一种植物-微生物协同的浅层污染土壤治理方法及装置
技术领域
本发明属于环境工程技术中的污染土壤修复技术，主要借助于利用植物-微生 物协同作用，用于复杂污染背景下的原位土壤修复。
背景技术
在社会经济发展的推动下，矿山开采、石油化工企业生产活动及各类有机化 工类垃圾倾倒等活动日益频繁，不少地区的土壤因此受到不同程度的污染。
相较大气和水污染，土壤流动性较差。土壤稳定的内在属性和复杂结构，为 污染物富集创造了有利条件，更严重的是，进入土壤环境的污染物往往更易长期 留存。除了垃圾填埋人为进行了深层搅拌外，其他土壤污染的发生过程，均是由 表及里，即初期多集中于土壤表层，随时间推移，污染物受自身重力或随土壤渗 流或扩散作用等等逐步扩散至土壤下层，并最终有可能威胁地下水源安全。由于 污染物迁移过程持续时间较长，土壤污染问题经常会呈现滞后性，且隐藏性较好。 而从污染物迁移过程本身而言，土壤污染问题的防治应早发现早治理，以此降低 污染物的迁移半径。
美国、西欧地区土壤修复技术的研发和应用推行较早，已发展出多种修复技 术工艺。其中，已然包括物理化学修复方法，如热脱附、淋洗、固化等。相比于 其他修复措施，物理化学措施处理在对应土壤污染时的最大优势在于快速。美中 不足的是，土壤污染物清除行为本身也会造成土壤地力的极大消耗。如果目标土 壤是耕地或山体等后续需要进行生态系统恢复的地区，此类方法则不太适合，而 利用生物资源实现修复则适合得多。
我国现阶段已有不少利用植物或者微生物进行土壤修复的工艺技术，已有的 工艺方法体现出利用植物或者微生物修复污染土壤，具备较宽的修复目标选择范 围。但是，利用植物或者微生物进行污染土壤修复一大技术障碍在于，修复工艺 的可复制性较差。带来这一弊端的主要原因有：1、污染土壤的污染物复杂程度、 种类、污染量变化差异大。2、植物、微生物类型对气候和土壤性质适应程度不 同。3、植物-微生物协作效率会因不合理空间分布而受到影响。对此，有必要建 立土壤生态修复数据库，通过借鉴国内外成功的土壤生态修复案例，构建植物- 微生物选择数据库，根据气候特点、土壤特征、环境因素，以便遇见污染事件时， 快速寻找合理的植物和微生物品种，提高利用生物方法治理污染方法的成功率。
发明内容
为治理污染土壤，本发明基于植物-微生物数据库的构建，提供了一种植物- 微生物协同的浅层污染土壤治理方法及装置，利用植物吸收富集作用、微生物分 解能力移除等降解环境中污染物浓度。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种植物-微生物协同的 浅层污染土壤治理装置，其特征在于，包括设置于污染土壤的交错排列的植物生 长带和微生物繁殖带，植物生长带相对高程高于微生物繁殖带；在植物生长带土 壤表层布置用于向土壤施加土壤改良剂的输水支管；所述植物生长带、微生物繁 殖带的宽度比例为5：1-2；植物生长带、微生物繁殖带之间直接接触；微生物繁 殖带中，采用无污染外源土与环保吸附材料组成的混合材料铺设，并接种微生物 材料。
所述的土壤改良剂可以为土壤调理剂、土壤营养液、水分的一种或几种。改良 剂以水溶态进行添加，其溶液配方含量由微生物及植物生长所需决定。其中，土 壤调理剂主要包括炭基类生物质材料，以及以改善土壤某一缺陷(如过酸或过碱) 为目的的改良剂等；土壤营养液主要包含具有氮磷钾有效元素的肥料溶液，以及 特殊微生物生长所需微量元素的补充液等。
输水支管为管路系统的一部分，所述管路系统根据修复不同阶段输入土壤调理剂、土壤营养液、水分的一种或几种。
管路系统包括储液箱、与储液箱连通的输水干管、与输水干管连通的若干所述 的输水支管，输水支管上均匀分布有出液孔。
所述的环保吸附材料为海泡石、腐殖酸、生物炭、沸石的一种或几种。吸附材 料本身能够钝化污染物，且增加土壤持肥、供养供水能力，为植物及微生物生长 提供更为稳定的环境条件。
优选的植物生长带与微生物繁殖带保持5cm左右高程差。
本发明还提供一种植物-微生物协同的污染土壤治理方法，基于植物-微生物 数据库筛选目标配对植物-微生物；对污染土壤进行整地，设立交错排列的植物 生长带和微生物繁殖带，植物生长带相对高程高于微生物繁殖带；在植物生长带 土壤表层布置用于向土壤施加土壤改良剂的输水支管。所述植物生长带、微生物 繁殖带的宽度比例为5：1-2。所述植物生长带、微生物繁殖带之间需直接接触。 微生物繁殖带中，采用无污染外源土与环保吸附材料组成的混合材料铺设，并接 种微生物材料。
所述污染土壤是指具有重金属污染、有机污染的耕地、矿山、废弃地等。
植物-微生物数据库构建，以体现能够用于物种选择的相关关键要素和参数为 目的，以便实际应用时与之进行信息匹配。
优选的植物、微生物种类，均通过比对实际应用条件下要素条件和案例要素 的匹配程度，从前期构建的案例数据库中进行筛选而得。可同时使用1-3种植物 -微生物配合或配比方案。
优选的微生物繁殖带中，对于可独立存活的微生物材料，直接接种至微生物 繁殖带，并于7-10天确认其存活；对于必须与植物共生的微生物材料，先接种 到植物根系区，再共同移栽入污染土壤环境。为确保植物存活率，可先点状种植， 观察7-10天，再大面积移栽。
当修复方案涉及多种微生物时，可根据接种后微生物的生长情况对种类进行 初筛，留下优势较为显著的1-2种。
输水支管为管路系统的一部分，所述管路系统根据修复不同阶段输入土壤调 理剂、土壤营养液、水分的一种或几种。管路系统包括储液箱、与储液箱连通的 输水干管、与输水干管连通的若干所述的输水支管，输水支管上均匀分布有出液 孔。
输水支管的设计和布设需以符合植物和微生物的生长需求。植物根系在土层 中的分布特征以及微生物-植物的协同共生联合点所在位置，是输水支管埋放所 需考虑的因素。尤其注意，输水支管水分养分供应范围应覆盖：土层中的植物根 系以及微生物-植物的协同共生联合点所在空间。
优选的，本发明采用以下的具体技术方案：
(1)规整田块，起垄，陇宽1.5-2m，使田块成条状“峰-谷”态；
(2)每5“峰”4“谷”为一组，于组间田埂间埋置输水管路系统(即输水 干管)，组内布置土壤改良剂补充管路(即输水支管)；每组构成：“峰”“谷”“峰” “谷”“峰”“谷”“峰”“谷”“峰”；
优选的，多个组间输水干管并联，可统一控制也可单独控制；补充改良剂时 或组间补水时，配置液体或水分通过输水支管完成均匀喷洒；同一组内的多个输 水支管并联，可统一控制也可单独控制。多组可共享一个储液箱，其中添加物可 应对需求调整为水分或改良剂。
(3)进行图纸构设：植物生长带布设于“峰”区条带上，微生物繁殖带及 吸附材料布设于“谷”区条带上；且每5条“峰”植物生长带中的第1，4，5 条种植伴矿景天，2、3条种植苜蓿；“谷”区的第2条微生物繁殖带接种苜蓿促 生菌株，第4条接种丛枝菌根真菌，第1，3条间种苜蓿促生菌株和丛枝菌根真 菌。
具体地，第1，3条间种苜蓿促生菌株和丛枝菌根真菌，指1，3条一段苜蓿 促生菌株一段丛枝菌根真菌，间隔布设。例如将“谷”区第1条纵向分成两段(例 如以图1为例，将“谷”区第1条用竖线分成面积相同或不同的两段)，即一段 接种丛枝菌根真菌(其与“峰”区第1条伴矿景天接触)，另一段接种苜蓿促生 菌株(其与“峰”区第2条苜蓿接触)。
(4)以重量比为1：2：1：1，混合海泡石、腐殖酸、生物炭、沸石作为吸 附材料；在预设微生物繁殖带区先移除3-5cm厚的表层土壤，以100g/m均匀埋 入吸附材料(直接铺设)，并在吸附材料层上覆盖3-5cm厚的无污染外源土。可 见，吸附材料的埋设深度为3-5cm。海泡石、腐殖酸、生物炭、沸石的重量比为 1：2：1：1。
(5)输水至土壤饱和含水量的60％，静置三天。
(6)施用尿素4-6kg/亩，钙镁磷肥8-10kg/亩。
(7)施肥后次日，进行微生物材料埋设。以三叶草为宿主材料获取蜜色无 梗囊霉(Acaulospora mellea 40)菌根真菌材料(三叶草根系与扩繁基质混合而 成)。在下埋吸附材料的外源土覆盖区，以8-10cm直径2cm深度开穴，每穴埋 入40g菌根真菌材料，每穴间隔1m(即相邻穴间隔1m)，完成丛枝菌根真菌材 料埋设。此外，购买节细菌属放线菌(Arthrobacter niigatensis)冻干粉，将其活 化后，按5％接种量接种至有氮培养基，形成促生菌株材料。在下埋吸附材料的 外源土覆盖区，以6-8cm直径3-5cm深度开穴，每穴埋入促生菌株材料15-25g， 每穴间隔1m，完成苜蓿促生菌株材料埋设。
(8)微生物材料埋设3天后，进行植物种植。以0.2-0.5m为株距扦插10～ 12cm长的伴矿景天于第1，4，5条植物带上。此外，按照15-25g/m播撒紫花苜 蓿种子于第2、3条植物带上。
(9)2个月后补充尿素5kg/亩。
(10)种植3个月后对伴矿景天和紫花苜蓿进行全株收获移除。
(11)重复(6)-(10)步骤，种植伴矿景天和紫花苜蓿并埋设对应微生物 材料，2轮。
相对于现有技术，本发明的优点：
1、通过建立土壤修复植物-微生物数据库，能够迅速选择合适的修复植物种 类和微生物种群，提高土壤修复效率和成功率。
2、通过预设管路，能够在整个修复阶段中，根据植物生长，微生物活性或土 壤性质变化，针对性提供所需的营养液、土壤改良剂添加。
对根系偏向横向生长的植物，在保证根系所在深度供养的同时，需要适当增加 较深层次的养分引导；而对根系偏向纵向生长的植物，则需要适当增加浅表区域 的养分引导，以求植物生长过程实现更宽区域的污染物固持。
此外，管路所供营养液还需一定程度为微生物和植物在生态位上的协同给与引导和支持。
在经由管路的流量控制上，应遵循适宜而非过量，尽量减少因土壤内部液体流 动带来的污染无迁移；而改良剂的投放，意在调控污染的形态转化。如，部分污 染物的环境现存价态不利于植物吸收或微生物溶解、氧化还原反应的发生，则需 要改良剂进行辅助；当遇到特定改良剂添加能对某一反应过程起催化推动作用时， 也可酌情增加；生物炭是近年较为常用的场地修复改良剂，在改变土壤环境pH、 影响污染物形态、固持土壤污染物迁徙上均有一定效果。
3、微生物繁殖带利用吸附材料微生物繁殖基床，既能有效提供接种微生物和 土著微生物生长空间，并能对径流和渗流吸附，减少污染向深层扩散。
4、植物带和微生物带的相对高程设计，能够提供植物根系与微生物之间相互 协作的条件，提高植物-微生物协同去污效率。
5、操作简单，实践方便，不依赖大型设备或特殊设备，修复过程中也能够维 持土壤自身肥力，有利于后期原位生态系统修复。
附图说明
图1是本发明的平面布置图；
图2是图1中植物生长带和微生物繁殖带纵面布置图；
图3是图1中输液支管的布置图示；
图中1.储液箱，2.输水干管，3.输水支管，4.二通阀，5.三通阀，6.植物种植 区，7.微生物繁殖带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
根据污染土壤地所在地区气象资料或污染土壤调查数据，通过植物-微生物选 择数据库确定合适的修复植物种类和特定微生物种群。
所述污染土壤是指耕地、矿山、废弃地等由于重金属、有机污染或相关活动 所导致的，所述协同治理方法包括利用原有土壤植被、土著微生物，其中治理效 果为有效降低一种或多种目标污染物浓度至环境容许范围内。植物-微生物种类 的选择将通过数据库筛选而得。其中协同治理方法将会设置专门的植物生长带和 微生物繁殖带，所述植物生长带和微生物繁殖带空间交错布置，并且植物生长带 相对高程高于微生物繁殖带。数据库的建立是基于现有已有成功案例，数据来源 为国内外研究报告。其中，土壤改良剂施加的控制建议以人为设置为主，因土壤 污染物治理过程并不是速效反应，在管路铺设合理的情况下，周期性控制行为次 数并不会带来较多的人力消耗；且控制过程可根据数据库的参数以及现场实测进 行共同判断调控次数；而若引进自动控制系统，则需在多点布设感应器和自动监 测设备，对成本是不小的挑战。所述管路系统根据修复不同阶段输入土壤调理剂、 土壤营养液、水分。微生物繁殖带中布置吸附材料层，所述吸附材料层对环境无 副作用，可增加微生物繁殖生长空间，并能够吸附固定微生物生长所需营养元素。
如图1-3所示，对场地进行整地，设立交叉排列的植物生长带(即植物种植 区6)和微生物繁殖带7，植物生长带相对高程高于微生物繁殖带5cm左右，形 成“峰-谷”模式，但必须保证植物根系能够与微生物群落之间联系紧密。其中， 植物种植间、行距由植物属性、摘种时植物大小、预计种植时长(是否后期移出) 等共同决定；微生物用量以能成为指定污染土壤条件下的稳定物种为最低要求， 在接种前和接种7-10天后分别取样比对，确定接种微生物的种群生长情况。
布置管路系统。管路系统包括储液箱1、与储液箱1连通的输水干管2、与 输水干管连通的若干输水支管3，若干输水支管平行设置，且输水支管与输水干 管基本垂直，输水支管布置于植物生长带，输水干管与输水支管的连接处设有三 通阀5。还包括连接储液箱1与输水干管2的出水管，出水管上设有二通阀4。 输水支管上均匀设置有若干出液孔，用于浇灌植物、改良土壤等。输水支管上每 隔一段距离设有两个相互呈90度的出水口(即前述的出液孔)。图3中45度为 输水支管的侧方出水口夹角，通过管路角度改变(即管路可旋转)，出水方向可 由此实现“垂直+横向”、“下测向*2”(图3所示即“下测向*2”)或“上测向*2” 等调节。输水支管水分养分供应范围应覆盖：土层中的植物根系以及微生物-植 物的协同共生联合点所在空间。
微生物繁殖带中采用无污染健康外源土与环保吸附材料，如膨胀土、沸石、 生物炭基材料等。建议多种材料混合铺设，并在环保吸附材料层上方覆盖3-5cm 厚的无污染健康外源土，接种微生物材料至健康外源土层区。环保吸附材料能够 提供水分与营养盐吸附，外源土能够提供微生物充分生长环境，保证治理初期微 生物群落大量增殖的需求。微生物接种方法和环境要求以数据库中参数作为参考。 必要时，可适当增加指定污染土壤的实验室条件模拟环节，探索适宜应用参数， 以此提升成功率，减少投资风险。
所述植物生长带与微生物繁殖带之间直接接触，相互之间进行物质、生物交 换，既能够保证污染物随径流进入微生物繁殖带，也能够保证微生物能够正常在 土壤环境中交换，提高植物生长带中污染物降解效率。
所述植物-微生物选择数据库建立基于现有国内外科学数据库(诸如万方数据库，Web of Science数据库等)，并定期进行数据更新维护。现阶段文献数据库已 积累不少成功案例，如龙葵-芽胞杆菌协同处理镉污染(何琳燕等，2011)；苜蓿 -簇生菌株协同处理铜污染(胡志伟，2013)；内生菌根接种杨柳后提高其对铜、 镉、锌的富集吸附(Bissonnetteet al.,2010)；伴矿景天-丛枝菌根真菌菌协同处 理镉污染(CN201510065503.1)等。对案例中“应对污染物选择范围”、“建议 物种搭配”、“建议搭配方式方法”、“适宜环境条件”及“修复时效”等几个方面 参数，进行要素提取和归整；让关键要素能够成为选取植物-微生物配对时的筛 选条件；且现有参数可作为实施参考。
所述植物带、微生物带宽度设置比例为5：1，根据污染情况，也酌情增加微 生物繁殖带宽度。
所述土壤改良剂补充管路(即前述的输水支管)为自动补充管路，管路开孔， 内部溶液利用重力自流(支管埋设深度根据植物根系及微生物生长趋势所定)， 仅需在总投加箱(即储液箱1)内定期添加所需溶液。
所述微生物繁殖带中环保吸附材料具备性质稳定，对环境无不利影响，且有 利于微生物附着生长。
应用实施例：
1、案例库构建
案例库以修复对象和修复后标准为导向进行框架构建；案例来源分已发表论 文和有效专利。
表1案例调用库
*注：LW为论文专利案例库调用；ZL为专利案例库调用
表2案例应用参数
案例来源文件：
LW1：Granchinho SCR,Franz CM,Polishchuk E,et al.Transformation ofarsenic(V) by the fungus Fusarium oxysporum melonis isolated from the algaFucus gardneri. Applied Organometallic Chemistry,2002,16:721-726
LW2：何琳燕,李娅,刘涛,何文天,王颖姣,沈雪梅,王梦驰,俞谦,盛下放.龙葵根际和 内生Cd抗性细菌的筛选及其生物学特性[J].生态与农村环境学报， 2011(6):83-88.
LW3：胡志伟.植物促生细菌强化能源植物修复铜污染土壤效应及其机制研究[D].南京农业大学,2013.
LW4：Bissonnette L,St-Arnaud M,Labrecque M.Phytoextraction of heavymetals by two Salicaceae clones in symbiosis with arbuscular mycorrhizalfungi during the second year of a field trial[J].Plant and Soil,2010,332(1-2):55-67.
……
ZL1：尹睿,沈生元,林先贵,et al.一种提高低浓度砷污染土壤植物修复效率的方法:CN.
ZL2:林先贵,朱清禾,曾军,et al.一种利用丛枝菌根真菌联合伴矿景天修复镉污染农田土壤的方法:CN.
ZL3:胡龙兴,杨知建,向佐湘,et al.利用耐镉真菌棘孢曲霉促进高羊茅修复镉污染土壤的方法:CN.
2、植物-微生物配比方案提取
目标土壤为复耕稻田，比对《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)中农用地土壤污染风险管控标准的数据参数，发现外运土存在 镉、铜低量超标的现象，希望利用半年-1年时间改善修复土壤。
土壤pH值6.1，点区土壤镉含量达0.54mg/kg，距离农用地土壤污染风险筛 选值超标35％，平均土壤镉含量为0.37mg/kg；点区土壤铜含量达194mg/kg， 超标29％，平均土壤铜含量为127mg/kg。考虑到该田块土壤镉、铜超标较低， 且后期田块主要用于农作物种植收获。因此，结合LW3，ZL2案例的植物-微生物 搭配，选用伴矿景天-丛枝菌根真菌及苜蓿-促生菌株。一来，该组合能够实现对 土壤镉、铜重金属的吸附和降解；二来伴矿景天对农田土壤可进行连续吸取修复， 而苜蓿作为饲料作物，其固氮培肥土壤的效果十分显著。
3、修复作业开展
步骤如下：
(1)规整田块，起垄，陇宽2m，使田块成条状“峰-谷”态。
(2)每5“峰”4“谷”为一组，于组间布置输水管路系统，组内布置土壤 改良剂补充管路。
(3)对于植物-微生物的安放进行图纸构设。植物生长带布设于“峰”区条 带上，微生物繁殖带及吸附剂布设于“谷”区条带上；且每5条“峰”植物生长 带中的第1，4，5条种植伴矿景天，2、3条种植苜蓿；“谷”区的第2条微生物 繁殖带接种苜蓿促生菌株，第4条接种丛枝菌根真菌。“谷”区第1，3条间种苜 蓿促生菌株和丛枝菌根真菌。
(4)以重量比为1：2：1：1，混合海泡石、腐殖酸、生物炭、沸石作为吸 附材料。
根据构设图纸，在预设微生物繁殖带区以100g/m均匀埋入吸附材料，覆回 无污染外源土3-5cm(厚度)。这里的m指微生物繁殖带长度。
(5)输水至土壤饱和含水量的60％，静置三天。
(6)施用尿素5kg/亩，钙镁磷肥10kg/亩。
(7)施肥后次日，进行微生物材料埋设。以三叶草为宿主材料获取蜜色无 梗囊霉(Acaulospora mellea 40)菌根真菌材料(三叶草根系与扩繁基质混合而 成)，具体方法参见案例库文献ZL2培养方法。在下埋吸附材料的外源土覆盖区， 以8-10cm直径2cm深度开穴，每穴埋入40g菌根真菌材料，每穴间隔1m，完 成丛枝菌根真菌材料埋设。此外，购买节细菌属放线菌(Arthrobacter niigatensis) 冻干粉，将其活化后，按5％接种量接种至有氮培养基，形成促生菌株材料。在 下埋吸附材料的外源土覆盖区，以6-8cm直径3cm深度开穴，每穴埋入促生菌 株材料20g，每穴间隔1m，完成苜蓿促生菌株材料埋设。
(8)微生物材料埋设3天后，进行植物种植。以0.2m为株距扦插10～12cm 长的伴矿景天于第1，4，5条植物带上。此外，按照15g/m播撒紫花苜蓿种子 于第2、3条植物带上。
(9)2个月后补充尿素5kg/亩。
(10)种植3个月后对伴矿景天和紫花苜蓿进行全株收获移除。
(11)重复(6)-(10)步骤，种植伴矿景天和紫花苜蓿并埋设对应微生物 材料，2轮。
(12)多点采样，检测土壤镉，铜含量。无超标点区，且平均土壤镉含量下 降至0.21mg/kg。平均土壤铜含量下降至85mg/kg。土壤修复完成。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员 应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的 方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
