一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法。

背景技术

中国粮食主产区耕地土壤重金属点位超标率为21.49％，其中重度污染的比例高达5.02％，铅是仅次于镉的污染物，并且对农业生态系统和人类健康构成了潜在威胁。土壤-农作物系统是重金属暴露人群的重要途径和关键界面，土壤重金属富集于农作物可食用部分，继而通过口径最终进入人体，对人们健康产生危害。大量铅污染土壤的安全利用和修复成为目前的难题，目前常用的方法有：1、在土壤中加入有机质、氧化钙等土壤修复剂，降低土壤中铅的活性，进而降低植物对土壤重金属铅的吸收；2、采用凤尾蕨、印度芥菜、遏蓝菜、龙葵等铅超富集植物，通过植物的根系将土壤中的铅提取出来，逐渐降低土壤中的铅浓度，达到修复土壤的目的；3、土壤淋洗，通过淋洗剂将土壤中的铅提取出来，达到修复的目的；以上方法均可取得一定的效果，但是也存在修复剂固化效果不稳定、植物提取效率低以及淋洗造成二次污染和成本高的问题。同时，对于大面积铅污染的农田土壤，不能保证农田边生产边利用的效果，影响农民收入以及对铅污染农田治理修复的积极性。

近年来逐渐发展出超富集植物与农作物间作的农田污染土壤边生产边治理的修复新模式，如：一种中轻度镉污染土壤边修复边生产的方法(专利申请号201811391812.8)；一种利用镉富集植物与果树间作修复镉污染土壤的方法(专利申请号201811393238.X)；一种镉污染土壤上间作种植籽粒苋与小麦的方法(专利申请号202010520615.2)；一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法(专利申请号202010295705.6)；一种利用东南景天和紫云英间作修复镉污染稻田的方法(专利申请号201911152771.1)；一种利用东南景天和蚕豆间作修复镉污染稻田的方法(专利申请号201911152991.4)；一种孔雀草-玉米间作修复镉污染土壤的方法(专利申请号201910260132.0)；上述专利技术均以修复镉污染土壤为主要目的，且间作模式也是集中于提高超富集植物修复效率或固化土壤中镉为导向，尚没有针对小麦这种主要的粮食的间作模式。

目前对于铅污染土壤的间作也有一些探索，如：一种利用玉米秸秆协同伴矿景天间作能源植物修复铅镉复合污染土壤的方法(专利申请号201911374252.X)；一种控制土壤重金属镉铅污染菜心的方法(专利申请号201810129723.X)；然而，现有技术的关于超富集植物与农作物间作这些研究和文献中，少有与大田作物如小麦、玉米进行间作的修复尝试，从而达到真正边生产边修复的目的。

更重要的是，目前的间作模式关注点均主要集中在提高超富集植物的修复效率方面，以及通过超富集植物根系的竞争吸收来减少间作植物根系重金属的吸收，而没有关注到小麦、玉米等作物不仅可以通过根系吸收土壤中铅，还可以通过叶片及穗部等地上部直接吸收大气降尘中的铅，同时地上部吸收的铅能够直接转移到籽粒中；研究表明，大气沉降也是小麦体系中铅污染的主要来源之一，大气降尘中铅对小麦籽粒的贡献率为75-90％；因此，铅污染土壤上通过超富集植物与小麦、玉米等农作物间作过程中，一方面需防控污染土壤中的铅通过根系进入小麦籽粒，另一方面需防控大气降尘铅污染，尤其是在城市和工矿企业周边。

综上所述，在超富集植物-小麦间作模式下不能仅仅考虑土壤铅污染源对小麦籽粒铅的贡献，还需要防控大气降尘中铅对小麦组织和籽粒的污染。目前铅污染土壤间作修复和安全利用的技术和产品均没有统筹考虑大气降尘-土壤两个污染源对植物的影响；同时尚没有研究通过在铅污染土壤上大量种植小麦间作模式的安全利用与铅污染土壤的修复并行。

发明内容

为了解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法，本发明在铅镉复合污染土壤上通过铅镉超富集植物印度芥菜和小麦的间作种植，利用印度芥菜对土壤中铅镉的超富集能力，降低小麦根系对土壤中铅镉的吸收；同时在小麦拔节期至灌浆期喷施本发明制得的高效铅镉阻隔剂，减少小麦叶片和穗部对大气降尘中铅镉的吸收，并降低小麦组织中铅镉向小麦籽粒的迁移，达到小麦籽粒铅镉不超标，土壤铅镉含量逐渐降低，以及边生产边修复铅镉污染土壤的目的。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法，在铅镉复合污染土壤上间作种植印度芥菜和小麦，并于小麦拔节期至灌浆期喷施高效铅镉阻隔剂。

本发明还保护了间作种植，包括如下步骤：

(1)冬小麦种植：10月于铅镉复合污染土壤上等行间距种植冬小麦，冬小麦行间距为40-45cm；

(2)印度芥菜育苗：将印度芥菜种子处理后，温室内育苗至株高5-7cm；

(3)印度芥菜移栽：于第二年3月冬小麦返青期将印度芥菜苗栽种于冬小麦行间，冬小麦行与印度芥菜行间距为20-22cm，印度芥菜移栽株距为10-15cm；

(4)田间管理：间作印度芥菜后及时浇水，同时施以300kg/公顷复合肥，然后进行常规浇水灌溉；

(5)收割：小麦5-6月收获，印度芥菜秋末后收获。

本发明还保护了高效铅镉阻隔剂，所述高效铅镉阻隔剂由以下质量百分比的原料制成：纳米硫酸锌0.4-0.7％、纳米硫酸镁0.3-0.6％、腐殖酸2.0-3.0％、Fe

优选的，所述高效铅镉阻隔剂的制备方法包括如下步骤：

S1、称量：按照如下质量百分比称取原料：纳米硫酸锌0.4-0.7％、纳米硫酸镁0.3-0.6％、腐殖酸2.0-3.0％、Fe

S2、将S1称取的各原料混合均匀，制得高效铅镉阻隔剂。

优选的，所述步骤S2的混合方法为：将纳米硫酸锌在水中超声，制得第一分散液；在第一分散液中加入纳米硫酸镁进行超声分散，制得第二分散液；在第二分散液中加入腐殖酸进行超声分散，制得第三分散液；在第三分散液中加入Fe

本发明还保护了所述高效铅镉阻隔剂的施用步骤为：

(1)制备高效铅镉阻隔剂溶液：将高效铅镉阻隔剂与清水按照体积比为1：50混合均匀后，制得高效铅镉阻隔剂溶液；

(2)在小麦拔节期至灌浆期将步骤(1)的高效铅镉阻隔剂溶液喷施于小麦表面；

其中，拔节期至开花期每隔15天喷施叶片一次，共喷施四次；

灌浆期后每隔5-7天喷施穗部一次，共喷施三次。

优选的，所述步骤(2)中高效铅镉阻隔剂溶液的喷施量为0.5-1kg/亩。

优选的，所述步骤(2)中高效铅镉阻隔剂溶液的喷施方法为：于清晨6-8点喷洒，喷施后若出现下雨状况，雨后及时补喷一次。

本发明还保护了高效铅镉阻隔剂在制备植物阻隔铅镉污染制剂中的应用。

优选的，所述高效铅镉阻隔剂喷施于铅镉复合污染土壤的印度芥菜-小麦间作中的小麦叶片上。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果:

1、本发明提供一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法，在铅镉污染土壤上间作种植小麦和铅超富集植物印度芥菜，利用印度芥菜对土壤中铅镉的超富集能力，降低小麦根系对土壤中铅镉的吸收；同时在小麦拔节至灌浆期喷施高效铅镉高效阻隔剂，减少小麦叶片和穗部对大气降尘中铅镉的吸收，并降低小麦组织中铅镉向小麦籽粒的迁移，达到小麦籽粒铅镉不超标，以及土壤铅镉含量逐渐降低，边生产边修复铅镉污染土壤的目的。

2、高效铅镉高效阻隔剂由纳米硫酸锌、纳米硫酸镁、腐殖酸、Fe

3、本发明采用高效铅镉高效阻隔剂和印度芥菜-小麦间作共同作用，不仅有效避免了污染土壤中的铅镉通过根系进入小麦籽粒，而且有效克服了大气降尘铅镉污染对小麦组织和籽粒的污染。喷施于小麦叶片和穗部上之后，通过腐殖酸、Fe

4、本发明高效铅镉高效阻隔剂在小麦的拔节期开始将该高效阻隔剂喷洒于小麦地上部，每次阻控剂用量为0.5kg/亩，在小麦拔节期至开花期主要喷施叶片，每15天喷洒一次，喷洒四次，灌浆期开始每隔5-7天喷施一次要喷施穗部，喷洒三次，共喷施7次，可降低叶片和穗部表面吸附的大气降尘中铅镉的生物有效性，直接切断叶片和穗部对大气降尘中重金属铅镉的吸收，同时，通过纳米硫酸锌、纳米硫酸镁进入小麦组织体内，与组织内的铅镉螯合和竞争转运通道，进而高效、显著的阻控土壤和大气降尘中铅镉的吸收及向籽粒中的转运，降低籽粒铅镉含量，同时通过印度芥菜超富集能力，降低土壤中铅镉含量，达到铅镉污染土壤安全利用并逐渐修复的目的。

附图说明

图1为实验组印度芥菜根系、实验组小麦根系和对照组小麦根系的铅含量对照图；

图2为实验组印度芥菜根系、实验组小麦根系和对照组小麦根系的镉含量对照图；

图3为实验组印度芥菜地上部及小麦叶片、实验组小麦地上部及小麦叶片、对照组小麦地上部及小麦叶片的铅含量对照图；

图4为实验组印度芥菜地上部及小麦叶片、实验组小麦地上部及小麦叶片、对照组小麦地上部及小麦叶片的镉含量对照图；

图5为实验组小麦籽粒和对照组小麦籽粒的铅和镉含量对照图；

图6为实验组间作前后土壤内铅和镉含量对照图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到；

下述Fe

下述Fe

实施例1

一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法，包括如下步骤：

印度芥菜-冬小麦间作种植：

(1)冬小麦种植：10月于铅镉复合污染土壤上等行间距种植冬小麦，冬小麦行间距为40cm；

(2)印度芥菜育苗：将印度芥菜种子处理后，温室内育苗至株高7cm；

(3)印度芥菜移栽：于第二年3月冬小麦返青期将印度芥菜苗栽种于冬小麦行间，冬小麦行与印度芥菜行间距为20cm，印度芥菜移栽株距为15cm；

(4)田间管理：间作印度芥菜后及时浇水，同时施以300kg/公顷复合肥，然后进行常规浇水灌溉；

(5)收割：小麦6月收获，印度芥菜11月收获；

高效铅镉阻隔剂的施用：

(1)称量：按照如下质量百分比称取原料：纳米硫酸锌0.4％、纳米硫酸镁0.6％、腐殖酸2.0％、Fe

(2)将纳米硫酸锌在水中超声，制得第一分散液；在第一分散液中加入纳米硫酸镁进行超声分散，制得第二分散液；在第二分散液中加入腐殖酸进行超声分散，制得第三分散液；在第三分散液中加入Fe

(3)制备高效铅镉阻隔剂溶液：将高效铅镉阻隔剂与清水按照体积比为1：50混合均匀后，制得高效铅镉阻隔剂溶液；

(4)在小麦拔节期至灌浆期将步骤(1)的高效铅镉阻隔剂溶液喷施于小麦表面，喷施量为0.5kg/亩，于清晨6-8点喷洒，喷施后若出现下雨状况，雨后及时补喷一次；

其中，拔节期至开花期每隔15天喷施叶片一次，共喷施四次；

灌浆期后每隔5天喷施穗部一次，共喷施三次。

实施例2

一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法，包括如下步骤：

印度芥菜-冬小麦间作种植：

(1)冬小麦种植：10月于铅镉复合污染土壤上等行间距种植冬小麦，冬小麦行间距为42cm；

(2)印度芥菜育苗：将印度芥菜种子处理后，温室内育苗至株高6cm；

(3)印度芥菜移栽：于第二年3月冬小麦返青期将印度芥菜苗栽种于冬小麦行间，冬小麦行与印度芥菜行间距为21cm，印度芥菜移栽株距为13cm；

(4)田间管理：间作印度芥菜后及时浇水，同时施以300kg/公顷复合肥，然后进行常规浇水灌溉；

(5)收割：小麦6月收获，印度芥菜11月收获；

高效铅镉阻隔剂的施用：

(1)称量：按照如下质量百分比称取原料：纳米硫酸锌0.5％、纳米硫酸镁0.5％、腐殖酸2.5％、Fe

(2)将纳米硫酸锌在水中超声，制得第一分散液；在第一分散液中加入纳米硫酸镁进行超声分散，制得第二分散液；在第二分散液中加入腐殖酸进行超声分散，制得第三分散液；在第三分散液中加入Fe

(3)制备高效铅镉阻隔剂溶液：将高效铅镉阻隔剂与清水按照体积比为1：50混合均匀后，制得高效铅镉阻隔剂溶液；

(4)在小麦拔节期至灌浆期将步骤(1)的高效铅镉阻隔剂溶液喷施于小麦表面，喷施量为1kg/亩，于清晨6-8点喷洒，喷施后若出现下雨状况，雨后及时补喷一次；

其中，拔节期至开花期每隔15天喷施叶片一次，共喷施四次；

灌浆期后每隔6天喷施穗部一次，共喷施三次。

实施例3

一种安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法，包括如下步骤：

印度芥菜-冬小麦间作种植：

(1)冬小麦种植：10月于铅镉复合污染土壤上等行间距种植冬小麦，冬小麦行间距为45cm；

(2)印度芥菜育苗：将印度芥菜种子处理后，温室内育苗至株高5cm；

(3)印度芥菜移栽：于第二年3月冬小麦返青期将印度芥菜苗栽种于冬小麦行间，冬小麦行与印度芥菜行间距为22cm，印度芥菜移栽株距为10cm；

(4)田间管理：间作印度芥菜后及时浇水，同时施以300kg/公顷复合肥，然后进行常规浇水灌溉；

(5)收割：小麦6月收获，印度芥菜11月收获；

高效铅镉阻隔剂的施用：

(1)称量：按照如下质量百分比称取原料：纳米硫酸锌0.7％、纳米硫酸镁0.3％、腐殖酸3.0％、Fe

(2)将纳米硫酸锌在水中超声，制得第一分散液；在第一分散液中加入纳米硫酸镁进行超声分散，制得第二分散液；在第二分散液中加入腐殖酸进行超声分散，制得第三分散液；在第三分散液中加入Fe

(3)制备高效铅镉阻隔剂溶液：将高效铅镉阻隔剂与清水按照体积比为1：50混合均匀后，制得高效铅镉阻隔剂溶液；

(4)在小麦拔节期至灌浆期将步骤(1)的高效铅镉阻隔剂溶液喷施于小麦表面，喷施量为0.5kg/亩，于清晨6-8点喷洒，喷施后若出现下雨状况，雨后及时补喷一次；

其中，拔节期至开花期每隔15天喷施叶片一次，共喷施四次；

灌浆期后每隔7天喷施穗部一次，共喷施三次。

在本发明实施例1-实施例3的通过印度芥菜-小麦间作安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法下，均达到了小麦籽粒铅镉不超标，土壤铅镉含量逐渐降低的效果，且效果平行，下面以实施例2的方法为例，研究小麦籽粒和土壤中铅镉含量，具体研究方法如下：

实验组：采用实施例2的方法种植小麦和印度芥菜；小麦收获后，印度芥菜继续保留生长至秋末，采用印度芥菜对铅镉继续进行吸收，并最终在秋末将印度芥菜整体收获后集中焚烧处理，以栽种的小麦、印度芥菜和印度芥菜收割后的土壤为测试样。

对照组：与实施例2的小麦栽种不同之处在于仅种植小麦，且于小麦拔节期至灌浆期喷施与实验组高效铅镉阻隔剂溶液等量的清水，以栽种的小麦和小麦收割后的土壤为测试样。

本发明实验于济源西北某冶炼厂周边，选取铅镉复合污染农田作为实施区域，该区域土壤铅镉含量分别为675.3mg/kg和12.5mg/kg左右，区域大气降尘铅含量在687.2-1600.5mg/kg间波动、镉含量在5.4-26.9mg/kg间波动。

实施对比效果分析：

如图1和图2所示，在小麦生长的返青期、拔节期、灌浆期和成熟期，实验组的印度芥菜根系铅镉含量均显著大于对照组小麦根系铅镉含量，对照组又显著大于实验组的小麦根系铅镉含量；同时，研究发现，随着印度芥菜的生长，印度芥菜根系内铅镉吸收呈现逐渐增加的趋势，铅在反青期至成熟期之间从100mg/kg增加到135mg/kg左右，镉在反青期至成熟期之间从16mg/kg增加到24mg/kg左右，与此同时，实验组小麦根系铅镉含量随芥菜根系内铅镉含量的增加呈现逐渐降低的趋势，成熟期小麦根系铅和镉含量分别为18mg/kg、3.2mg/kg左右，而对照组小麦根系铅和镉含量一直分别在35mg/kg、5mg/kg左右波动。结果表明，印度芥菜根系可以大量竞争吸收土壤中的铅和镉，通过印度芥菜-小麦间作可以显著降低小麦根系对土壤中铅镉的吸收。

如图3和图4所示，进一步对印度芥菜及小麦地上部的铅镉吸收进行研究，检测印度芥菜及小麦地上部发现，在小麦生长的返青期、拔节期、灌浆期和成熟期，实验组的印度芥菜地上部铅镉含量均显著大于对照组小麦地上部铅镉含量，对照组小麦地上部铅镉含量又显著大于实验组的小麦地上部铅镉含量。同时，研究发现，随着印度芥菜的生长，印度芥菜地上部内铅镉吸收呈现逐渐增加的趋势，表明在印度芥菜通过根系吸收土壤中铅镉之后，将铅镉元素转运到地上部组织，可以通过印度芥菜带走铅镉元素，进而逐渐对铅镉污染土壤进行净化。同时，对照组小麦叶片铅镉含量也呈逐渐增加的趋势，成熟期叶片铅和镉含量分别为：13.5mg/kg、3.9mg/kg，而实验组小麦叶片铅和镉含量呈现逐渐下降的趋势，成熟期叶片铅和镉含量分别为：4.5mg/kg、1.2mg/kg，显著低于对照组小麦叶片铅镉含量。结果表明拔节期后喷施的高效铅镉阻隔剂，能够有效阻控小麦叶片、穗部等地上部对大气降尘中铅和镉的吸收，并随着小麦植株生物量的增大，使得小麦地上部组织中的铅镉相对稀释，降低叶片铅和镉浓度。

如图5所示，小麦收获后分析小麦籽粒铅镉含量可以发现，灌浆期和成熟期对照组小麦籽粒铅含量分别为：0.9mg/kg、0.95mg/kg，镉含量分别为：0.52mg/kg、0.95mg/kg，而实验组小麦籽粒灌浆期和成熟期铅含量分别为：0.20mg/kg、0.18mg/kg，镉含量分别为：0.12mg/kg、0.09mg/kg，实验组小麦成熟后籽粒满足国家标准所要求的铅镉含量的低于0.2mg/kg和0.1mg/kg的限值，达到了安全利用镉污染土壤的目的。

如图6所示，小麦收获后使得印度芥菜进一步生长至秋末，整株收获后采土壤样检测土壤铅镉含量，可以发现土壤铅含量从387.3mg/kg降为363.0mg/kg，降低了6.26％，土壤镉含量10.98mg/kg降为9.74mg/kg，降低了11.31％，印度芥菜与小麦间作可以显著降低土壤的铅和镉含量，实现对铅镉污染土壤的修复，可以预期，经过印度芥菜-小麦间作几年轮回后能够将铅镉复合污染土壤修复至清洁土壤水平。

综上可见，通过采用印度芥菜-小麦间作安全利用并修复铅镉复合污染土壤的方法均可以保证小麦籽粒铅镉含量不超标，污染土壤逐渐得到不断净化，达到边生产边修复的目的。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。