一种用于重金属污染土壤修复的植生带

摘要

本发明属于特殊重金属土壤修复技术领域，具体涉及一种用于重金属污染土壤修复的植生带。本发明提供一种用于重金属污染土壤修复的植生带，包括从下到上依次层叠设置的效果层、基质层和植被层，效果层主体包括微生物菌种；微生物菌种包括丛枝菌根真菌中的一种或多种，假单胞菌和芽孢杆菌中的一种或多种，曲霉菌和青霉菌中的一种或多种。微生物菌种协同增效，提高植物修复效率。丛枝菌根真菌、假单胞菌、芽孢杆菌通过吸附和钝化固定土壤中的重金属，有效降低重金属对植物的毒害性，并且在重金属胁迫下，与植物根系形成共生体，促进植物生长，提高植物修复效率；曲霉菌和青霉菌可以产生大量有机酸，活化重金属离子，提高植物对重金属的吸收和转运。

说明书

技术领域

本发明属于特殊重金属土壤修复技术领域，具体涉及一种用于重金属污染土壤修复的植生带。

背景技术

土壤重金属污染是指由于人类活动，土壤中重金属元素含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。有调查显示，我国受铬、砷、镉、铅等重金属污染的耕地面积将近2000万公顷，约占全国耕地总面积20％。“镉米危机”的出现，再次敲响土壤重金属污染的警钟。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性的特点。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，在体内富集，严重威胁人类的生命安全，所以对重金属污染土壤的修复显得尤为迫切。

根据修复工艺及原理的不同，现阶段修复土壤重金属污染的主要方法有：物理法、化学法和生物法三大类。

采用物理法修复土壤重金属污染效果较好、效率很高，但是往往存在着不能完全解决重金属污染，仅仅是转移污染，还需要进行再次处理的问题，采用化学法修复土壤重金属污染，需要选择合适的处理方法，处理效率较高，但处理成本也较高，并可能带来二次污染。采用生物法进行土壤重金属污染修复，具有效果好、成本较低、易于管理与操作、不产生二次污染等优点，日益受到人们的重视。生物修复措施主要包括植物修复、微生物修复和动物修复等。其中，植物修复效率较低，采用微生物修复和动物修复要求的环境条件较为苛刻。

专利文献CN113732053A公开了一种重金属土壤修复剂，包括生物菌剂4-8份、草炭粉10-20份、堆肥15-25份、羟基磷灰石粉末10-18份、表面活性剂3-6份、二氧化锰5-10份。这种土壤修复剂能够促进土壤有细菌群的繁殖，将土壤中固化的磷和金属微量元素分解成离子状态，让作物重新吸收利用。同时经济合理，钝化重金属，降低重金属活性，提高土壤生产能力。但是这种土壤修复剂是通过在羟基磷石灰表面接枝硝基三膦酸分子去除锌、铅重金属离子，对于其他重金属离子的去除效果并不明显，无法达到去除多种重金属离子的问题。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明的目的之一是提供一种用于重金属污染土壤修复的植生带。该植生带结构简单，使用方便，成本较低，重金属污染土壤修复中和修复后不产生二次污染，植物与微生物联合协同促进重金属吸收、转运和富集、微生物的重金属钝化与活化同时起效，不受化学方法只对特别重金属有去除效果的限制，本发明植生带可以有效减少土壤中各种重金属的含量。

第一方面，本发明提供一种用于重金属污染土壤修复的植生带，包括从下到上依次层叠设置的效果层、基质层和植被层，

所述效果层包括第一可降解部、第二可降解部和设置于所述第一可降解部和第二可降解部之间的效果层主体；

所述效果层主体包括微生物菌种和锯末；

所述微生物菌种包括丛枝菌根真菌，假单胞菌和芽孢杆菌中的一种或两种，以及曲霉菌和青霉菌中的一种或两种。

丛枝菌根(AM)真菌、假单胞菌、芽孢杆菌对重金属有很高的耐受性和积累性，通过吸附和钝化固定土壤中的重金属，从而有效降低重金属对植物的毒害性；丛枝菌根(AM)真菌、假单胞菌、芽孢杆菌均为植物有益菌，在重金属胁迫下，其分泌的植物生长素能够促进植物细胞分裂、种子萌发、根系生长，其与植物根系形成共生体，能够改善植物营养，促进植物生长，提高重金属胁迫下植物的生物量，提升植物对重金属的吸收、转运和富集能力及耐受性，增加植物地上部分重金属元素的吸收或根系中的积累量，提高植物修复的效率；曲霉菌和青霉菌对重金属耐受性较强，可以产生大量的有机酸如柠檬酸、葡萄糖酸、草酸、酒石酸、琥珀酸等，这些有机酸提供配位基团与重金属离子发生络合反应，活化重金属离子，增加其生物有效性，提高植物对重金属的吸收，促进了重金属向地上部分的转移，加强植物修复效率。本发明将钝化和吸附重金属的菌种与活化重金属离子的菌种混合使用，二者协同促进了提升植物对重金属的吸收、转运和富集能力及耐受性，进一步提高了重金属污染土壤的修复效果。

锯末是一种来源丰富且价格低廉的农林废弃物，其营养丰富全面，可以提供微生物生长繁殖所必需的能源、碳源、氮源等，同时，锯末对重金属有一定的吸附作用，兼具一定的保水保肥作用，能够为植物种子发芽和幼苗生长提供适宜的环境条件。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述效果层的厚度为1-5cm；

或/和，所述基质层的厚度为2-10cm；

或/和，所述植被层的厚度为0.5-1cm。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述第一可降解部、效果层主体、第二可降解部从下至上依次层叠设置；

所述微生物菌种和锯末的质量比为(0.01-0.05)：1。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述效果层、基质层和植被层之间缝合连接；将发挥不同作用的层固定在特定位置，利于各层功效的充分发挥。

或/和，所述第一可降解部和第二可降解部的材料为纸质无纺布或薄植生纸。第一可降解部和第二可降解部的材料可以相同也可以不同。将效果层主体材料固定在第一可降解部和第二可降解部之间可以起到固定作用，将微生物菌种固定在最下层，有效利用和充分发挥微生物菌种功效。可降解部最终能够降解，不仅可以作为植物营养还不会导致环境污染。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述基质层包括基体和基质；

所述基质填充在所述基体中，所述基质和基体的体积比为(0.5-0.8)：1。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述基体是由麻纤维和/或椰棕植物纤维连接成的网孔状体，所述基体的孔径为0.1-1cm；

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，按重量份计，所述基质包括：60-80份农作物秸秆、5-10份生物炭、10-20份有机肥、2-3份黏结剂、5-10份保水剂。

进一步优选地，所述农作物秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆和大豆秸秆中的至少一种；

或/和，所述黏结剂为酸性硅溶胶、淀粉、黄原胶、丙烯酸乳液、聚丙烯酰胺中的至少一种；

或/和，所述保水剂为聚丙烯酸系高吸水树脂。

具体的，基体可选用麻纤维、椰棕等植物纤维作为原料，经过针刺编织和/或喷胶粘连和/或绗缝连接成错乱无章的网孔状体；生物炭为农林废弃物经高温热解制备而成；有机肥优选发酵后的畜禽粪便；所述聚丙烯酸系为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钠接枝淀粉、聚丙烯酸钠接枝纤维素、聚丙烯酸钠接枝海藻酸钠、聚丙烯酰胺中的至少一种。

选择麻纤维、椰棕等植物纤维作为基体原料，加工成的基体强度高、弹性好、透气透水性好，且成本低廉、易于加工；能够快速腐烂和降解，腐烂基体可以作为有机质提供养分；并且具有现在植生带难于达到的厚度，可以暂时隔离重金属污染环境，保障草籽发芽和幼苗生长。

农作物秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。农作物秸秆富含氮、磷、钾及微量元素，经微生物分解，转化形成腐殖质，促进植物生长发育。

生物炭和腐殖质对重金属均有一定的吸附和钝化作用，腐殖质能够增强生物炭对重金属离子的吸附和转化，二者协同增效，降低土壤重金属的生物有效性，为植物种子发芽和幼苗生长提供适宜的环境条件。

有机肥中的有机质是植物养分重要的来源，有机质分解能为植物生长提供全面的养分，从而增强植物在逆境中生存的能力。有机肥优选发酵后的畜禽粪便，经过发酵后的畜禽粪便可以起到加速农作物秸秆快速腐解及促进植物苗期生长旺盛的双重功效。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述植被层包括第三可降解部、第四可降解部和设置于所述第三可降解部和第四可降解部之间的植被层主体；

按重量份计，所述植被层主体包括：40-60份重金属超富集草本植被种子、10-20份保水剂和30-40份肥料。

在上述植生带中，作为一种优选实施方式，所述第三可降解部、植被层主体、所述第四可降解部从下至上依次层叠设置；

所述第三可降解部和第四可降解部的材料为纸质无纺布或薄植生纸。第三可降解部和第四可降解部的材料可以相同也可以不同；

超富集草本植被种子、保水剂和肥料通过机器的滚压和针刺的复合定位工序固定于所述植被层内。

具体的，重金属超富集草本植物种子根据重金属污染类型进行选择和配置；保水剂为聚丙烯酸系高吸水树脂，保水剂可以吸水膨胀，储存水分并缓慢释放，为种子发芽和生长提供所需的水分；肥料为缓效复合肥，可以缓慢持久地释放肥效，为种子发芽和生长提供所需的养分；使用针刺工艺代替粘合剂胶粘，草籽更不容易发霉变质且不用经过消毒处理。

重金属超富集草本植物种子是指这类植物可以从土壤中提取一种或几种重金属，并将其转移、贮存到植物的地上部分，然后对收割植物地上部分进行集中处理，从而有效减少土壤中重金属的含量，达到净化污染土壤目的的植物种子。例如，镉的超富集草本植物有油菜、宝山堇菜、天蓝遏蓝菜等；铅的超富集草本植物有香根草、芥菜、紫叶花苕等；铜的超富集草本植物有海州香薷、艾蒿、鸭跖草等。

本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果之一：

1.本发明提供一种用于重金属污染土壤修复的植生带，包括从下到上依次层叠设置的效果层、基质层和植被层，所述效果层包括第一可降解部、第二可降解部和设置于所述第一可降解部和第二可降解部之间的效果层主体；所述效果层主体包括微生物菌种和锯末；所述微生物菌种包括丛枝菌根真菌中的一种或多种、假单胞菌和芽孢杆菌中的一种或多种、曲霉菌和青霉菌中的一种或多种。在本发明中，微生物菌种之间协同增效，提高植物修复效率。丛枝菌根(AM)真菌、假单胞菌、芽孢杆菌通过吸附和钝化固定土壤中的重金属，从而有效降低重金属对植物的毒害性，同时，在重金属胁迫下，其与植物根系形成共生体，促进植物生长，提高植物修复的效率；曲霉菌和青霉菌可以产生大量的有机酸，活化重金属离子，提高植物对重金属的吸收和转运。有效减少了土壤中重金属的含量，解决了土壤中的重金属污染问题。

2.本发明提供的植生带结构简单，使用方便，成本较低，重金属污染土壤修复中和修复后不产生二次污染，有效减少土壤中重金属的含量。

3.本发明提供的植生带原材料主要为农林废弃物，来源广泛，成本低廉，能够改善微生物和植物的生存和生长环境，提高植物—微生物联用修复法修复重金属污染土壤的效率。

4.本发明采用植物—微生物联用修复法，即把植物与菌根真菌或是强化微生物结合起来，融合二者的优势，植物的根系为微生物提供适宜的营养条件，保证恶劣环境下微生物数目和活性的维持，微生物活化重金属，促进植物的生长和吸收，从而提高土壤重金属修复的效率。

附图说明

图1为实施例1中植生带剖面示意图。

1-效果层；2-基质层；3-植被层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

本发明中，除非另有规定和/或说明，自始至终，所有涉及组分用量的数值均为“重量份”。下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。

下面通过实施例对本发明一种用于重金属污染土壤修复的植生带进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进或应用的基础，并不以任何方式构成对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供了一种用于重金属污染土壤修复的植生带，包括从下到上依次层叠设置的效果层1、基质层2和植被层3，参见图1。

效果层1厚度为3cm，效果层1从下到上依次层叠设置有第一可降解部、效果层主体和第二可降解部。第一可降解部和第二可降解部的材料为纸质无纺布；效果层主体包括菌种(菌种的种类为：丛枝菌根真菌、假单胞菌和芽孢杆菌、曲霉菌和青霉菌，这些菌种均为市售菌种，各种菌种的质量比为1:1:1:2:2)和锯末，菌种的锯末的质量比为0.05：1。第一可降解部、效果层主体和第二可降解部可通过缝合固定。

基质层2厚度为8cm，基质层2包括基体和基质，基质填充在基体中，基质和基体的体积比为0.8：1，按重量份计，基质包括70份玉米秸秆、10份生物炭、15份发酵后的畜禽粪便、3份淀粉、5份聚丙烯酸钠接枝淀粉。基体为麻纤维编织缝合的网孔状袋状体，基体的平均孔径为0.5cm。

植被层3厚度为1cm，植被层3从下到上依次层叠设置有第三可降解部、植被层主体和第四可降解部。第三可降解部和第四可降解部的材料为纸质无纺布；植被层主体包括50份重金属超富集草本植被种子、15份聚丙烯酸钠接枝淀粉和35份肥料，重金属超富集草本植被种子为油菜种子、芥菜种子、艾蒿种子，保水剂为聚丙烯酸钠高吸水树脂，肥料为缓效复合肥。

在本实施例中，效果层1、基质层2和植被层3之间的连接关系为缝合连接。

测试例

将实施例1植生带布设在镉、铅、铜等重金属污染的土壤地块(土壤中镉浓度5mg/kg、铅浓度200mg/kg、铜浓度300mg/kg中，采用田字格方式布设，田字格中每个小格的边长为2m，田字格的每个交点处均设置一个植生带，设置植生带的位点挖坑，然后将植生带放置在坑中，坑的深度和宽度与植生带一致。最后在植生带周边和上面填层薄土。

植生带铺设完成后采用喷洒的方式将植生带浇透。植物出苗生长期要保障水分供应，施工后两个月及入冬前各施一次肥；根据各类草本植物生长特性安排收割管理。

5年后，取土壤测定镉、铅、铜含量，得到镉浓度1mg/kg、铅浓度80mg/kg、铜浓度130mg/kg，由此说明，本发明的植生带可以达到长效修复重金属污染土壤的效果，修复成本低，修复效果好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。