本发明涉及重金属污染农田的环境修复领域，具体涉及利用多功能作物甜高粱实现对镉污染农田的安全利用方法，属于环境污染治理和新能源
技术领域：
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背景技术：
：土壤是人类赖以生存的物质基础。然而，环境保护部和国土资源部公布的《全国土壤污染状况调查公报》(2014年)显示：我国土壤污染问题十分严重，总的超标率为16.1％，其中，镉的超标问题最为严重，超标点位达到7.0％，其主要来源是：工业“三废”的排放，以及农业上污水灌溉、污泥和磷肥的施用等。镉很容易被植物吸收，从而进入食物链，威胁人类健康，因此镉污染的农田具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，然而，结合我国人多地少的国情，使我们不能简单的采取弃耕修复等手段，所以如何利用或修复镉污染农田，实现对污染土地的可持续利用是我们急需要解决的问题。虽然重金属污染土壤的修复方法有很多种，包括物理法、化学法、生物法和多种技术联合法等，但是由于物理法和化学法往往具有修复成本较高、对土壤植被破坏性较大、二次污染严重等特点，主要适用于小面积污染土壤的修复，制约了其在大面积重金属污染农田修复中的应用。与物理法和化学法相比，虽然植物修复具有成本低、环境友好、无二次污染、对土壤结构不产生破坏等优点，但是植物修复周期较长、修复效率低、经济效益低等缺点，严重制约了其推广和应用。因此针对镉污染农田，需要同时兼顾粮食安全和经济效益两个方面，避免产出的含重金属污染物农产品进入食物链，保证农田的经济产出。甜高粱(sorghumbicolor(linn.)moench)作为重要的能源植物和粮食作物，具有光合效率高、生物产量高、抗逆性强、适应性广等特点，并对锌、砷、铜、镉等重金属具有很强的吸收能力和耐性，可亩产含糖12-14％的茎秆5-6吨。因此甜高粱生产乙醇被认为是极有潜力的替代石油途径之一，其发酵工艺成熟、生产周期短、生产成本相对低廉的优势。因此，需要一种能对镉污染农田进行修复，实现有效的镉回收，并能带来一定的经济效益的基于多功能作物甜高粱的镉污染农田安全利用方法。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于多功能作物甜高粱的镉污染农田安全和经济利用方法，该方法包括以下步骤：步骤一：在镉污染农田上种植多功能作物甜高粱，有效吸收土壤中的重金属镉，修复土壤；所述种植甜高粱的品种为n31f2087。步骤二：采用适当的栽培管理措施种植甜高粱，保证甜高粱的正常生长；步骤三：成熟后收获地上部，将甜高粱籽粒用于食用或饲用；步骤四：将甜高粱茎秆用于作为固态发酵技术的原料生产乙醇，并且燃烧发酵渣回收重金属镉，从而避免土壤中的镉进入食物链。在步骤一中，在镉污染农田中种植能源植物甜高粱。甜高粱不同品种对于镉的吸收特征并不相同，选择积累量高、生物量大的甜高粱品种。优选地，所述甜高粱的品种选用n31f2087，从甜高粱自身的遗传种质资源角度分析得出：该品种的甜高粱生物量大，能最大限度的吸收重金属镉，同时籽粒中的重金属镉的含量最低。一般情况下，n31f2087茎秆中镉含量达2.60mg/kg，而籽粒中的镉含量少于0.02mg/kg，其含量远低于粮食污染物检出标准(gb-2762-2012)0.1mg/kg。若n31f2087干物重量为270g/株，茎秆中镉含量达2.60mg/kg，每株可吸收镉702μg。在步骤二中，采用适当的栽培管理措施，保证甜高粱的正常生长。优选地，种植甜高粱采用适当的管理措施包括以下步骤：种植前期：1、深耕细作：深耕用于创造疏松的土层，改善土壤肥气热状况，有利于根系的伸展和土壤微生物的活动；优选地，耕翻深度30-35cm。2、除草剂处理：按照说明使用。3、施用底肥：尿素20-25公斤，磷酸二铵20-25公斤。播种期：精量点播，优选地，种植密度为0.2m×0.5m；播种深度为3-4cm；每穴2-3粒，亩播量0.8-1公斤。间苗定苗期：优选地，在2-3叶时期进行间苗；在4-5叶期进行定苗，每穴留一株。苗期的水肥管理：在苗期，根据降水情况和土壤墒情及植株长势适时浇头水。优选地，在孕穗期，结合浇水亩追施硫酸铵10-15公斤。苗期至成株期的病虫害防治：一是蚜虫的防治：在苗期至成株期，每亩分别用10％吡虫啉可湿性粉剂30-90g。3％阿维高氯乳油20-60ml，40％毒死稗乳油10-30ml，根据植株大小任选一种药剂兑水30-90公斤进行叶面喷雾。甜高粱含糖量高，易受蚜虫危害，7月中下旬是防治蚜虫的关键时期，此时如遇高温干旱，降水偏少天气，极易造成蚜虫偏重发生，应及早防治。二是红蜘蛛的防治：苗期、成株期每亩分别用1.8％阿维菌素乳油15-30ml，73％克螨特乳油15-45ml，兑水30-90公斤叶面喷雾防治。该类虫害主要放生在叶片背面，发生危害程度较玉米轻。收获时期：根据甜高粱生长情况适时收获。在所述步骤二中，所述栽培管理措施通过在孕穗期向土壤中施加硫酸铵，可以提高土壤中的有效态镉含量，从而提高甜高粱地上部对重金属的吸收量，进一步提高其修复效率。在步骤三中，甜高粱成熟后，收获地上部以获得固体发酵技术生产的原料茎秆和符合我国粮食标准的籽粒。收获甜高粱的地上部分，其中茎秆能够最大限度的吸收土壤中的重金属镉，达到修复土地的作用，吸收重金属的茎秆再用于通过固态发酵技术生产具有经济价值的乙醇；其中籽粒中镉含量极低，符合粮食污染物检出标准(gb-2762-2012)可食用或饲用，实现对产出植物的合理利用。在步骤四中，将甜高粱茎秆用于作为固态发酵技术原料生产乙醇，并且燃烧发酵渣生产热或电，同时回收重金属镉。其中固态发酵技术为assf连续固态发酵，所述assf连续固态发酵不使用防腐剂，不涉及秸秆压榨，无废水排放，采用自控连续固态发酵装置，实现固态发酵工艺的连续化、自动化；发酵罐体回转速度、布料板角度可调，加强了生产的可调可控性。所述assf连续固态发酵中使用的菌种为酿酒酵母tsh2，保藏编号：cgmcc14223，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期为2017年06月06日；所述酿酒酵母tsh2为经过特殊驯化、遗传改造的特有菌种，在固体发酵条件下可耐受高温，且吸收可发酵糖速率高效，从而固体发酵效率明显高于其它工业酵母，将发酵时间由现有技术的24h缩短为20h，为高产乙醇酵母菌种，有效解决了以往的菌种针对固体发酵的发酵热累积(高温)、传质效果差的问题。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、针对存在镉污染的农田，本发明采用改变农业种植结构，种植抗性能源植物甜高粱，在现有技术的基础上筛选出最适宜的甜高粱品种，将其茎秆用于生产乙醇，其籽粒用于食用或饲用，进一步提高了产出植物的经济价值。2、采用先进的固态发酵技术处理富含重金属的甜高粱茎秆，其中所采用的菌种为特有酿酒酵母菌种，发酵时间由原来24h减少到20h。3、种植甜高粱可以对镉污染土壤起到修复作用，与传统的修复方法相比，具有成本低、环境友好、无二次污染、对土壤结构不产生破坏，同时产生了一定的经济效益，真正做到了对于镉污染农田的边生产边修复。4、方法技术简便、方法易行，在广大的镉污染地区具有极其广阔的应用前景。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。具体实施方式通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。实施例1盆栽试验供试植物：甜高粱品种pi5260601sdusa供试土壤：取农田土壤经自然风干、去杂质、磨碎、过6mm筛，按照0、1、10、30mg/kg的浓度配置镉污染土壤，加入相同的氮磷钾底肥，用量分别为：氮肥200mg/kg、磷肥100mg/kg和钾肥200mg/kg，装入容量为7kg的花盆中，加水平衡30天后进行栽培土壤含水量维持在田间持水量的70％(70％是旱地植物生长的最适田间含水量)。选择生长一致甜高粱幼苗进行移栽，每盆种植1株，每个处理重复6盆，期间正常水肥管理，待甜高粱成熟后，收获甜高粱地上部。对甜高粱不同部位进行镉含量测定。在甜高粱收获后，用20mm乙二胺四乙酸二钠浸泡3h以除去表面粘附的离子，分别将根、茎、叶、种子分离，用去离子水冲洗3—4次，样品在105℃杀青30min，然后在80℃烘干至恒重，分别称重，结果见表1，随后将样品粉碎后，分别用浓硝酸消解，用icp-ms(agilent7700x,agilenttechnologies,usa)测定样品中的镉含量，结果如表2所示。表1不同镉处理条件下，甜高粱的根、茎、叶和籽粒的干重镉处理/mg·kg-1根重(g)茎重(g)叶重(g)籽粒重(g)011.89±4.9834.55±3.5420.98±3.082.83±0.36113.75±3.4632.80±3.9622.37±3.922.76±0.27109.86±3.3527.16±2.7718.49±2.042.46±0.52307.27±2.2823.43±2.5614.77±6.402.73±0.23由表1可知，低浓度的镉处理(10mg/kg)对于甜高粱的生长并没有影响，在高浓度的镉处理(30mg/kg)的条件下，甜高粱的生长受到了明显抑制，根、茎、叶的重量分别比对照下降了38.86％、32.19％、29.60％，而对于籽粒的产量并没有影响。表2不同镉处理条件下甜高粱各部分中的镉含量由表2可知：随着处理浓度的增加，根、茎、叶中的镉含量也逐渐增加，并且在甜高粱体内呈根>茎>叶>籽粒的分布特征。在镉浓度为30mg/kg的处理条件下，甜高粱地上部茎、叶、籽粒的积累量分别为184.40μg/株、65.53μg/株、0.72μg/株。虽然在高浓度的镉处理条件下(30mg/kg)，甜高粱的生长受到了一定的抑制，但是其可以完成正常的生育期，并具有一定的产量。进一步地，在土壤总镉含量一定的条件下，通过向土壤中添加施加化学药品，可改变土壤理化性质，提高土壤中的有效态镉含量，进而提高甜高粱地上部对重金属的吸收量，从而进一步提高其修复效率。其中添加的所述化学药品为硫酸铵，通过在孕穗期向土壤中施加硫酸铵，即为甜高粱提供了营养，促进植物生长，又可以提高土壤中镉的生物有效性，有利于甜高粱对其的吸收。土壤中的重金属元素主要存在水溶态、交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态以及残渣态等五种形式，各种形态重金属的化学活性和生理毒性并不相同，影响重金属有效性的主要因素包括土壤ph值、有机质含量、腐殖酸组成等多个因素，随着土壤中总镉含量的增加，有效态镉含量也显著增加。实施例2田间种植试验—广东韶关本发明方法在广东省韶关市重金属污染农田(土壤基本理化性质见表3)进行试种，由表3可知，土壤中镉含量超过国家三级土壤标准值(1mg/kg)7.93倍。试验选择5个不同的甜高粱品种(系)为材料，主要包括：n31f2087，407a×南皮晚熟，n32f2026，823和n31k2168。甜高粱成熟后，测量株高，去除叶片，将茎和种子分别收获，并称量茎秆鲜重，样品在105℃杀青30min，然后在80℃烘干至恒重，称量干重，计算茎秆含水量，随后将烘干后的茎秆和籽粒用不锈钢粉碎机磨碎后，分别用浓硝酸消解，用icp-ms(agilent7700x,agilenttechnologies,usa)测定样品中的镉含量，结果如表4所示。表3试验地土壤基本理化性质ph有机质/g·kg-1速效氮/mg·kg-1速效磷/mg·kg-1速效钾/mg·kg-1镉含量/mg·kg-15.9742.25267.6520.59100.57.93表4生长于广东省韶关市镉污染农田的不同品种(系)甜高粱生长情况及茎秆和籽粒中的镉含量由表4可知，不同品种在同一地点的生长状况有明显的差异，按照每亩种植7000株计算，可亩产甜高粱茎秆5.1-5.8t，平均可达亩产5.5t，茎秆中的平均含糖量为10.03％，每亩可产糖550kg。在镉污染的农田种植甜高粱，甜高粱地上部会吸收一部分镉，不同甜高粱品种对于镉的吸收量是不同的，其中n31f2087茎秆中的镉含量为2.60mg/kg，与超累积植物相比，甜高粱茎秆中的镉浓度较低，但是其生物量较高，n31f2087干物质量为272.88g/株，每株可吸收镉709.4μg，按照每亩7000株计算，每亩甜高粱茎秆可吸收镉4966mg/亩。通过田间试验的结果可知，甜高粱株高可达到2.8-3.7m，籽粒中的镉含量均达到粮食污染物检出标准(gb-2762-2012)0.1mg/kg，即镉在籽粒中的分布最低，甜高粱籽粒可作为粮食食用或者饲用，每亩产出甜高粱籽粒150-250kg。其中n31f2087为最适宜的种植品种，其茎秆镉含量最高，而籽粒镉含量最低，最安全。实施例3田间种植试验—湖南湘潭本发明方法在湖南省湘潭市重金属污染农田(土壤基本理化性质见表5)进行试种，由表5可知，土壤中镉含量超过国家二级土壤标准值(0.3mg/kg)1.83倍。试验选择5个不同的甜高粱品种(系)为材料，主要包括：n31f2087，407a×南皮晚熟，n32f2026，823和n31k2168。甜高粱成熟后，测量株高，去除叶片，将茎和种子分别收获，并称量茎秆鲜重，样品在105℃杀青30min，然后在80℃烘干至恒重，称量干重，计算茎秆含水量，随后将烘干后的茎秆和籽粒用不锈钢粉碎机磨碎后，分别用浓硝酸消解，用icp-ms(agilent7700x,agilenttechnologies,usa)测定样品中的镉含量，结果如表6所示。表5试验地土壤基本理化性质ph有机质/g·kg-1速效氮/mg·kg-1速效磷/mg·kg-1速效钾/mg·kg-1镉含量/mg·kg-14.6732913.48550.55表6生长于湖南省湘潭市镉污染农田的不同品种(系)甜高粱的生长情况及茎秆和籽粒中的镉含量由表6可知，不同品种在同一地点的生长状况有明显的差异，按照每亩种植7000株计算，可亩产甜高粱茎秆5.1-6.0t，平均可达亩产5.5t，茎秆中的平均含糖量为10.45％，每亩可产糖580kg。在镉污染的农田种植甜高粱，甜高粱地上部会吸收一部分镉，不同甜高粱品种对于镉的吸收量是不同的，n31f2087茎秆中的镉含量为1.92mg/kg，与超累积植物相比，甜高粱茎秆中的镉浓度较低，但是其生物量较高，n31f2087干物质量为230.88g/株，因此每株可吸收镉443.28μg/株，按照每亩7000株计算，每亩甜高粱茎秆可以吸收3103mg/亩。在湖南湘潭镉污染农田种植的甜高粱株高可达到2.8-3.3m，并且籽粒中的镉含量均达到粮食污染物检出标准(gb-2762-2012)0.1mg/kg，这与广东韶关的试验结果一致，因此籽粒可以作为粮食食用或者饲用，每亩产出甜高粱籽粒150-250kg。实施例4采用固态发酵技术进行发酵发酵对象为：品种为n31f2087的甜高粱茎秆采用发酵菌种为：特有酿酒酵母tsh2(saccharomycescerevisiaehansen)将品种为n31f2087的富含重金属镉的新鲜甜高粱茎秆剥叶后粉碎混合均匀(直径1-5mm，长度小于50mm)，称取10kg的粉碎料，按照10％的接种量接入已培养好的种子液(菌种为酿酒酵母(saccharomycescerevisiaehansen)tsh2)，初始发酵温度25-35℃，放入容量为50l的转鼓式发酵罐中进行发酵，发酵20h后，搅拌转速控制在0.08rpm。蒸馏后得到乙醇，乙醇收率达到90％以上。本实施例中采用的菌种是经过筛选、驯化及遗传改造后得到，可耐受固体发酵下高温、传质速率低的特点，从而提高发酵效率和乙醇产率，在原有技术的基础上进行改进，发酵时间由原来24h减少到20h。所述菌种为酿酒酵母tsh2，保藏编号为cgmcc14223，保藏单位为：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期为2017年06月06日。本发明通过在镉污染农田上种植不同品种的甜高粱，选出最适宜种植的甜高粱品种，实现了对镉污染农田安全利用，同时产生一定的经济效益，解决污染土地治理的经济效益问题，并且还可以有效扩大能源植物的种植面积，对土壤中的镉进行修复，真正实现边生产变修复的目的。本方法技术简便、方法易行，在广大的镉污染地区具有极其广阔的应用前景。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。当前第1页12