土壤重金属污染生态绿植修复技术研究

张所任

(青岛北洋建筑设计有限公司，山东 青岛 266101)

我国农村地区的土壤问题一直是社会关注的重点环境问题，尤其是在农村地区，大量的耕地减少、土壤重金属污染、土壤盐碱化、水土流失等现象频繁出现，影响了农村的生活环境，严重制约了农村地区的经济发展[1-6]。探究农村地区土壤污染问题的解决方法，有助于乡村振兴以及新农村建设的有序推进[7-9]。结合现阶段乡村旅游的火热态势，对农村污染废弃区域进行土壤生态修复研究具有重要意义。本文主要基于土壤修复的基本方法，以农村某废弃重金属污染区域为主要研究对象，研究了使用紫花苜蓿修复含Cd的土壤的修复效果，提出了植物修复与生物炭吸附相结合的修复方法。基于研究提出的修复方法，设计了适宜研究区实际情况的农业旅游规划方案。研究旨在为后续农村土壤修复以及旅游规划的相关研究提供参考。

1 研究区概况

研究区位于我国西部S省北部某农村废弃矿区区域内，该地区原属于某矿区废弃土地，该地区蜿蜒起伏，呈不规则形状。受矿区开采的影响，该地区土壤污染问题尤为严重，尤其是重金属镉(Cd)的含量明显超标。同时，受开采的影响，该地区原生的植被已经不复存在，现有的植被覆盖率较低，生态多样性水平也不高，生态破坏尤为严重，居民的日常生活受到了严重的影响。

基于上述因素的共同考虑，需要立刻对该地区进行土壤生态修复的研究，提高该地区的土地利用率，进而开展该地区的旅游规划，提高该地区的生态文明建设，促进该地区的经济发展。

研究所使用的修复植物为紫花苜蓿，紫花苜蓿为多年生的豆科草本植物，具有十分发达的根系，可深入地面数十米处[10-12]，其茎部也十分发达，分布枝条最多可有数百条。紫花苜蓿根茎平均高度为1 m左右，分枝众多。紫花苜蓿具有种植范围广、适应性强、抗逆性强等多种特性，在不同类型的气候以及土壤环境下均可正常生长[13-15]。因其根系发达，可以从土壤中吸取大量的元素，并分解磷酸盐，可促进土壤中成分的稳定，用以改良土壤性状。相关研究表明，紫花苜蓿对含Cd较多的土壤具有良好的修复效果，同时还可以改善土壤的理化性质，增加土壤透水性，减少水土流失[16-18]。

本文主要面向农村重金属污染的废弃土地展开研究，针对研究区域存在一定的重金属污染的现实情况，利用紫花苜蓿对被污染的土地进行土壤修复研究。为使试验结果更加科学充分，研究主要采用小区模拟以及实际应用相结合的方法，首先在小区环境内模拟被重金属污染的土壤，使用紫花苜蓿进行修复，以此确定紫花苜蓿的实际应用效果。随后基于试验结果，设计出适宜研究区使用的土壤修复方案。

2 土壤生态修复的主要方法和修复原则

2.1 土壤修复方法

常用的土壤修复方法主要分为物理修复、化学修复以及生物修复3种，具体内容如图1所示。

图1 土壤修复的基本方法

土壤修复中常用的物理修复法包括深耕法、客土法、淋洗法等[8]，物理修复法使用的范围较大，可以将土壤中的污染物较为彻底以及稳定地去除，但是物理方法常常工作量较大，所耗费的成本也较高，而且一旦操作失误可能会产生二次污染[9]。化学法主要是在土壤中添加相应的土壤添加剂进行土壤改良，化学改良剂通过吸附沉淀等化学反应对土壤中的污染物进行去除[10]，化学法操作简单，应用效果持久。生物修复的方法是指利用生物自身的活动进行土壤修复的方法[11]，可以分为动物、植物以及微生物的方法，生物修复方法操作简便、易于推广、成本较低并且没有二次污染[12]。研究重点关注了使用紫花苜蓿进行生物修复的方法。

2.2 土壤修复原则

在进行农业生态设计时，需要遵循以下土壤修复设计原则。

(1)生物多样性原则。在设计时，需要在充分保证当地原有生态群落的基础上，适当加入外来植物，保证外来植物与本土植物和谐共生，构建起稳定多样的植物生态系统，发挥其最大作用[13]。

(2)生态型原则。在进行生态设计时，可以在进行土壤修复的同时结合研究区实际情况，设计出适宜在场地内推行的绿色生态模式[14]。

(3)实际性原则。农业生态设计是农村旅游规划中最为重要的部分，而针对以土壤修复为主的农村景观设计时，更应关注研究区的地理位置、土壤性质、季节因素等自然条件[15]，因地制宜，优先选择适宜地区生长的植物，形成更加稳定的生态群落。同时还应结合当地的经济发展水平以及社会因素，选择更加经济有效的处理方法[16]。

(4)美观性原则。设计时也应该充分考虑到农业景观的艺术性以及美观性，注重植物的搭配组合，体现出最佳的景观效果[17]。

3 研究方法和主要研究指标

试验小区选择在与研究区域气候条件相近的试验基地内，为减少误差，采用可重复随机试验模式，重复3次试验。研究共设3种土壤修复方法，分别为紫花苜蓿修复、生物炭吸附以及紫花苜蓿和生物炭协同使用。研究分别将这3种方法设为1号、2号、3号，同时研究还加入了空白对照组。本研究小区试验的基本情况如图2所示。

图2 小区试验的基本情况

由图2可知，每个试验小区为边长60 cm×60 cm的正方形区域，试验小区间隔为50 cm。

试验土壤中添加的Cd浓度为30 mg/kg，添加的重金属Cd以CdCl2的形式投入进土壤中。在Cd加入土壤后，需要对土壤进行充分的搅拌，随后等待土壤自然风干，破碎土块后进行过筛操作。在正式试验前，需要将制备好的污染土壤进行平衡操作，主要步骤为在土壤中施加适量蒸馏水，并盖上报纸使其避光静置，1周之后方可进行使用。

试验时，挑选大小相等、发育程度基本一致的紫花苜蓿种子，将种子充分消毒后进行催芽处理，随后将其移入试验小区进行试验。而在试验小区中生物炭的投加量为450 kg/hm2，其基本性质见表1。

表1 生物炭基本理化性质

研究主要测量指标为植物生物量、紫花苜蓿植株与土壤Cd含量、土壤Cd形态以及土壤基本理化性质。测定植物样品前，需要对紫花苜蓿的地上地下部分分别收集，将样品洗净烘干，随后进行研磨过筛操作。测定土壤样品前，需要对其进行过筛消解操作。主要使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)来测定Cd含量，用pH仪测定土壤中的pH值，土壤中Cd形态的测定方法主要使用Tessier连续分级测定法。

3.1 试验土壤基本理化性质的变化

试验土壤主要为厚0～30 cm的表层土壤，其主要理化指标见表2。

表2 试验土壤的基本理化指标

由表2可知，该土壤的pH值为8.21，属于碱性土壤。研究分析了使用不同方法处理后土壤pH值的变化，具体结果如图3所示。

图3 处理前后土壤pH值的变化

由图3可知，使用单独紫花苜蓿修复后，土壤的pH值由8.21上升到了8.54，而使用生物炭处理后，土壤的pH值下降趋势明显，为6.43；而在协同处理后，土壤的pH值为6.87左右，呈现出了小幅下降的趋势。

3.2 紫花苜蓿生物量的变化

研究分别测定了使用1号以及3号处理方法后紫花苜蓿的地上株高以及地下根长，具体结果如图4所示。

图4 紫花苜蓿的株高和根长的测量结果

由图4结果可知，使用1号处理方法后紫花苜蓿的平均地上株高为3.85 cm，平均地下根长为3.51 cm；3号处理方法后紫花苜蓿的平均地上株高为5.84 cm，平均地下根长为4.67 cm。同时，研究还对处理后紫花苜蓿的干重以及瘤子数进行了测量，具体结果如图5所示。

图5 紫花苜蓿的干重和瘤子数

由图5可知，使用1号方法以及3号处理后紫花苜蓿的干重分别为5.48 mg和8.98 mg，瘤子数分别为0.37个以及1.61个。

综合上述数据结果可知，Cd对紫花苜蓿的生长情况均有显著的影响，使用3号协同方法可有效提高紫花苜蓿的干重以及植株长度。

3.3 Cd含量的变化

研究还对紫花苜蓿的Cd含量进行了检测，同样分为地上部分以及地下部分2个方面来进行检测，具体结果如图6所示。

图6 紫花苜蓿中的Cd含量

由图6可知，使用1号方法处理后，紫花苜蓿地上植株中Cd的含量为6.43 mg/kg，地下根系中Cd的含量为35.42 mg/kg；使用3号方法处理后，紫花苜蓿地上植株中Cd的含量为5.12 mg/kg，地下根系中Cd的含量为22.05 mg/kg。使用协同处理后，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，证明土壤中部分Cd被生物炭所吸附，导致紫花苜蓿中的Cd含量偏少。

研究还测定了使用不同方法处理后土壤中Cd的含量，具体结果如图7所示。由图7可知，空白对照组中土壤的Cd值为29.96 mg/kg，经过1号、2号、3号3种方法分别处理后土壤中的Cd含量分别为27.31、28.19、25.41 mg/kg。通过上述结果可知，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减少土壤中Cd的含量，起到一定的生态修复作用，但是去除效果较差，Cd的降解率仅为8.85%和5.91%；将两者协同使用时土壤中Cd的含量显著降低，降解率达到了15.18%，使用3号协同方法修复优势明显，效果显著。

图7 土壤中Cd的含量

3.4 土壤中不同形态的Cd赋存情况

研究针对修复处理后土壤中不同形态的Cd赋存情况进行了测定，具体结果如图8所示。

图8 土壤中不同形态的Cd含量

由图8可知，使用种植紫花苜蓿以及生物炭吸附的方法均可以减少土壤中有效态的Cd含量，使用3种方法后土壤中总有效态的Cd含量分别降低了14.21%、13.46%以及41.48%。使用协同方法呈现出较为显著的降解优势。

综合上述试验结果可知，使用种植紫花苜蓿协同生物炭修复的方法可以有效降低土壤中Cd的含量，该方法土壤修复效果良好，无二次污染，成本较低，具有一定的经济效益以及应用价值。因此，可以在研究区的土壤修复中应用。

4 研究区植物生态修复设计

基于上述试验结果可知，使用紫花苜蓿修复以及生物炭吸附的方法可以有效改善土壤肥力，降低研究区土壤的重金属污染。因此，在进行植物生态修复设计时，以紫花苜蓿等豆科植物为主要的修复植物，同时结合生物炭使用。除此之外，由于研究区的土壤土壤肥力较差，需要向土壤中施加一定氮肥以及磷肥，而豆科植物的种植也可以起到生物固氮作用。除此方法外，还将在土壤中施加一定量的作物秸秆以及人工绿肥等生物肥料，进一步提高土壤中有机质的含量。

基于研究区的实际情况以及旅游规划的基本要求，将研究区规划为生态旅游畜牧园区，该生态区主要分为3个部分，具体规划内容见表3。

表3 研究区生态规划具体内容

由表3可知，在该生态区的东部坡度较大，适宜种植樟子松、杨树、紫穗槐等可以起到防风固沙效果的植物。2号区域为Cd污染较为严重的区域，以紫花苜蓿等豆科植物种植为主，同时可以兼具种植一些接骨木、月季、垂柳、金盏菊等植物，在修复重金属土壤的同时起到美化环境的效果。3号区域为研究区的边界区域，需要起到隔离防护的作用，在此区域内种植油松、垂柳等植物，作为隔离防护带。

5 结论

研究基于小区试验以及实际调查相结合的方法，主要对研究区域内的土壤污染情况进行了调查，得出了土壤的基本理化性质以及主要污染物。研究提出了使用紫花苜蓿的植物修复方法与生物炭吸附相结合的修复方法，研究结果发现，单独使用紫花苜蓿修复或生物炭修复的方法，虽然可以起到一定的土壤修复作用，但是修复效果较差，单独使用该两种方法后土壤中的Cd的降解率仅为8.85%和5.91%。使用紫花苜蓿修复和生物炭修复协同方法后，土壤中Cd的降解率提高到了15.18%，表明协同方法修复效果良好。协同方法对土壤中总有效态Cd的去除效果高于其他2种方法，总有效态Cd的含量降低了41.48%。基于试验结果，研究设计了基于种植紫花苜蓿协同生物炭修复研究区旅游设计方案，该方案将研究区分为3个功能区，分别种植不同的植物，改善了土壤污染情况，提高了研究区的生物多样性，具有实际的参考价值。在后续研究中，将进一步扩大修复植物的研究范围，提高土壤修复效果。