土壤重金屬污染生態綠植修復技術研究

張所任

(青島北洋建筑設計有限公司，山東 青島 266101)

我國農村地區的土壤問題一直是社會關注的重點環境問題，尤其是在農村地區，大量的耕地減少、土壤重金屬污染、土壤鹽堿化、水土流失等現象頻繁出現，影響了農村的生活環境，嚴重制約了農村地區的經濟發展[1-6]。探究農村地區土壤污染問題的解決方法，有助于鄉村振興以及新農村建設的有序推進[7-9]。結合現階段鄉村旅游的火熱態勢，對農村污染廢棄區域進行土壤生態修復研究具有重要意義。本文主要基于土壤修復的基本方法，以農村某廢棄重金屬污染區域為主要研究對象，研究了使用紫花苜蓿修復含Cd的土壤的修復效果，提出了植物修復與生物炭吸附相結合的修復方法。基于研究提出的修復方法，設計了適宜研究區實際情況的農業旅游規劃方案。研究旨在為后續農村土壤修復以及旅游規劃的相關研究提供參考。

1 研究區概況

研究區位于我國西部S省北部某農村廢棄礦區區域內，該地區原屬于某礦區廢棄土地，該地區蜿蜒起伏，呈不規則形狀。受礦區開采的影響，該地區土壤污染問題尤為嚴重，尤其是重金屬鎘(Cd)的含量明顯超標。同時，受開采的影響，該地區原生的植被已經不復存在，現有的植被覆蓋率較低，生態多樣性水平也不高，生態破壞尤為嚴重，居民的日常生活受到了嚴重的影響。

基于上述因素的共同考慮，需要立刻對該地區進行土壤生態修復的研究，提高該地區的土地利用率，進而開展該地區的旅游規劃，提高該地區的生態文明建設，促進該地區的經濟發展。

研究所使用的修復植物為紫花苜蓿，紫花苜蓿為多年生的豆科草本植物，具有十分發達的根系，可深入地面數十米處[10-12]，其莖部也十分發達，分布枝條最多可有數百條。紫花苜蓿根莖平均高度為1 m左右，分枝眾多。紫花苜蓿具有種植范圍廣、適應性強、抗逆性強等多種特性，在不同類型的氣候以及土壤環境下均可正常生長[13-15]。因其根系發達，可以從土壤中吸取大量的元素，并分解磷酸鹽，可促進土壤中成分的穩定，用以改良土壤性狀。相關研究表明，紫花苜蓿對含Cd較多的土壤具有良好的修復效果，同時還可以改善土壤的理化性質，增加土壤透水性，減少水土流失[16-18]。

本文主要面向農村重金屬污染的廢棄土地展開研究，針對研究區域存在一定的重金屬污染的現實情況，利用紫花苜蓿對被污染的土地進行土壤修復研究。為使試驗結果更加科學充分，研究主要采用小區模擬以及實際應用相結合的方法，首先在小區環境內模擬被重金屬污染的土壤，使用紫花苜蓿進行修復，以此確定紫花苜蓿的實際應用效果。隨后基于試驗結果，設計出適宜研究區使用的土壤修復方案。

2 土壤生態修復的主要方法和修復原則

2.1 土壤修復方法

常用的土壤修復方法主要分為物理修復、化學修復以及生物修復3種，具體內容如圖1所示。

圖1 土壤修復的基本方法

土壤修復中常用的物理修復法包括深耕法、客土法、淋洗法等[8]，物理修復法使用的范圍較大，可以將土壤中的污染物較為徹底以及穩定地去除，但是物理方法常常工作量較大，所耗費的成本也較高，而且一旦操作失誤可能會產生二次污染[9]。化學法主要是在土壤中添加相應的土壤添加劑進行土壤改良，化學改良劑通過吸附沉淀等化學反應對土壤中的污染物進行去除[10]，化學法操作簡單，應用效果持久。生物修復的方法是指利用生物自身的活動進行土壤修復的方法[11]，可以分為動物、植物以及微生物的方法，生物修復方法操作簡便、易于推廣、成本較低并且沒有二次污染[12]。研究重點關注了使用紫花苜蓿進行生物修復的方法。

2.2 土壤修復原則

在進行農業生態設計時，需要遵循以下土壤修復設計原則。

(1)生物多樣性原則。在設計時，需要在充分保證當地原有生態群落的基礎上，適當加入外來植物，保證外來植物與本土植物和諧共生，構建起穩定多樣的植物生態系統，發揮其最大作用[13]。

(2)生態型原則。在進行生態設計時，可以在進行土壤修復的同時結合研究區實際情況，設計出適宜在場地內推行的綠色生態模式[14]。

(3)實際性原則。農業生態設計是農村旅游規劃中最為重要的部分，而針對以土壤修復為主的農村景觀設計時，更應關注研究區的地理位置、土壤性質、季節因素等自然條件[15]，因地制宜，優先選擇適宜地區生長的植物，形成更加穩定的生態群落。同時還應結合當地的經濟發展水平以及社會因素，選擇更加經濟有效的處理方法[16]。

(4)美觀性原則。設計時也應該充分考慮到農業景觀的藝術性以及美觀性，注重植物的搭配組合，體現出最佳的景觀效果[17]。

3 研究方法和主要研究指標

試驗小區選擇在與研究區域氣候條件相近的試驗基地內，為減少誤差，采用可重復隨機試驗模式，重復3次試驗。研究共設3種土壤修復方法，分別為紫花苜蓿修復、生物炭吸附以及紫花苜蓿和生物炭協同使用。研究分別將這3種方法設為1號、2號、3號，同時研究還加入了空白對照組。本研究小區試驗的基本情況如圖2所示。

圖2 小區試驗的基本情況

由圖2可知，每個試驗小區為邊長60 cm×60 cm的正方形區域，試驗小區間隔為50 cm。

試驗土壤中添加的Cd濃度為30 mg/kg，添加的重金屬Cd以CdCl2的形式投入進土壤中。在Cd加入土壤后，需要對土壤進行充分的攪拌，隨后等待土壤自然風干，破碎土塊后進行過篩操作。在正式試驗前，需要將制備好的污染土壤進行平衡操作，主要步驟為在土壤中施加適量蒸餾水，并蓋上報紙使其避光靜置，1周之后方可進行使用。

試驗時，挑選大小相等、發育程度基本一致的紫花苜蓿種子，將種子充分消毒后進行催芽處理，隨后將其移入試驗小區進行試驗。而在試驗小區中生物炭的投加量為450 kg/hm2，其基本性質見表1。

表1 生物炭基本理化性質

研究主要測量指標為植物生物量、紫花苜蓿植株與土壤Cd含量、土壤Cd形態以及土壤基本理化性質。測定植物樣品前，需要對紫花苜蓿的地上地下部分分別收集，將樣品洗凈烘干，隨后進行研磨過篩操作。測定土壤樣品前，需要對其進行過篩消解操作。主要使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-AES)來測定Cd含量，用pH儀測定土壤中的pH值，土壤中Cd形態的測定方法主要使用Tessier連續分級測定法。

3.1 試驗土壤基本理化性質的變化

試驗土壤主要為厚0～30 cm的表層土壤，其主要理化指標見表2。

表2 試驗土壤的基本理化指標

由表2可知，該土壤的pH值為8.21，屬于堿性土壤。研究分析了使用不同方法處理后土壤pH值的變化，具體結果如圖3所示。

圖3 處理前后土壤pH值的變化

由圖3可知，使用單獨紫花苜蓿修復后，土壤的pH值由8.21上升到了8.54，而使用生物炭處理后，土壤的pH值下降趨勢明顯，為6.43；而在協同處理后，土壤的pH值為6.87左右，呈現出了小幅下降的趨勢。

3.2 紫花苜蓿生物量的變化

研究分別測定了使用1號以及3號處理方法后紫花苜蓿的地上株高以及地下根長，具體結果如圖4所示。

圖4 紫花苜蓿的株高和根長的測量結果

由圖4結果可知，使用1號處理方法后紫花苜蓿的平均地上株高為3.85 cm，平均地下根長為3.51 cm；3號處理方法后紫花苜蓿的平均地上株高為5.84 cm，平均地下根長為4.67 cm。同時，研究還對處理后紫花苜蓿的干重以及瘤子數進行了測量，具體結果如圖5所示。

圖5 紫花苜蓿的干重和瘤子數

由圖5可知，使用1號方法以及3號處理后紫花苜蓿的干重分別為5.48 mg和8.98 mg，瘤子數分別為0.37個以及1.61個。

綜合上述數據結果可知，Cd對紫花苜蓿的生長情況均有顯著的影響，使用3號協同方法可有效提高紫花苜蓿的干重以及植株長度。

3.3 Cd含量的變化

研究還對紫花苜蓿的Cd含量進行了檢測，同樣分為地上部分以及地下部分2個方面來進行檢測，具體結果如圖6所示。

圖6 紫花苜蓿中的Cd含量

由圖6可知，使用1號方法處理后，紫花苜蓿地上植株中Cd的含量為6.43 mg/kg，地下根系中Cd的含量為35.42 mg/kg；使用3號方法處理后，紫花苜蓿地上植株中Cd的含量為5.12 mg/kg，地下根系中Cd的含量為22.05 mg/kg。使用協同處理后，紫花苜蓿地上植株的Cd含量降低了1.31 mg/kg，地下根系的Cd含量降低了13.37 mg/kg，證明土壤中部分Cd被生物炭所吸附，導致紫花苜蓿中的Cd含量偏少。

研究還測定了使用不同方法處理后土壤中Cd的含量，具體結果如圖7所示。由圖7可知，空白對照組中土壤的Cd值為29.96 mg/kg，經過1號、2號、3號3種方法分別處理后土壤中的Cd含量分別為27.31、28.19、25.41 mg/kg。通過上述結果可知，使用紫花苜蓿以及生物炭吸附的方法均可以在一定程度上減少土壤中Cd的含量，起到一定的生態修復作用，但是去除效果較差，Cd的降解率僅為8.85%和5.91%；將兩者協同使用時土壤中Cd的含量顯著降低，降解率達到了15.18%，使用3號協同方法修復優勢明顯，效果顯著。

圖7 土壤中Cd的含量

3.4 土壤中不同形態的Cd賦存情況

研究針對修復處理后土壤中不同形態的Cd賦存情況進行了測定，具體結果如圖8所示。

圖8 土壤中不同形態的Cd含量

由圖8可知，使用種植紫花苜蓿以及生物炭吸附的方法均可以減少土壤中有效態的Cd含量，使用3種方法后土壤中總有效態的Cd含量分別降低了14.21%、13.46%以及41.48%。使用協同方法呈現出較為顯著的降解優勢。

綜合上述試驗結果可知，使用種植紫花苜蓿協同生物炭修復的方法可以有效降低土壤中Cd的含量，該方法土壤修復效果良好，無二次污染，成本較低，具有一定的經濟效益以及應用價值。因此，可以在研究區的土壤修復中應用。

4 研究區植物生態修復設計

基于上述試驗結果可知，使用紫花苜蓿修復以及生物炭吸附的方法可以有效改善土壤肥力，降低研究區土壤的重金屬污染。因此，在進行植物生態修復設計時，以紫花苜蓿等豆科植物為主要的修復植物，同時結合生物炭使用。除此之外，由于研究區的土壤土壤肥力較差，需要向土壤中施加一定氮肥以及磷肥，而豆科植物的種植也可以起到生物固氮作用。除此方法外，還將在土壤中施加一定量的作物秸稈以及人工綠肥等生物肥料，進一步提高土壤中有機質的含量。

基于研究區的實際情況以及旅游規劃的基本要求，將研究區規劃為生態旅游畜牧園區，該生態區主要分為3個部分，具體規劃內容見表3。

表3 研究區生態規劃具體內容

由表3可知，在該生態區的東部坡度較大，適宜種植樟子松、楊樹、紫穗槐等可以起到防風固沙效果的植物。2號區域為Cd污染較為嚴重的區域，以紫花苜蓿等豆科植物種植為主，同時可以兼具種植一些接骨木、月季、垂柳、金盞菊等植物，在修復重金屬土壤的同時起到美化環境的效果。3號區域為研究區的邊界區域，需要起到隔離防護的作用，在此區域內種植油松、垂柳等植物，作為隔離防護帶。

5 結論

研究基于小區試驗以及實際調查相結合的方法，主要對研究區域內的土壤污染情況進行了調查，得出了土壤的基本理化性質以及主要污染物。研究提出了使用紫花苜蓿的植物修復方法與生物炭吸附相結合的修復方法，研究結果發現，單獨使用紫花苜蓿修復或生物炭修復的方法，雖然可以起到一定的土壤修復作用，但是修復效果較差，單獨使用該兩種方法后土壤中的Cd的降解率僅為8.85%和5.91%。使用紫花苜蓿修復和生物炭修復協同方法后，土壤中Cd的降解率提高到了15.18%，表明協同方法修復效果良好。協同方法對土壤中總有效態Cd的去除效果高于其他2種方法，總有效態Cd的含量降低了41.48%。基于試驗結果，研究設計了基于種植紫花苜蓿協同生物炭修復研究區旅游設計方案，該方案將研究區分為3個功能區，分別種植不同的植物，改善了土壤污染情況，提高了研究區的生物多樣性，具有實際的參考價值。在后續研究中，將進一步擴大修復植物的研究范圍，提高土壤修復效果。