利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法
【专利摘要】一种利用花生?油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，该方法将花生和油葵按其自然生长期以花生?油葵轮作模式种植在重金属污染土壤中以进行修复。花生和油葵在重金属复合污染土壤中没有出现毒害作用，籽粒的产量均达到正常水平；且花生?油葵轮作模式生物量大，能够吸收积累多种重金属，特别是对重金属Zn、Cd的提取量相当大，提取效果与超富集植物天蓝遏蓝菜接近。采用本轮作模式栽培较简单，方便管理，在时间和空间上很好的利用了污染土地，加快了修复速度，所得的油料果实又能作为非食用性的油料资源而避免进入食物链，在一定程度上弥补油料资源短缺的问题，给农民带来较好的经济效益，从而降低修复成本。
【专利说明】
利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及重金属污染土壤的植物修复技术，具体地说是一种利用花生-油葵轮 作模式修复重金属污染土壤的方法。
【背景技术】
[0002] 植物中重金属的富集系数(BCF)、植物的生物量及土壤中重金属的总量是评价植 物修复对土壤重金属修复潜力的重要因素。其中，富集系数(BCF)通常用来评估一个植物是 否对重金属有吸收积累的能力。一般来说，重金属超富集植物的富集系数都相当高，但这些 超富集植物生长缓慢、生物量都比较小，这就使得植物修复过程中从土壤中实际带走的重 金属量很小，达不到真正修复污染土壤的目的。天蓝遏蓝菜(T.caerulescens)，被认为是Q1 和Zn的超富集植物，植株体中最高的富集系数分别可以达到73和40。天蓝遏蓝菜虽然对重 金属的富集系数很高，但是生物量却只有2_5t/ha。同样的结果在法国南部也得到了验证， 天蓝遏蓝菜在自然条件下的生物量仅2.6 t/haaCd的另一种超富集植物鼠儿芥 (Arabidopsis halleri)的生物量也很小，为0 ? 002-0 ? 25t/ha。在土壤重金属Cd浓度为2 ? 6_ 12.5mg/kg时，不添加任何土壤改良剂的情况下，天蓝遏蓝菜对土壤中Cd的提取量为30-710g/ha;而鼠儿芥对Cd的提取量仅为4g/ha。此外，土壤中有效态Cd和Zn浓度分别为 0.52mg/kg和93mg/kg时，Cd的超富集植物宝山堇菜和Zn的超富集植物东南景天生物量很 小，分别是6 ? 5t/ha、5 ? 5t/ha;它们对Cd、Zn的富集浓度分别为28mg/kg和6279mg/kg，Cd的提 取量为170g/ha、Zn的提取量为32700g/ha。因此，超富集植物对土壤中重金属修复潜力会因 为土壤环境的不同而受到影响，并不是所有的超富集植物都能在修复过程中发挥出理想的 提取效果。
[0003] 植物修复土壤重金属污染过程中，成本和经济效益问题也是人们十分关注的。一 些研究者认为，超富集植物更适合修复土壤重金属污染，因为它们与农作物相比无需施用 太多肥料和灌溉水，且不需要每年播种和耕作，在一定程度上节约了很多开支；同时超富集 植物又能通过回收重金属产生经济价值，净利润比种植农作物要高。有学者曾提出，植物修 复土壤重金属污染过程中，仅美国市场，理论上就能带来340-540亿美元的经济效益。事实 上，在过去几十年的研究当中，并没有一项案例实现了上述的经济效益和真正达到了修复 的目的。因为尽管植物修复的成本很低，但修复过程往往需要经过很长一段时间（十年或者 几十年），修复成本及经济损失则会随着时间的延长而增加。特别是超富集植物在农田重金 属治理的推广过程中存在一定的阻力。例如2012年6月，湖南红网报道了湖南郴州种植蜈蚣 草修复As污染，虽然效果很好，但由于经济效益无法实现，长时间的修复加大了费用，最后 不得不停止推广。
[0004] 因此，为了缓解植物提取过程中由于修复时间所产生的高成本和经济损失等问 题，在此基础上研究者们提出了利用有经济价值的植物对土壤进行修复来弥补修复时间长 的损失。此时，污染土壤治理不再是一个急需解决的问题，而被看作另一种获取经济收益的 过程，不但在修复过程中得到了非食用性的经济产物，同时还减轻了土壤污染对环境的危 害。不仅如此，收获的经济作物可以用作生物燃料、生物塑料、生物炭、纸张和木材，从一定 程度上缓解了农业用土的压力。因此，为了最大化植物修复潜能，就必须着重考虑植物是否 具有较高的社会经济价值，或是否能产生经济效益(例如在印度的粉煤灰场地修复时应当 优先选择一些适当的绿色植被，这些植物在修复后可以被当地居民用作燃料、木材、或制作 成绳子、篮子、扫帚、垫子或屋子等），或者这些植物不会直接的生产出有经济价值的产品， 但因此可能间接的带来经济效益，而改变周围农民的生活状况，如在法国的Near Li 11 e地 区，由于长期的采矿造成了大面积的土壤污染，当地居民在该区域大面积地种植了杨树、柳 树和桦树来降低污染的风险，虽然这些树木没有直接的经济价值，但是通过加工从中间接 产生富集Zn的生物碳可以作为缓释肥料，从而增加了农民的收入。总的来说，利用经济作物 修复技术的实行需要多学科方法一起进行，研究的重点在于植物本身，包括可以生产各种 产品的新的植物品种、新的植物管理方案及转基因植物等各方面，并且通过植物管理修复 技术可以为那些因污染造成大量经济损失的当地农民带来一定的收入。因此，在利用经济 作物修复土壤重金属污染时，怎样通过改善调整农业种植模式，合理利用废弃的污染农田， 从而避免重金属重新进入食物链的农作物、降低二次污染风险，同时带来经济效益是一个 亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，为了克服植物修复过程中的不足，提供一种利用花生-油葵轮 作模式修复重金属污染土壤的方法，以解决修复过程中植物存在生物量小、实际修复效果 不佳、经济效益低，以及由于修复时间所产生的高成本和经济损失等问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种利用花生-油葵轮作模式修复 重金属污染土壤的方法，该方法是将花生和油葵按其自然生长期以花生-油葵轮作模式种 植在重金属污染土壤中，进行常规栽培，通过花生和油葵轮作增强其在自然生长过程中对 重金属的吸收富集能力从而降低土壤中重金属的含量。
[0007] 所述花生-油葵轮作模式是将花生于3月底进行种植，当年8月中旬收获花生后种 植油葵，第二年3月底再种植花生，按照先花生后油葵的种植顺序，对两种油料作物进行轮 作种植。
[0008] 所述花生用春播覆膜的栽培方式种植在重金属污染土壤中，先对土壤进行深耕整 地、施肥、起垄做畦；3月底，按照常规种植密度，人工点种的方式将花生种子直接播种于土 壤中；播种完后覆土踏平，向垄面均匀喷施除草剂，随后覆膜;播种后8-12天及时破膜放苗。 在花生生长过程中，做好护膜工作、加强病虫害的防治、适当追肥等常规田间管理；生育期 为130天左右。
[0009] 所述油葵种植前20-25天在普通土壤中育苗，在8月中旬花生收获后，洇地造墒，翻 耕、整地、施肥、开沟;再将油葵苗按常植密度移栽至土壤中。油葵生长过程中，定期进行除 草、防治病虫害、合理施肥和浇水等常规田间管理;生育期为90天左右。
[0010] 所述花生和油葵在重金属污染土壤中轮作种植，两种作物均能正常生长，两种油 料作物的籽粒产量均符合常规种植的水平；收获完整植株花生的总生物量为ll.lt/ha-23 ? 3t/ha，油葵的总生物量为 23 ? 2t/ha-27 ? 8t/ha。
[0011] 在重金属污染的土壤中，利用花生-油葵轮作模式种植油花生和油葵，通过两种油 料作物轮作加强对重金属的吸收提取效率从而降低土壤中重金属(〇(1、〇1、211、？13和48)的含 量。
[0012] 在重金属污染土壤中轮作花生和油葵，对重金属(&1、211、？13、0(1^8)有较好的富集 能力，花生地上部分对重金属污染土壤中重金属的提取总量大于地下部分；油葵的地上部 分对Cd的提取总量高于地下部分，对〇1、211、？13) 8均表现为地下部分提取总量高于地上部 分;且花生和油葵的地上部分对Cd的浓度明显高于地下部分根，且富集系数都大于1。
[0013] 所述在重金属污染土壤中轮作花生和油葵，在该轮作模式下，花生和油葵对土壤 中重金属的提取总量相当可观，特别是对土壤中Cd的去除效果与超富集植物天蓝遏蓝菜的 去除效果相当。
[0014] 本发明的花生属于豆科、一年生草本植物；油葵属菊科，即油用向日葵。这两种植 物都属于世界"四大油料作物"，也是我国重要的油料经济作物。经试验表明，花生和油葵在 重金属复合污染土壤中能够正常生长，对多种重金属都有一定的吸收富集能力，特别是对 重金属Cd的富集能力最强。本发明充分利用花生和油葵对重金属较强的富集特性，按照先 春播花生后夏植油葵的轮作模式来修复重金属复合污染的农田，通过收获成熟后的花生和 油葵植株体，将重金属从土壤中提取出来。先种植花生可以对土壤起到一定的固氮作用，为 后续油葵的轮作起到保持土样养分的作用;此外，该轮作模式能从时间和空间上不荒田、充 分利用污染土壤的同时，又能达到增加土壤中重金属的提取总量、提高土壤污染修复效率 的目的。
[0015] 本发明的有益效果是:本发明人通过试验研究发现，花生和油葵对重金属表现出 较好的富集能力，能在重金属复合污染土壤中正常生长，且其籽粒的产量未受影响。本发明 正是利用该两种油料作物对重金属的这一耐受能力和积累特性，将其轮作种植于重金属复 合污染土壤中，通过收获成熟期植物的地上和地下部分，将重金属从土壤中提取出来，达到 修复重金属污染土壤的目的。由于土地资源匮乏、油料作物种植面积过少造成了我国油料 资源短缺的问题十分严重。花生和油葵在过我国种植范围广泛、地域限制小，生长周期短， 生物量大，管理成本较低，具有较高的经济价值，除了作为食用油料以外，还可作为生物燃 料、加工制品等行业所需的原料避免进入食物链而造成二次污染。因此，本发明为土壤重金 属污染的修复技术开发了新的植物修复模式，利用花生-油葵轮作修复重金属污染土壤，在 时间和空间上很好地利用了荒废的污染土地，加快了修复速度，所得的油料果实又能在一 定程度上弥补油料资源短缺的问题，给农民带来一定的经济效益，无论从生态学还是经济 学的角度都是一项有效、可行的修复手段。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明实例中花生和油葵的干物质量分析图。
[0017]其中，A为花生，B为油葵。 具体实施方案
[0018] 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例。
[0019] 实施例1花生-油葵轮作对污染农田土壤的修复试验
[0020] 试验地点位于郴州市苏仙区，"有色金属博物馆"之称的柿竹园有色金属矿就位于 该区，多年的采矿、选矿以及对矿渣的随意堆积，造成了矿区农田土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd 和As的复合污染，土壤中重金属的本底值见下表1。
[0021] 表1污染土壤中重金属的含量(单位:mg/kg)
[0024]具体做法为:对重金属污染的矿区农田土壤进行翻耕、除杂、施肥。3月20日，以人 工点种的方式将花生种子直接播种于土壤中；播种完后覆土踏平，向垄面均匀喷施除草剂， 随后覆膜;播种后8-12天(清明节前后)及时破膜放苗;在花生生长过程中，做好护膜工作、 加强病虫害的防治、适当追肥等常规田间管理;生育期为130天左右。油葵种植前20-25天在 普通土壤中育苗，在8月中旬花生收获后，洇地造墒，翻耕、整地、施肥、开沟，随后种植油葵， 将油葵苗移栽至土壤中。油葵生长过程中，定期进行除草、防治病虫害、合理施肥和浇水等 常规田间管理;生育期为90天左右。油葵的种植密度为5株/m 2，花生的种植密度为10株/m2。 作物成熟后，所有植物样品均在每个单元格随机采集五个完整植株带回试验室进行处理。 收获的花生分为根、茎、叶、果壳和籽粒(种子），油葵分为根、茎、叶、花盘、果壳和籽粒(种 子），按常规手段测定植物不同部位重金属的含量。同时，对完整植株的干物质称重，计算花 生-油葵轮作模式对土壤重金属的修复潜力。试验结果如下表2:
[0025]表2轮作模式下花生、油葵各部位中重金属的浓度
[0027]花生和油葵轮作种植时，两种油料作物各个部分及作物品种之间对重金属的吸收 积累能力表现出显著性差异。重金属Cu主要积累在植物的根部，其次是叶。油葵对Cu的富集 能力比花生强，其根和叶中的Cu浓度分别为146mg/kg和115mg/kg，均高于土壤本底值 90.68mg/kg，富集系数分别为1.6和1.5,花盘和果壳中Cu的富集系数也趋近于1。花生的根 部对Cu的积累能力也较好，为117mg/kg，富集系数大于1。Zn在油葵根和叶中的含量较高，分 别为23911^/1^和2141^/1^，富集系数分别为0.54、0.49。？13和4 8在花生和油葵中积累含量都 不高，主要积累在植物的根部。其中Pb的最高浓度出现在花生根中，为87.7mg/kg，As的最高 浓度是油葵的根部，为80.9mg/kg，但都远小于土壤的本底值。一般情况下，植物根系对重金 属的积累浓度要明显高于其它部位，但Cd在花生和油葵的地上部分叶浓度明显高于地下部 分根，其叶中富集浓度分别高达39.2mg/kg和35mg/kg，富集系数分别为3.8和3.4。此外，花 生的根和茎，油葵的根、茎、花盘和果壳也表现出对Cd较强的积累能力，富集浓度都高于土 壤本底值10.3mg/kg，富集系数在1-3.15之间。重金属在作物的果壳和籽粒中浓度相对较 低，而Cu、Zn作为植物所必须的营养元素，对其积累的浓度又明显高于Pb、Cd、As。
[0028]由图1可知花生-油葵轮作模式下油料作物各部位及总的干物质量。花生和油葵在 重金属污染农田经过一季轮作种植，作物都能够正常生长，没有出现任何毒害作用，籽粒产 量也都在当地正常种植的范围内，分别为:花生2160kg/ha、油葵2100kg/ha。油葵的总生物 量大于花生，总干物质量高达23.2t/ha，根和茎杆的生物量远大于其它各部位，占总干物质 量的33.2%和30%。花生总干物质量分别ll.lt/ha，且茎杆的重量要明显高于其它部位，占 总干物质量的40.8%。总的来说，花生、油葵的地上部分干物质量都在50%以上，说明地上 部分的生物量对于土壤中重金属的提取总量起着决定性的因素。
[0029]表3花生-油葵轮作模式对污染土壤中重金属的提取总量(单位:g/ha)
[0032]由表3可知花生-油葵轮作模式下，植物地上部分、地下部分及完整植株对土壤中 重金属的提取总量。花生地上部分对各种重金属的提取总量明显大于地下部分，而油葵地 上部分只对Cd的提取总量高于地下部分，其他几种重金属均表现为地下部分提取总量高于 地上部分。花生地上部分对Pb和As提取总量高于油葵，分别为330g/ha、254g/ha。除此之外， 油葵地上部分、地下部分对Cu、Zn、Cd的提取总量也要高于花生。如果收获完整植株，油葵对 各重金属的提取总量均大于花生。说明植物在成熟期，如果连同地下部分的根一同收获将 大大增加所带着的重金属总量。花生、油葵轮作一季后，有效提高了对重金属的去除能力， 轮作模式对各重金属的提取总量远远大于花生和油葵单独种植的提取量，分别为Cu 2639g/ha、Zn 4485g/ha、Pb 1139g/ha、Cd 675g/ha、As 1085g/ha。其中，对Cd的提取量达到 了超富集植物的水平，与天蓝遏蓝菜效果相当。当土壤中Cd浓度为2.6-12.5mg/kg、Zn浓度 为107.6-365.7mg/kg时，天蓝遏蓝菜对Cd、Zn的最高提取量分别为700g/ha和4 . lkg/ha (Mcgrath S P,Lombi E,Gray C ff,et al.Field Evaluation of Cd and Zn Phytoextraction Potential by the Hyperaccumulators Thlaspi caerulescens and Arabidopsis halleri[J].Environmental Pollution,2006,141(1):115-25.)〇 [0033]综合以上结果，表明：在矿区重金属复合污染相当严重的废弃农田，花生和油菜能 正常生长，且都表现出对重金属较高的吸收积累能力及耐性，特别是花生和油葵的地上部 分对Cd的富集浓度都相当高，富集系数大于1。两种油料作物生物量都较大，对于土壤中重 金属的提取总量起着决定性的作用。花生-油葵种植模式能从土壤中提取一定量的Cu、Zn、 Pb、Cd和As，特别是对Zn、Cd的提取总量与天蓝遏蓝菜接近。因此在实际修复应用中，花生-油葵轮作模式适合用来修复重金属复合污染的农田。
【主权项】
1. 一种利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，该方法是将 花生和油葵按其自然生长期以花生-油葵轮作模式种植在重金属污染土壤中，进行常规栽 培，通过花生和油葵轮作增强其在自然生长过程中对重金属的吸收富集能力从而降低土壤 中重金属的含量。2. 如权利要求1所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在 于:所述花生-油葵轮作模式是将花生于3月底进行种植，当年8月中旬收获花生后种植油 葵，按照先花生后油葵的种植顺序，对两种油料作物进行轮作种植。3. 如权利要求1或2所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特 征在于:所述重金属为CM、Cu、Zn、Pb和As。4. 如权利要求3所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在 于:所述花生地上部分对重金属污染土壤中重金属的提取总量大于地下部分。5. 如权利要求3所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在 于:所述油葵的地上部分对Cd的提取总量高于地下部分，对&1、211、？13) 8均表现为地下部分 提取总量高于地上部分。6. 如权利要求3所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在 于:所述花生和油葵的地上部分对Cd的富集系数大于1。7. 如权利要求3所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在 于:所述花生和油葵对土壤中重金属Zn、Cd的提取总量与天蓝遏蓝菜相当。8. 如权利要求1或2所述的利用花生-油葵轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特 征在于:所述花生和油葵在该重金属污染土壤中均能正常生长，收获完整植株花生的总生 物量为11 · lt/ha-23 · 3t/ha，油葵的总生物量为23 · 2t/ha-27 · 8t/ha。
【文档编号】B09C1/10GK106001099SQ201610348446
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】曾清如, 杨洋, 周细红
【申请人】湖南农业大学