一种利用苦荬菜修复土壤重金属污染的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及污染环境的植物修复技术，一种利用苦荬菜修复土壤重金属污染的方 法D
【背景技术】
[0002] 随着工业的发展，城市污染加剧以及农业生产的不断进步，重金属伴随着外来有 机化合物对土壤的污染日益严重（Pambrun V，Marquot A，Racault. Characterization of the toxic effects of cadmium and 3.5-dichlorophenol on nitrifying activity and mortality in biologically activated sludge systems-effect of low temperature [J]. Environ Science Pollution Resource. 2008，15:592-599)〇 目前， 世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放Hg约1.5万t、Cu为340万 t、Pb为500万t、Mn为1500万t、Ni为100万t[1]。重金属污染会导致土壤的退化，降低农作 物的产量和质量(骆永明，滕应.我国土壤污染退化状况及防治对策[J]. 土壤，2006，38 (5): 505-508)，并且随雨水和泥沙通过径流和淋溶作用进入地表水和地下水，造成水体污 染（Mulligan C.N., Yong R.N., Gibbs B.F.. Remediation technologies for metal-contaminated soils and ground water: an evaluation [J]. Engineering Geology. 2001，60: 193-207)。纵观目前关于污染土壤生态修复的相关研究可见，虽然各方法或措 施间的优化组合是目前污染土壤生态修复研究的重点，但相关研究主要是对各种修复方法 组合方式的尝试(蓝嗣国。废旧干电池的几种综合利用方法[J]。环境科学动态，2000,4)。重 金属污染土壤的植物修复(Pyhtoremetiation)是指通过植物系统及其根系移去、挥发或稳 定土壤环境中的重金属污染物，或降低污染物中的重金属毒性，以期达到清除污染、修复或 治理土壤为目的的一种技术(刘凯，张健。污染土壤生态修复的理论内涵、方法及应用[J]. 生态学杂志2011.30(1): 162-169)。根据植物修复的作用过程和机理，重金属污染土壤的植 物修复技术可归为3种类型（白洁等。土壤重金属污染及植物修复技术综述[J]。环境保护与 循环经济，2008 (13): 49-51):植物稳定、植物挥发和植物吸取。主要包括超积累植物对根际 土壤中重金属的活化和超量积累植物对土壤重金属吸收及其解毒机理两个过程(张乃明、 段永蕙、毛昆明，《土壤环境保护》，中国农业科学技术出版社）。超积累植物活化土壤中的重 金属主要有三种方式:（1)酸化。植物的根系可以分泌质子，进而促进植物对土壤中元素的 活化和吸收。张淑香等人在2000年研究发现作物根系分泌的脂肪酸在根际环境中的积累 (郭彬等。土壤重金属污染及植物修复技术研究[J]。安徽农业科学，2007，35(37): 10776-10778)。根袋(rhizobag)试验(李文一等。土壤重金属污染的植物修复研究进展[J]。污染防 治技术，2006，19(2): 18-21)表明，T. caerulescens可以将土壤中的Zn从不溶态转化为可 移动态。（2)螯合。超积累植物能分泌某些金属结合蛋白和某些特殊的有机酸来螯合重金 属。蒋先军等人在2000年通过温室盆栽试验，证明印度芥菜(Brassica juncea)具有此种 能力。土壤重金属污染的植物修研究现状与发展前景[J]。热带农业科学，2006,26(1): 75-76)，但其研究缺乏这方面的直接证据。万敏等人在2003年通过对不同Cd积累类型 小麦根际土壤低分子量有机酸与Cd的生物积累的研究，证实植物可以通过分泌有机酸来复 合或螯合溶解土壤中的Cd(张淑香，高子勤。连作障碍与根际微生态研究，根系分泌物与酚 酸物质[J].应用生态学报，2000,11(1): 152-156)。（3)在根细胞质膜上的专一性金属还原 酶作用下，土壤中高价金属离子还原，从而溶解增加。Grill等实验证明植物结合重金属离 子的主要化合物就是PCs(李文一等。土壤重金属污染的植物修复研究进展[J]。污染防治技 术，2006，19(2): 18-21)。安志装等详细阐述了PCs的结构、组成和合成等方面的研究现状 (蒋先军等。重金属污染土壤的植物修复研究，金属富集植物Brassica juncea对锌、镉的 吸收和积累[J]。土壤学报，2002，39 (5)664-670)。植物MTs在金属离子的吸收和维持体内 平衡中发挥调节作用(林琦等。根系分泌物与重金属的化学行为研究[J]。植物营养与肥料 学报，2003，9(4)425-431)。因而加强对污染土壤生态修复的相关研究，进一步充实、完善 污染生态修复的理论内容，建立起污染生态修复的理论框架，应是目前的首要任务。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于提供一种利用苦荬菜修复土壤重金属污染的方法，以解决现有重 金属污染土壤修复技术中植物存在的不能多次收割、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、只对单一重金属有耐性和富集能力、不具有较好的经济效益、 实际应用综合效果不大等问题。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 在重金属复合污染的土壤中种植苦荬菜，通过其自然生长过程中对重金属的吸收富集 能力从而去除土壤中过量的重金属。
[0005] 所述种植在重金属复合污染土壤中的苦荬菜是一种对重金属有超耐性的植物，对 重金属有超强的富集能力。
[0006] 所述苦荬菜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，将苦荬菜直播在污染土壤中，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。
[0007] 所述在重金属复合污染土壤中种植的苦荬菜，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，其对重金属积累的总量也随之增加，尤其是对于重金 属Cd的累积，富集系数可达11.92。3月底种植苦荬菜，待其生长成熟后，间隔10~20天对其进 行刈割，多次重复操作，直至8月初苦荬菜开花结籽共有120天的生育期，能有效降低土壤中 重金属的含量，从而修复污染土壤。
[0008] 所述苦荬菜，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，按照高产田块的管理方式去管理，亩产可达1.5万多公斤，苦荬菜耐旱力强，对土壤要 求不严，各类地质均可种植。
[0009] 苦荬菜属有50种，产东亚及东南亚，我国有20种，广布。该属物种为多年生草本植 物。下级分类又分为深裂苦荬菜、剪刀股、苦荬菜和圆叶苦荬菜。本发明中的苦荬菜即下 级分类中的苦荬菜，又名鹅菜，八月菜，八月老、洋莴苣，俗称肥猪菜。是一种产量高，营养丰 富，造口性好的青绿饲料。兔、羊、猪、鸡、鸭、鹅、鱼等畜禽非常爱吃。苦荬菜病虫害少，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。苦荬菜耐旱力强，对土壤要求不 严，各类地质均可种植。自2月下旬至4月下旬均可播种。种子可直播，也可育苗移栽，将种子 拌和细土，均匀撒播，每分苗床播种200~300克，可供1~2亩地栽植之用。播种以后，只要温度 和水适宜，约5~6天即可发芽，待长4~5片叶即可进行移栽。行距为20~25厘米，株距10~15厘 米，苦荬菜长到30厘米高以上，就可刈割或肃叶喂饲，若有条件，每刈割或剥叶一次，別割高 度为5~6cm，每亩可追尿素10~15公斤或土杂肥3~4担。同时，还要做好中耕除草工作。一般 每隔10~20天可剥或刈割一次。剥叶时每次不能剥得太多，至少要留8片叶，如不能刈割是不 能将菜心割掉，应留下3~6厘米高的茬，以利再生。若菜收籽实时，8月以后应停止利用，使其 抽苔开花结籽。
[0010] 本发明的有益效果是： 发明人通过试验研究发现，苦荬菜对多种重金属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，且在生长期能够多次刈割。本发明正是利用苦荬菜对重金属的 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，通过对成熟植株的收割和 处理，以达到修复重金属复合污染土壤的目的。由于苦荬菜对土壤的适应性强，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，一次种植能 多年受益，其经济、药用价值很高，广泛应用于医药和民用工业，并且其经济利用方式又能 避免重金属重新进入食物链。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】
[0011] 图1~4为本发明实例中苦荬菜中重金属&1、211、？13、0(1的含量分析图一~图四。
【具体实施方式】
[0012] 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。
[0013] 实施例1污染矿区土壤修复试验 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Cu、Zn、Pb、Cd、As 的复合污染土壤(土壤重金属的本底值见表1)。
[0014]表1 土壤中重金属的本底值单位:mg/kg
具体作法为:将苦荬菜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，将苦荬菜直播在污染土壤中，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。
[0015]供试土壤采集于郴州矿区重金属污染农田，田间无水。采样深度为〇~30 cm。采用 多点取样，混合土样由3个以上分布点样品η组成。农田采回的苦荬菜植物样品，先用自来水 将植株便面的泥土彻底清洗干净，不能残留一点土壤。第一次分为根和叶，第二次为叶，第 三次为叶和花苞，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。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°C杀青2小时，然后调至60°C下烘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。
[0016] 试验结果如下： 由图1可见，重金属Cd在苦荬菜中的积累主要在地上部分，第一次刈割数据表明叶中的 Cd的含量远大于根部，是根部的12倍多，达到17.16 mg/kg，是土壤本底值的十五倍。三次刈 割数据显示递减的线性关系，但最后一次刈割时苦荬菜叶中的Cd含量依然高于土壤本底 值，达到10.76 mg/kg，接近本底值的十倍。第三次刈割时苦荬菜正处于花苞期，植株平均高 度达到了 1.4米，且均无重金属毒害症状。此时测得花苞的Cd的含量为3.58 mg/kg，依旧是 本底值的两倍，依旧很可观。所以，苦荬菜对土壤中Cd的富集作用是非常明显的。
[0017] 由图2可见，重金属Cu在苦荬菜中的积累也主要在地上部分，第一次刈割数据表明 叶中的Cu的含量大于根部，达到10.63 mg/kg。三次刈割数据显示递增的线性关系，最后一 次刈割时苦荬菜地上部分(叶和花苞）的Cu含量达到26.98 mg/kg。第三次刈割数据显示叶 中Cu含量比第一次高，但低于第二次刈割时的含量，此时花苞中的Cu含量高于叶中Cu的含 量，达到14.23 mg/kg，这是Cu在植株中从叶向花苞转运的结果。总体而言，苦荬菜对土壤中 Cu的富集作用也不错。
[0018]由图3可见，重金属Zn在苦荬菜中的积累也主要在地上部分，由于Zn是植物生长的 必须元素之一，所以积累量非常大，超过了土壤本底值。第一次刈割数据表明叶中的Zn的含 量也大于根部，达到250.82 mg/kg，大于土壤的本底值。三次刈割数据显示先增加后减少的 线性关系，第二次刈割时Zn的含量甚至高于第一次刈割时的含量，达到了256.99 mg/kg。但 是第三次刈割时地上部分的总含量低于前两次，说明随着开花期的到来，苦荬菜对Zn的需 求量减少，因此可在开花期之前增加对苦荬菜的刈割次数以增强苦荬菜对土壤中Zn的修复 作用。总体而言，苦荬菜对土壤中Zn的富集作用非常好。
[0019] 由图4可见，重金属Pb在苦荬菜中的积累主要在地下部分，苦荬菜对Pb的累积作用 不是很显著，但土壤中的Pb含量达到了 268mg/kg，而苦荬菜没有表现出明显的毒害状态，这 表明高浓度的Pb污染不会影响苦荬菜在重金属复合污染区的生长。可见苦荬菜非常适宜在 重金属复合污染区种植。
[0020] 综合以上结果表明： (1)这种修复方法中的苦荬菜有对重金属良好的吸收积累能力。其中油菜对Cd和Zn表 现出了很强的积累能力。
[0021] (2)综合分析这种修复方法，苦荬菜长势非常好，是产量高，营养丰富，造口性好的 青绿饲料。兔、羊、猪、鸡、鸭、鹅、鱼等畜禽非常爱吃。苦荬菜病虫害少，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。耐旱力强，对土壤要求不严，各类地质均可种 植。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，采用苦荬菜 在重金属修复和经济效益方面均能取得令人瞩目的效果。
【主权项】
1. 一种利用苦荬菜修复土壤重金属污染的方法，其特征在于:将苦荬菜按照其自然生 长期种植在重金属复合污染的土壤中，进行常规地栽培。2. 通过其自然生长过程中对重金属的吸收富集能力从而去除土壤中过量的重金属。3. 根据权利要求1所述的利用苦荬菜修复土壤重金属污染的方法，苦荬菜长到30厘米 高以上，就可刈割，一年可割4~6次。4. 多次重复操作，能有效降低土壤中重金属的含量，从而修复污染土壤。5. 每XU割或剥叶一次，XU割高度为5~6cm，每亩可追尿素10~15公斤或土杂肥3~4担。6. -般每隔10~20天可剥或XU割一次。7. 剥叶时每次不能剥得太多，至少要留8片叶，如不能刈割是不能将菜心割掉，应留下3 ~6厘米高的茬，以利再生。8. 根据权利要求1所述的利用苦荬菜修复土壤重金属污染的方法，其特征在于:所述苦 荬菜，按照高产田块的管理方式去管理，亩产可达1.5万多公斤。9. 苦荬菜属有50种，产东亚及东南亚，我国有20种，广布。10. 该属物种为多年生草本植物。11. 下级分类又分为深裂苦荬菜、剪刀股、苦荬菜和圆叶苦荬菜。12. 本发明中的苦荬菜即下级分类中的苦荬菜。
【专利摘要】本发明涉及重金属污染土壤的植物修复技术，解决现有重金属污染土壤修复技术中植物存在的不能多次收割、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等问题。该方法是将苦荬菜按照自然生长期种植在重金属复合污染的土壤中，进行常规地栽培。并且没有出现明显的毒害症状，不影响苦荬菜的产量；而且其地上部分生物量大，在生长期可以刈割4～6且不影响其生长速度，能够吸收积累大量多种重金属，重金属的含量在植株中明显高于土壤本底值，达到富集水平。采用本方法栽培简单，苦荬菜作为常规牧草有很高的经济价值，经过脱毒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不错的经济收入。
【IPC分类】B09C1/10
【公开号】CN105710126
【申请号】CN201610046849
【发明人】曾清如, 陈璘涵, 葛一陈
【申请人】湖南农业大学