一种利用菊苣-油葵轮作模式修复土壤重金属镉污染的方法 |
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| 申请号 | CN201610303900.2 | 申请日 | 2016-05-10 | 公开(公告)号 | CN105921511A | 公开(公告)日 | 2016-09-07 |
| 申请人 | 湖南农业大学; | 发明人 | 曾清如; 杨洋; 陈璘涵; | ||||
| 摘要 | 一种利用菊苣‑油葵 轮作 模式修复 土壤 重金属镉污染的方法，该方法是将菊苣和油葵按其自然生长期以菊苣‑油葵轮作模式种植在重金属复合污染的土壤中，进行常规栽培。菊苣和油葵在镉污染土壤中均能够正常地生长，没有出现明显的毒害症状，不影响菊苣和油葵的产量；而且因其地上部分 生物 量大，能够吸收积累大量的多种重金属，特别是对于重金属镉在植株中的含量明显高于土壤本底值，达到了富集的 水 平。采用本方法栽培较简单，管理费低，其中油葵有很高的食用价值和药用价值，菊苣有较高的 蛋白质 和饲用价值，经过简单处理后又能避免重金属重新进入食物链，可以在治理污染的同时得到较高的经济收入。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用菊苣-油葵轮作模式修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于：该方法是将菊苣和油葵按照其自然生长期以菊苣-油葵轮作模式种植在重金属复合污染土壤中，进行常规栽培，通过菊苣和油葵在自然生长过程中对重金属镉的吸收富集能力从而去除土壤中过量的重金属镉。 |
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| 说明书全文 | 一种利用菊苣-油葵轮作模式修复土壤重金属镉污染的方法技术领域背景技术[0002] 随着环境质量的恶化和对农艺化学品日益增长的依懒性，土壤重金属污染问题已经成为世界各地关注的热点注。据估计，目前中国受污染的耕地面积近2000万hm2，约占耕地面积的1/5，农田污灌面积已达130多万hm2。每年因土地污染而减少的粮食产量高达1000万吨，直接经济损失达100多亿元。 [0003] 在法国北部，由于20世纪的冶金工业的高速发展，土壤遭到了严重的重金属污染。据美国环境保护局统计，由美国政府直接管理的矿山、企业等导致的污染点就有19000处，其中含有重金属污染的占38％。美国东南部地区牧草生产中，由于长期大量施用禽粪，导致Cu、Zn在土壤中大量积累。 [0004] 据报道，中国受污染的耕地面积达2000万hm2，约占耕地总面积的1/5，其中重金属污染(主要是Pb、Zn、镉)约占污染面积的30％-40％。农业部1995年对我国污灌区的调查显示，全国有140万hm2的污灌面积，遭受重金属污染的土地面积占污灌区总面积的64.8％，其中8.4％、9.7％、46.7％的面积分别受到重金属的重度、中度和轻度污染。土壤受到重金属污染后，会危害植物生长。高浓度重金属污染会导致植物叶绿素含量与光合速率下降，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的活性下降，细胞膜被破坏，种子发芽率降低，生长迟缓，产量降低，叶片黄化，花期推迟，根系受到抑制，严重时植株死亡。 [0005] 目前国内外都在对重金属污染土壤的修复技术进行研究。由于植物修复技术具有永久的治理效果、低廉的治理成本、简易的后期处理等优点，使其成为重金属污染治理的研究热点。而该技术对重金属修复效果的关键在于修复植物品种的选择和改良措施的应用。 发明内容[0007] 本发明目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种利用菊苣-油葵轮作模式修复土壤重金属镉污染的方法，以解决现有重金属污染土壤修复技术中植物存在的季节限制、生长缓慢、地上部分生物量低、吸收积累重金属总量少、不具有较好的经济效益、实际应用综合效果不大等问题。 [0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用菊苣-油葵轮作模式修复土壤重金属镉污染的方法，该方法是将菊苣和油葵按照其自然生长期以菊苣-油葵轮作模式种植在重金属复合污染土壤中，进行常规栽培，通过菊苣和油葵在自然生长过程中对重金属镉的吸收富集能力从而去除土壤中过量的重金属镉。 [0009] 上述种植在重金属复合污染土壤中的菊苣和油葵是两种对重金属有超耐性的植物，对重金属有超强的富集能力。 [0010] 上述菊苣和油葵在重金属复合污染地区进行野外大田种植，选择土层深松的适应土地，进行常规的耕地、施肥，将菊苣和油葵以菊苣-油葵轮作模式直播在污染土壤中，做好苗期防冻措施，后续的病虫害管理，以及田间墒情管理，适时地追肥。 [0011] 上述在重金属复合污染土壤中种植的菊苣和油葵，能从土壤中吸收大量的重金属，随着植物的生长，地上部分生物量的加大，菊苣和油葵对重金属积累的总量也随之增加。于前一年9月种植菊苣，于第二年5月初菊苣收割以后，5-8月种植油葵(品种分别是G101、G104和矮大头，生育期为90天)，油葵收割后继续于9月种植菊苣，进行菊苣-油葵轮作，能有效降低土壤中重金属的含量，修复污染土壤并获得收益。 [0012] 上述菊苣和油葵在重金属复合污染土壤中均正常生长，按照高产田块的管理方式去管理，亩产菊苣鲜草1.5万公斤，折合干草2200公斤，油葵亩产300-450公斤。 [0013] 本发明中的菊苣适口性好，利用率高，猪马牛、鸡鸭鹅均喜食。每年可刈割4-6次，亩产鲜草1.5万公斤，折合干草2200公斤。本发明中的油葵，别名太阳花，为一年生草本植物，是菊科油葵属，高1-3米，茎直立，粗壮。耐旱，能产果实葵花籽，世界各地均有栽培。经试验表明，菊苣和油葵对多种重金属都有很强的耐性和富集能力。本发明充分利用菊苣和油葵对重金属的这一富集特性，将其种植在重金属复合污染的地区，吸收积累土壤中的重金属，尤其是重金属镉，而且因其地上部分生物量大，能够吸收积累大量的多种重金属，特别是对于重金属镉在植株中的含量明显高于土壤本底值，达到了富集的水平。如此，当菊苣和油葵成熟后通过收割加工地上部分来提取土壤中的重金属，从而达到降低污染土壤中重金属镉含量的目的。通过对收获物的后加工处理，可以生产出合格的葵花籽油(见ZL 201310711898.9)和菊苣饲用蛋白。 [0014] 本发明的有益效果是：发明人通过试验研究发现，菊苣和油葵对多种重金属尤其是重金属镉具有显著的富集特性，能在重金属复合污染的土壤中正常生长。本发明正是利用菊苣和油葵对重金属的这一耐性和富集特征，将其直接种植于重金属复合污染的地区，通过对成熟植株的挖采和处理，以达到修复重金属复合污染土壤的目的。由于菊苣和油葵对土壤的适应性强，生长旺盛，地上部分发达，生物量大，抗旱能力强，生长范围较广，栽培较简单，管理费低，通过对收获物的后加工处理可以获得较高价值的资源，可以在治理污染的同时得到一定的经济收入，实现边修复、边利用的目的。因此，本发明为土壤重金属复合污染的植物修复技术开发了新的植物资源品种和修复方法，利用重金属污染土壤的种植产生经济效益，无论从生态学角度，还是从经济学角度都将具有重要的现实意义。附图说明 [0015] 图1为本发明实例中菊苣-油葵种植模式对镉单株提取总量分析图。 [0016] 图2为本发明实例中菊苣-油葵种植模式对土壤镉修复效果分析图。 具体实施方式[0017] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施列。 [0018] 实施例1污染矿区土壤修复试验 [0019] 试验地点为湖南郴州矿区受重金属污染的农田，该农田土壤为重金属镉浓度为1.44mg/kg，其中有效态镉含量为0.73mg/kg。 [0020] 具体作法为：将菊苣和油葵(油葵品种为G101、G104和矮大头，菊苣品种为将军菊苣)按其自然生长期以菊苣-油葵轮作模式在重金属复合污染地区进行野外大田种植，选择土层深松的适应土地，进行常规的耕地、施肥，将菊苣和油葵直播在污染土壤中，做好苗期防冻措施、后续的病虫害管理、以及田间墒情管理，并适时地追肥。 [0021] 取样是于第二年油葵收割后。供试土壤采集于上述郴州矿区重金属污染农田种植菊苣和油葵地，田间无水。采样深度为0～30cm。采用多点取样，混合土样由3个以上分布点样品组成。土壤样品取回后，将土块压碎，除去残根、杂物，铺成薄层，经常翻动；在阴凉、洁净、无污染处自然风干；风干土样用有机玻璃棒或木棒压碎，过80目尼龙筛，用微波消解法测本底值。农田采回的菊苣和油葵植物样品，先用自来水将植株表面的泥土彻底清洗干净，不能残留一点土壤；再把植株体的各个部位分离开，菊苣分为根和叶，油葵分为根、茎、叶、花和果实；用去离子水将植物各部位清洗3遍，沥干水分后装入信封袋，放入烘箱内；先在105℃杀青2小时，然后调至60℃烘48小时。烘好的植物干样用粉碎机粉碎后用实物样品消解方法处理，根据样品中重金属浓度和仪器最低检测限用ICP-OES测定样品中重金属浓度。 [0022] 试验结果如下： [0023] 由下表1可知，在菊苣-油葵轮作模式中，菊苣对重金属镉的积累效果非常明显，苗期镉含量为9.34mg/kg，富集系数为6.03。成熟期根部和地上部分镉含量分别为20.51mg/kg和23.67mg/kg，且地上部分含量高于根部；富集系数分别为13.23和15.27。于5月初菊苣收割后轮作油葵，在生长期及成熟期分别采样分析，结果表明，随着时间增长，油葵体内各部位镉含量呈递增趋势，成熟期各部位镉含量都在生长期的1.45倍以上。成熟期镉含量最高的部位为根、叶和果肉，镉含量分别为5.57mg/kg、3.72mg/kg和3.18mg/kg。本试验中油葵对镉的吸收能力不如菊苣，可能与土壤有效态镉含量及生长环境有关。本试验表明，油葵秸秆的生物量较大，对镉的吸附能力显著。因此菊苣-油葵轮作模式可用于Pb和镉复合污染土壤的植物修复。 [0024] 表1菊苣和油葵的生物量(干重)及镉浓度、富集系数(单位：mg/kg) [0025] [0026] 由图1可知，在菊苣-油葵轮作模式中，两种作物对镉的提取量都非常大。其中，油葵对镉的单株提取效果好于菊苣，但由于油葵地上部分生物量大，株平均高度达175cm，因此油葵的镉提取总量很大。 [0027] 由图2可知，菊苣-油葵轮作模式对土壤镉污染的修复效果非常明显。其中土壤镉总量本底值为1.44mg/kg，修复后镉总量降低为1.16mg/kg，修复效率为18.71％。修复前土壤镉有效态含量为0.73mg/kg，修复后有效态镉含量降低为0.58mg/kg，修复效率为20.55％。验证了菊苣-油葵轮作模式对土壤重金属镉的提取能力，表明菊苣-油葵轮作模式对土壤镉污染的巨大修复潜力。 [0028] 经济效益：菊苣叶叶丛期粗蛋白含量22.87％，初花期粗蛋白含量为14.73％，平均17％，粗蛋白质亩产量达250公斤。初花期含粗脂肪2.l％，粗纤维30.6％。氨基酸含量丰富，叶丛期9种必需氨基酸含量高于苜蓿草粉，维生素、胡萝卜素、钙含量丰富。菊苣适口性好，利用率高，猪马牛、鸡鸭鹅均喜食。每年可刈割4-6次，亩产鲜草1.5万公斤，折合干草2200公斤。葵花油出油率高，而且不饱和脂肪酸的含量远远高于大豆油、菜籽油、花生油、棉籽油，被称为“保健营养油”。油葵生育期短，油葵适应性很强，可粗耕粗种，一般春播100-110天，夏播85-90天，且播期长，从3月下旬到7月中下旬均可播种；油葵平均亩产300-450公斤。 [0029] 综合以上结果表明： [0030] (1)本种植模式中的菊苣和油葵都有对重金属镉良好的吸收积累能力。其中菊苣地上部分对镉的单株提取能力和油葵相当，油葵单株总提取量大于菊苣。 [0031] (2)本种植模式对土壤重金属镉的实际修复效果理想。 [0032] (3)综合分析菊苣-油葵种植模式，菊苣提取重金属镉的效果没有油葵好，但再生力强，利用时间长，一年可割4-6次，亩产可达1.5万多公斤，且耐旱力强，对土壤要求不严，各类地质均可种植；而油葵长势非常好好，地上部分生物量很大，能够带走的重金属量也很大，其种子含油量极高，可炒食，亦可榨油，为重要的油料作物。经过重金属脱毒处理后可以达到食品安全的标准，且经济效益很高。因此，采用菊苣-油葵种植模式在重金属镉修复和经济效益方面均能取得令人瞩目的效果。 |
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