除重金属，重金属元素仍保留在土壤中，很容易再度活化而危害植物。

[0005] 植物修复技术利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害。主要通过植物吸收、植物挥发、植物吸附和根际过滤等方式来积聚或清除环境中的重金属。修复金属主要在单细胞藻类和高等植物界的一切植物。优点主要表现为：成本较低、不破坏环境，不引起二次污染，易被人们接受。但植物对重金属的修复效率有限，影响重金属污染土壤植物吸取修复效率的限制因素主要包括：土壤重金属溶解度低、迁移能力差以及重金属从植物根向地上部转运的效率低等因素，而且土壤中重金属大都难以被植物吸收。一些有助于提高重金属转化的螯合剂被用于重金属污染土壤的修复。当前用于植物提取研究的螯合剂主要是以EDTA为代表的非生物可降解螯合剂。众多研究表明EDTA、HEDTA、DTPA、EGTA、EDDHA、HEIDA、NTA等均可以提高镉、砷、铅、铜等重金属的生物有效性。但这些物质的加入是否会产生新的土壤环境问题，还不明确，比如当前欧洲已禁止在清洁剂中使用EDTA。

[0006] 重金属在土壤中与土壤不同组分之间发生了复杂的物理化学反应，形成了不同的赋存形态，重金属不同赋存形态的具有不同的运移能力和生物有效性。土壤中水分的状态直接影响土壤中这些反应的情况，进而导致重金属在赋存形态与生物有效性方面的差异。以稻田为例，传统淹水稻田晒田或者采用干湿交替灌溉以后，土壤重金属中有机质结合形态转化加强，有效性更强的弱酸溶解态增加，植株对重金属的吸收增加。能否利用农业生产中水、肥等管理措施加快微污染土壤的修复，也是一个值得探索的问题。

[0007] 此外，我国人口多、土地资源紧张，一些重金属微污染的土壤还将作为农业用地种植各种作物，在农田土壤种植过程中实现减少农产品吸收富集、防止土壤重金属累积、加快土壤修复三者的统一对于保障我国土地可持续利用、维系粮食安全具有重要意义。

发明内容

[0008] 本发明的目的是针对镉微污染稻田水稻生产中加快土壤修复与防控食品污染的需求，提供一种实现减少农产品吸收富集、防止土壤重金属累积、加快土壤修复三者的统一土壤联合修复方法，即干湿调控促转化-太阳能电动驱动定向运移-套作富集植物的镉污染稻田土壤联合修复方法。

[0009] 技术方案：本发明提供了一种镉污染稻田土壤的联合修复方法，采用干湿交替促转化、电动力促迁移、植物超富集修复联合，具体包括：采用水稻-镉超富集植物套作模式，水稻种植在电动力修复的阳极区、超富集植物在阴极区，稻田灌溉采用干湿交替的 节水灌溉技术，通过太阳能供电系统供电。通过干湿交水分管理替促进镉向有效和易有效态的转化，通过电动力作用促进有效和易有效态镉的定向迁移，通过超富集植物的大量吸收转移实现镉污染土壤修复联合。

[0010] 所述的干湿交替的节水灌溉技术为：灌水后不建立或者建立1-2cm的水层，水层自然消失，然后根据田间土壤水分状况或者脱水之后的天数来进行灌溉。典型灌水技术可借鉴水稻控制灌溉技术与浅湿交替灌溉技术。这样在水稻生育期内形成10多次的干湿交替过程。以干湿交替过程促进重金属镉向有效和易有效态的转化，提高其生物有效性。所述的土壤水分最低可达到60％-80％的土壤饱和含水率。

[0011] 水稻施肥方面，采用一定量的水稻专用有机肥代替部分化肥，通过有机肥的施用，可以增加土壤中低分子有机酸的含量，进一步加快土壤重金属镉的转化，提高其生物有效性。

[0012] 水稻种植方面，采用与超富集植物套作的模式进行种植，具体套作模式为：两行水稻中间套种镉超富集植物，所述镉超富集植物选择适合干湿交替环境、具有观赏价值及经济价值的景观植物。所述的植物为凤眼莲、宝山堇菜、五色梅、遏蓝菜、鱼腥草、叶用红慕菜、蒌蒿、商陆、垂柳、蜀葵、三色堇或孔雀草。

[0013] 在田间布设电极，其中水稻种植区设置为阳极、超富集植物种植区设置为阴极。采用太阳能电池板加蓄电池供电(从节省投资角度，可以考虑不设蓄电池，这样在日光不足或者没有阳光是，电动力的作用会较弱或者不工作，系统处于非连续供电状态)，在电动势作用下，土壤中易于迁移的有效态镉从土壤中向阴极区迁移，这样一方面减少水稻种植区有效态镉的浓度、降低水稻吸收镉的可能，同时提高超富集区有效态镉的浓度、增加超富集植物吸收镉的功效。所述的电极选用石墨板电极，每延米长度上布置3组，布置形式按平行布置，其中稻种植区设置为阳极、超富集植物种植区设置为阴极；每100平方米农田种植七行水稻、七行超富集植物，每行一米组合需要6个电极。

[0014] 所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件、太阳能控制器和蓄电池组；按每个延米设置一组供电系统。

[0015] 采用上述技术手段的组合，一方面利用干湿交替及配施有机肥，促进重金属镉的形态转化，提高其生物有效性。进而利用太阳能供电的形式促进有效态镉从土壤中向阴极区迁移富集，最后利用种植在阴极区的超富集植物吸收富集有效态镉，把土壤中的镉给”揪”出来。

[0016] 本发明具有如下优点：(1)实现在水稻生产中的微污染土壤修复，借助电动力修复实现有效态镉定向迁移的作用减少水稻吸收土壤镉、增强超富集植物的吸收；(2)采用干湿交替促转化、电动力促迁移、植物超富集修复联合，修复效率更高；(3)超富集植物选择方面选择了具有景观价值的植物，具有很好的经济价值。

附图说明

[0017] 图1是干湿调控促转化-太阳能电动驱动定向运移-套作富集植物的镉污染稻田土壤联合修复方法示意图

[0018] 图中1-稻田根层土壤；2-水稻秧苗；3-镉超富集植物；4-电动力修复的阳极；5-电动力修复的阴极；6-蓄电池组；7-太阳能控制器；8-太阳能电池组件

[0019] 图2是田间电极布置示意图

[0020] 图中4-阳极；5-阴极具体实施方式：

[0021] 首先进行水稻插秧，套种模式下水稻秧苗2的行距采用常规种植的2倍，按60cm的行距，株距及每穴苗数根据采用的品种、秧龄及当地插秧习惯定，不做特殊要求。稻田插秧后保持浅水层活苗，返青以后按照水稻控制灌溉或者干湿交替灌溉模式进行灌溉，灌水前稻田处于无水层状态，土壤水分最低可达到60％-80％的土壤饱和含水率(不同阶段有所差异)。这样稻田根层土壤1处于干湿交替状态，这种状态有助于稻田土壤中重金属赋存形态的变化。有施肥或者打药等农艺需求是，按照相关要求保持3cm左右水深。

[0022] 在两行水稻中间，种植一行镉超富集植物3。具体布置形式如图1所示。研究已经发现了多种镉超富集植物，包括凤眼莲、宝山堇菜、五色梅以及遏蓝菜、鱼腥草、叶用红慕菜、蒌蒿、商陆、垂柳等，它们能够在较高的重金属镉浓度下生存，并能大量吸过土壤中的镉，其生物组织中镉浓度可以达到生境土壤中镉浓度的几十甚至上百倍。这里选择适合干湿交替环境、且具可作为景观植物的品种。对于喜欢水生的镉超富集植物如凤眼莲、鱼腥草，其种植区域地面较水稻区域下沉5cm，形成浅沟，超富集植物种植于浅沟之中。对于旱生的镉超富集植物如五色梅、叶用红慕菜、垂柳(苗)、蜀葵、三色堇、孔雀草，则其种植区域地面较水稻种植区域抬高5cm。

[0023] 在田间布设电极，这里选用石墨板电极(尺寸3mm*38mm*98mm规格，每延米长度上布置3组)，布置形式按平行布置。其中稻种植区设置为阳极4、超富集植物种植区设置为阴极5。按100平方米农田计算(规格20m*5m)，共种植七行水稻、七行超富集植物，每行一米组合需要6个电极，共计需要840个电极(田间布置按图2)

[0024] 安装太阳能供电系统，具体包括太阳能电池组件8、太阳能控制器7和蓄电池组6。如图2所示的范围内按每个延米设置一组供电系统，20m长度共需要20个供电系统。太阳能电池的供电电压选择18V输出，功率按100w设计，蓄电池按48AH配置。(图2的虚线框中的1m范围内所有电极共用一套太阳能供电系统)

[0025] 如果从节约成本角度考虑，太阳能供电系统中可以不设蓄电池及其配套的太阳能控制器，这样在日光不足或者没有阳光是，电动力的作用会较弱或者不工作，系统处于非连续供电状态。

[0026] 本发明采用太阳能供电系统，对于南方阴雨天气较多的地区，可以考虑风光互补的供电系统，需要在太阳能板基础上增加风力发电设施，并改进充电控制器，提高供电的保证率。

[0027] 为了实现整个稻田的逐步修复，在跨年度应用时将水稻和超富集植物种植区进行空间上的调换，可以实现整个稻田土壤的原位修复。