張所任

(青島北洋建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266101)

我國農(nóng)村地區(qū)的土壤問題一直是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)境問題，尤其是在農(nóng)村地區(qū)，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(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，影響了農(nóng)村的生活環(huán)境，嚴(yán)重制約了農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-6]。探究農(nóng)村地區(qū)土壤污染問題的解決方法，有助于鄉(xiāng)村振興以及新農(nóng)村建設(shè)的有序推進(jìn)[7-9]。結(jié)合現(xiàn)階段鄉(xiāng)村旅游的火熱態(tài)勢(shì)，對(duì)農(nóng)村污染廢棄區(qū)域進(jìn)行土壤生態(tài)修復(fù)研究具有重要意義。本文主要基于土壤修復(fù)的基本方法，以農(nóng)村某廢棄重金屬污染區(qū)域?yàn)橹饕芯繉?duì)象，研究了使用紫花苜蓿修復(fù)含Cd的土壤的修復(fù)效果，提出了植物修復(fù)與生物炭吸附相結(jié)合的修復(fù)方法?；谘芯刻岢龅男迯?fù)方法，設(shè)計(jì)了適宜研究區(qū)實(shí)際情況的農(nóng)業(yè)旅游規(guī)劃方案。研究旨在為后續(xù)農(nóng)村土壤修復(fù)以及旅游規(guī)劃的相關(guān)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國西部S省北部某農(nóng)村廢棄礦區(qū)區(qū)域內(nèi)，該地區(qū)原屬于某礦區(qū)廢棄土地，該地區(qū)蜿蜒起伏，呈不規(guī)則形狀。受礦區(qū)開采的影響，該地區(qū)土壤污染問題尤為嚴(yán)重，尤其是重金屬鎘(Cd)的含量明顯超標(biāo)。同時(shí)，受開采的影響，該地區(qū)原生的植被已經(jīng)不復(fù)存在，現(xiàn)有的植被覆蓋率較低，生態(tài)多樣性水平也不高，生態(tài)破壞尤為嚴(yán)重，居民的日常生活受到了嚴(yán)重的影響。

基于上述因素的共同考慮，需要立刻對(duì)該地區(qū)進(jìn)行土壤生態(tài)修復(fù)的研究，提高該地區(qū)的土地利用率，進(jìn)而開展該地區(qū)的旅游規(guī)劃，提高該地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

研究所使用的修復(fù)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(fā)達(dá)的根系，可深入地面數(shù)十米處[10-12]，其莖部也十分發(fā)達(dá)，分布枝條最多可有數(shù)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(yīng)性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)等多種特性，在不同類型的氣候以及土壤環(huán)境下均可正常生長[13-15]。因其根系發(fā)達(dá)，可以從土壤中吸取大量的元素，并分解磷酸鹽，可促進(jìn)土壤中成分的穩(wěn)定，用以改良土壤性狀。相關(guān)研究表明，紫花苜蓿對(duì)含Cd較多的土壤具有良好的修復(fù)效果，同時(shí)還可以改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤透水性，減少水土流失[16-18]。

本文主要面向農(nóng)村重金屬污染的廢棄土地展開研究，針對(duì)研究區(qū)域存在一定的重金屬污染的現(xiàn)實(shí)情況，利用紫花苜蓿對(duì)被污染的土地進(jìn)行土壤修復(fù)研究。為使試驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)充分，研究主要采用小區(qū)模擬以及實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方法，首先在小區(qū)環(huán)境內(nèi)模擬被重金屬污染的土壤，使用紫花苜蓿進(jìn)行修復(fù)，以此確定紫花苜蓿的實(shí)際應(yīng)用效果。隨后基于試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)出適宜研究區(qū)使用的土壤修復(fù)方案。

2 土壤生態(tài)修復(fù)的主要方法和修復(fù)原則

2.1 土壤修復(fù)方法

常用的土壤修復(fù)方法主要分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及生物修復(fù)3種，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 土壤修復(fù)的基本方法

土壤修復(fù)中常用的物理修復(fù)法包括深耕法、客土法、淋洗法等[8]，物理修復(fù)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(wěn)定地去除，但是物理方法常常工作量較大，所耗費(fèi)的成本也較高，而且一旦操作失誤可能會(huì)產(chǎn)生二次污染[9]?；瘜W(xué)法主要是在土壤中添加相應(yīng)的土壤添加劑進(jìn)行土壤改良，化學(xué)改良劑通過吸附沉淀等化學(xué)反應(yīng)對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行去除[10]，化學(xué)法操作簡單，應(yīng)用效果持久。生物修復(fù)的方法是指利用生物自身的活動(dòng)進(jìn)行土壤修復(fù)的方法[11]，可以分為動(dòng)物、植物以及微生物的方法，生物修復(fù)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(diǎn)關(guān)注了使用紫花苜蓿進(jìn)行生物修復(fù)的方法。

2.2 土壤修復(fù)原則

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下土壤修復(fù)設(shè)計(jì)原則。

(1)生物多樣性原則。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要在充分保證當(dāng)?shù)卦猩鷳B(tài)群落的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入外來植物，保證外來植物與本土植物和諧共生，構(gòu)建起穩(wěn)定多樣的植物生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮其最大作用[13]。

(2)生態(tài)型原則。在進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可以在進(jìn)行土壤修復(fù)的同時(shí)結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出適宜在場地內(nèi)推行的綠色生態(tài)模式[14]。

(3)實(shí)際性原則。農(nóng)業(yè)生態(tài)設(shè)計(jì)是農(nóng)村旅游規(guī)劃中最為重要的部分，而針對(duì)以土壤修復(fù)為主的農(nóng)村景觀設(shè)計(jì)時(shí)，更應(yīng)關(guān)注研究區(qū)的地理位置、土壤性質(zhì)、季節(jié)因素等自然條件[15]，因地制宜，優(yōu)先選擇適宜地區(qū)生長的植物，形成更加穩(wěn)定的生態(tài)群落。同時(shí)還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及社會(huì)因素，選擇更加經(jīng)濟(jì)有效的處理方法[16]。

(4)美觀性原則。設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該充分考慮到農(nóng)業(yè)景觀的藝術(shù)性以及美觀性，注重植物的搭配組合，體現(xiàn)出最佳的景觀效果[17]。

3 研究方法和主要研究指標(biāo)

試驗(yàn)小區(qū)選擇在與研究區(qū)域氣候條件相近的試驗(yàn)基地內(nèi)，為減少誤差，采用可重復(fù)隨機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，重?fù)3次試驗(yàn)。研究共設(shè)3種土壤修復(fù)方法，分別為紫花苜蓿修復(fù)、生物炭吸附以及紫花苜蓿和生物炭協(xié)同使用。研究分別將這3種方法設(shè)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，同時(shí)研究還加入了空白對(duì)照組。本研究小區(qū)試驗(yàn)的基本情況如圖2所示。

圖2 小區(qū)試驗(yàn)的基本情況

由圖2可知，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為邊長60 cm×60 cm的正方形區(qū)域，試驗(yàn)小區(qū)間隔為50 cm。

試驗(yàn)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(jìn)土壤中。在Cd加入土壤后，需要對(duì)土壤進(jìn)行充分的攪拌，隨后等待土壤自然風(fēng)干，破碎土塊后進(jìn)行過篩操作。在正式試驗(yàn)前，需要將制備好的污染土壤進(jìn)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(bào)紙使其避光靜置，1周之后方可進(jìn)行使用。

試驗(yàn)時(shí)，挑選大小相等、發(fā)育程度基本一致的紫花苜蓿種子，將種子充分消毒后進(jìn)行催芽處理，隨后將其移入試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。而在試驗(yàn)小區(qū)中生物炭的投加量為450 kg/hm2，其基本性質(zhì)見表1。

表1 生物炭基本理化性質(zhì)

研究主要測量指標(biāo)為植物生物量、紫花苜蓿植株與土壤Cd含量、土壤Cd形態(tài)以及土壤基本理化性質(zhì)。測定植物樣品前，需要對(duì)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(jìn)行研磨過篩操作。測定土壤樣品前，需要對(duì)其進(jìn)行過篩消解操作。主要使用電感耦合等離子體發(fā)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(tài)的測定方法主要使用Tessier連續(xù)分級(jí)測定法。

3.1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)的變化

試驗(yàn)土壤主要為厚0～30 cm的表層土壤，其主要理化指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)土壤的基本理化指標(biāo)

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(jié)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(dú)紫花苜蓿修復(fù)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(shì)明顯，為6.43；而在協(xié)同處理后，土壤的pH值為6.87左右，呈現(xiàn)出了小幅下降的趨勢(shì)。

3.2 紫花苜蓿生物量的變化

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

圖4 紫花苜蓿的株高和根長的測量結(jié)果

由圖4結(jié)果可知，使用1號(hào)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(hào)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(shí)，研究還對(duì)處理后紫花苜蓿的干重以及瘤子數(shù)進(jìn)行了測量，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 紫花苜蓿的干重和瘤子數(shù)

由圖5可知，使用1號(hào)方法以及3號(hào)處理后紫花苜蓿的干重分別為5.48 mg和8.98 mg，瘤子數(shù)分別為0.37個(gè)以及1.61個(gè)。

綜合上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知，Cd對(duì)紫花苜蓿的生長情況均有顯著的影響，使用3號(hào)協(xié)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(duì)紫花苜蓿的Cd含量進(jìn)行了檢測，同樣分為地上部分以及地下部分2個(gè)方面來進(jìn)行檢測，具體結(jié)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(hào)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(hào)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(xié)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(dǎo)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(jié)果如圖7所示。由圖7可知，空白對(duì)照組中土壤的Cd值為29.96 mg/kg，經(jīng)過1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)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(jié)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(tài)修復(fù)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(xié)同使用時(shí)土壤中Cd的含量顯著降低，降解率達(dá)到了15.18%，使用3號(hào)協(xié)同方法修復(fù)優(yōu)勢(shì)明顯，效果顯著。

圖7 土壤中Cd的含量

3.4 土壤中不同形態(tài)的Cd賦存情況

研究針對(duì)修復(fù)處理后土壤中不同形態(tài)的Cd賦存情況進(jìn)行了測定，具體結(jié)果如圖8所示。

圖8 土壤中不同形態(tài)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(tài)的Cd含量，使用3種方法后土壤中總有效態(tài)的Cd含量分別降低了14.21%、13.46%以及41.48%。使用協(xié)同方法呈現(xiàn)出較為顯著的降解優(yōu)勢(shì)。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，使用種植紫花苜蓿協(xié)同生物炭修復(fù)的方法可以有效降低土壤中Cd的含量，該方法土壤修復(fù)效果良好，無二次污染，成本較低，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益以及應(yīng)用價(jià)值。因此，可以在研究區(qū)的土壤修復(fù)中應(yīng)用。

4 研究區(qū)植物生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)

基于上述試驗(yàn)結(jié)果可知，使用紫花苜蓿修復(fù)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(qū)土壤的重金屬污染。因此，在進(jìn)行植物生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)，以紫花苜蓿等豆科植物為主要的修復(fù)植物，同時(shí)結(jié)合生物炭使用。除此之外，由于研究區(qū)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(jìn)一步提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量。

基于研究區(qū)的實(shí)際情況以及旅游規(guī)劃的基本要求，將研究區(qū)規(guī)劃為生態(tài)旅游畜牧園區(qū)，該生態(tài)區(qū)主要分為3個(gè)部分，具體規(guī)劃內(nèi)容見表3。

表3 研究區(qū)生態(tài)規(guī)劃具體內(nèi)容

由表3可知，在該生態(tài)區(qū)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(fēng)固沙效果的植物。2號(hào)區(qū)域?yàn)镃d污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，以紫花苜蓿等豆科植物種植為主，同時(shí)可以兼具種植一些接骨木、月季、垂柳、金盞菊等植物，在修復(fù)重金屬土壤的同時(shí)起到美化環(huán)境的效果。3號(hào)區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)的邊界區(qū)域，需要起到隔離防護(hù)的作用，在此區(qū)域內(nèi)種植油松、垂柳等植物，作為隔離防護(hù)帶。

5 結(jié)論

研究基于小區(qū)試驗(yàn)以及實(shí)際調(diào)查相結(jié)合的方法，主要對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的土壤污染情況進(jìn)行了調(diào)查，得出了土壤的基本理化性質(zhì)以及主要污染物。研究提出了使用紫花苜蓿的植物修復(fù)方法與生物炭吸附相結(jié)合的修復(fù)方法，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用紫花苜蓿修復(fù)或生物炭修復(fù)的方法，雖然可以起到一定的土壤修復(fù)作用，但是修復(fù)效果較差，單獨(dú)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(fù)和生物炭修復(fù)協(xié)同方法后，土壤中Cd的降解率提高到了15.18%，表明協(xié)同方法修復(fù)效果良好。協(xié)同方法對(duì)土壤中總有效態(tài)Cd的去除效果高于其他2種方法，總有效態(tài)Cd的含量降低了41.48%?；谠囼?yàn)結(jié)果，研究設(shè)計(jì)了基于種植紫花苜蓿協(xié)同生物炭修復(fù)研究區(qū)旅游設(shè)計(jì)方案，該方案將研究區(qū)分為3個(gè)功能區(qū)，分別種植不同的植物，改善了土壤污染情況，提高了研究區(qū)的生物多樣性，具有實(shí)際的參考價(jià)值。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步擴(kuò)大修復(fù)植物的研究范圍，提高土壤修復(fù)效果。