一种生物炭强化菖蒲修复砷污染湿地土壤的方法

本发明属于土壤重金属污染修复，具体涉及一种生物炭强化菖蒲修复砷污染湿地土壤的方法。

背景技术：

1、随着工业化和城市化的发展，我国砷矿开采活动日益频繁，砷渣大量堆放并以各种形式逸散，致使尾矿区及周边土壤环境被严重污染。湿地作为陆源污染物的汇集地，相比陆地环境更易遭受砷污染，目前对湿地土壤砷污染的去除方法主要可分为生物修复、电或物理修复以及化学修复。生物修复是指通过动植物或微生物的自身代谢来达到降低砷的生物有效性或浓度的方法，其中，植物修复是在污染地种植高积累特异性植物，对土壤中的重金属进行吸收、固定、转化，兼顾了环境友好性和观赏性，是一种快速恢复污染地生态的方法。

2、利用植物修复土壤砷污染，需要根据污染地的气候、地形、土壤和水文因素选择适合的修复植物，菖蒲(acorus calamus l.)生性粗放且具有强大的根须，适应能力强，是湿地水生植物中的优势物种，且对砷具有较好的耐性和吸收功能。然而，在实际应用中，尾矿区的土壤由于缺乏营养元素而普遍肥力偏低，水土保持能力较差，这会导致修复植物生物量积累缓慢，修复效率降低；同时，土壤中生物可利用性砷的耗竭，也会使修复效率随时间延长而降低，因此，需要与其他修复方法联合，强化菖蒲砷修复效率。中国专利“一种利用植物-微生物联合修复砷污染土壤的方法”(公开号：cn109092873a)采用植物-微生物联合方法修复砷污染土壤，然而该方法受环境影响较大，且高效菌株较难发掘，在实际场地的应用中缺乏前景。

3、生物炭是一种廉价易得的土壤改良材料，化学性质稳定，能够调节土壤ph、增强土壤持水能力和肥力，并且生物炭自身的醌基等结构具有氧化还原活性，可以促进土壤中含砷矿物的解离，或促进砷和土壤中的铁氧化物结合，从而调节土壤中砷的赋存形态和再分配特征。然而，大多数原生生物炭表面带负电荷，土壤中的砷也主要以阴离子形式存在，如砷酸盐或亚砷酸盐，这就使其对无机砷吸附率偏低，需要通过各种方法改性或修饰原生生物炭，提高其对土壤中砷的吸附能力。铁基材料具有吸附能力强、表面电荷高并且易分离的优点，对砷的吸附性能也较好，因此，铁改性生物炭材料可以结合二者的优点。中国专利“一种生物炭强化娱蚣草修复砷污染土壤的方法”(公开号：cn116689470a)，利用生物炭提高了蜈蚣草对土壤砷污染的修复效率，但是蜈蚣草在湿地淹水土壤中生长受限，不适宜作为修复植物。针对不同的土壤类型和修复植物，需探明生物炭添加量对土壤砷赋存形态的调控和对菖蒲砷修复效率的影响，进一步加深对于植物-化学材料联用修复土壤砷污染的认识。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生物炭强化菖蒲修复砷污染湿地土壤的方法，针对尾矿区湿地环境下的土壤砷污染，本发明选择挺水植物菖蒲作为修复植物，并施用不同质量比的原生生物炭和铁改性生物炭，改善土壤基质，调控土壤砷赋存形态，以强化菖蒲对湿地土壤砷污染的修复效率。探明了生物炭材料与修复植物的相互作用机制，明确了不同类型的生物炭与菖蒲联用修复土壤砷污染时的最佳添加量，使本领域从业者对生物炭与植物修复联用修复土壤砷污染的认识更加全面。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本发明一种生物炭强化菖蒲修复砷污染湿地土壤的方法，向砷污染土壤中加入生物炭，混合均匀获得含生物炭的砷污染土壤，将未受污染的菖蒲植株移栽于所述砷污染土壤中，生长50天以上后，收获菖蒲；

4、所述生物炭为原生生物炭或载铁生物炭，所述生物炭的加入量为砷污染土壤质量的0.5～4％。

5、本发明的方法，选择天南星科植物菖蒲作为修复植物，其能适应湿地生境，并且对砷有较好的耐性和吸收功能，同时利用生物炭材料改善土壤基质，提高土壤肥力和酶活性，从而促进修复植物菖蒲的生物量积累，有效促进了菖蒲对砷的吸收，提高了菖蒲对根际土壤中砷的去除率。

6、优选地，所述砷污染土壤先于阴凉干燥处自然平衡一个月。

7、优选地，所述砷污染土壤中，砷的浓度为40～50mg/kg。

8、优选地，所述原生生物炭和载铁生物炭的原料为玉米秸秆。

9、优选地，所述原生生物炭的制备方法为：将玉米秸秆剪碎并烘干后，于500～600℃限氧热解，最后过100目筛即可。

10、优选地，所述载铁生物炭的制备方法为：将原生生物炭浸渍于fecl3·6h2o溶液中，调节fecl3·6h2o溶液的ph为7.0～7.5，磁力搅拌1～2h后静置24h以上；固液分离，获得浸渍后的生物炭，再将浸渍后的生物炭进行于500～600℃煅烧2～4h即得载铁生物炭。

11、在实际操作过程中，将浸渍后的生物炭用去离子水清洗3次，再于烘箱中于90℃烘干6h获得烘干后的生物炭，然而置于马弗炉中煅烧。

12、进一步的优选，所述原生生物炭与fecl3·6h2o溶液的固液质量体积比为1g:10～20ml，所述fecl3·6h2o溶液的浓度为0.5～1.0mol/l。

13、优选地，当生物炭为原生生物炭时，所述生物炭的加入量为砷污染土壤质量的2～4％，优选为4％。发明人发现，当原生生物炭与菖蒲联用修复土壤砷污染时，原生生物炭的添加量为4％时，修复效果最优，此时菖蒲对土壤中砷的去除率分别提高了15.36％

14、优选地，当生物炭为载铁生物炭时，所述生物炭的加入量为砷污染土壤质量的0.5～2％，优选为1％。发明人发现，当载铁生物炭与菖蒲联用修复土壤砷污染时，载铁生物炭的添加量为1％时，修复效果最优，此时菖蒲对土壤中砷的去除率分别提高了9.54％。

15、优选地，所述菖蒲为天南星科挺水植物菖蒲acorus calamus l。

16、优选地，所述菖蒲的密度为160g/m2，培养期间设定培养房温度为24±1℃，光照强度为112μmol/m2/s，光照周期为12l:12d，定期补水，保持土壤处于淹水状态且水土比为1:1。

17、优选地，收获菖蒲后，采集根际土壤样品和菖蒲样品，测定样品砷含量和土壤理化性质。

18、进一步地，所述根际土壤样品采集后在阴凉避光处阴干7天，过200目筛后，进行砷赋存形态的提取和测定。

19、进一步地，所述菖蒲样品采集后，充分清洗干净表面，分为根茎叶三部分，冷冻干燥后破碎成粉末，进行总砷的提取和测定。

20、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

21、1)本发明提供的生物炭材料，能够有效改善土壤基质，提高土壤肥力和酶活性，从而促进修复植物菖蒲的生物量积累，有效促进了菖蒲对砷的吸收，提高了菖蒲对根际土壤中砷的去除率。

22、2)本发明明确了在与菖蒲联用修复土壤砷污染时，原生生物炭和铁改性生物炭(载铁生物炭)的最佳添加量，其中原生生物炭的最佳添加量为4％，铁改性生物炭的最佳添加量为1％；并且本发明发现原生生物炭能够提高土壤中生物可利用性砷的含量，从而促进菖蒲对砷的吸收，而高添加量的铁改性生物炭则会促进土壤中的砷向残渣态转化，在土壤砷污染的固定化中有应用前景。

23、3)本发明中的生物炭材料和修复植物菖蒲，均廉价易得，且不会对修复地生态造成不利影响，具有绿色，经济的优点；菖蒲对湿地生境适应能力强，且属多年生宿根植物，能够将吸收的砷贮存在根部，大大降低了地上部被啃食而造成砷污染二次扩散的风险。