一种利用超富集植物与能源植物轮作种植快速修复镉污染耕地的方法与流程

本发明涉及一种利用超富集植物与能源植物轮作种植快速修复镉污染耕地的方法，属于污染土壤的植物修复
技术领域：
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背景技术：
：随着城市化、工业化的加速发展，日益严重的土壤重金属污染问题已对人类健康和社会发展造成严重威胁。土壤重金属污染的加剧不仅影响农田土壤的正常使用与造成地下水水质恶化，而且带来农产品质量和品质问题，严重威胁到人居环境安全和生态环境安全。近年来全国大面积的耕地土壤重金属污染事件频发。国务院2016年五月发布《土壤污染防治行动计划》提出：到2020年，受污染耕地安全利用率达到90％左右，污染地块安全利用率达到90％以上。到2030年，受污染耕地安全利用率达到95％以上，污染地块安全利用率达到95％以上。到2020年，受污染耕地治理与修复面积达到1000万亩。面临“土十条”提出的明确要求，我国耕地修复势在必行。传统耕地重金属污染修复技术包括农艺调控、钝化修复与植物修复。农艺调控方法包括撒播生石灰调节土壤pH值、水分管理和筛选重金属低积累作物品种，该方法仍然存在修复不彻底、可能造成土壤板结、农民参与积极性低等问题；钝化修复是通过调节土壤理化性质以及氧化-还原等反应，降低土壤中重金属的有效性，该方法仍然存在修复效果不稳定，可能影响土壤质量，长期施用存在生态风险，目前实际耕地修复中主要辅助农艺调控。植物修复技术是近年发展起来的一种更具潜力的生物治理技术，主要包括植物提取、植物挥发、植物钝化与植物过滤四种类型。目前普遍采用植物提取的方式修复耕地，即利用重金属超富集植物的生理、生态和生化功能，活化根际土壤重金属活性，吸收并转运至植物地上部，完成修复任务后收割地上部分再焚烧，最后作为固体废弃物填埋，从而达到去除耕地土壤中超标的重金属污染物的目的。植物修复技术以低成本、高效率、原位性为优势，安全的处理耕地土壤环境中的重金属污染物。但是超富集植物大多生物量较小且生长缓慢且经济性差，而一般具经济效益、生物量大的植物体内重金属浓度偏低，往往存在修复周期过长，难以满足快速修复耕地污染的需求。因此，面对发布“土十条”中对耕地修复任务的紧迫性，加之我国作为人口大国的粮食安全形势，需要在本领域开发一种修复快速、周期短的植物修复技术。技术实现要素：本发明的目的是提供一种快速修复耕地土壤重金属污染的方法，采用重金属超富集植物-伴矿景天与能源植物-高粱与油菜一年内两茬，修复周期内多茬轮作的方式，利用轮作种植的方式缩短了耕地土壤重金属污染治理的周期，直接提升了修复效率；并减少了耕地空闲时间、解决了分别利用超富集植物和能源植物存在的受季节限制、生长缓慢、生物量小、重金属提取量小与经济效益差等问题。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种利用景天植物与能源植物轮作种植快速治理镉污染耕地的方法，具体是采用有顺序地在季节间或年度间实行超富集植物和能源植物轮换种植的方式。本发明方法能够解决在南方酸性土壤一年内连续种植超富集植物会影响修复效果的问题，快速实现高效修复重金属污染耕地。其中，所述镉超富集植物优选伴矿景天；所述能源植物优选高粱或油菜，油菜品种根据高含测量、菜籽中芥酸含量低与菜籽饼中硫苷含量低的标准(高油双低)进行选育种植。具体实施方案是：四月份移栽景伴矿景天直至七月份收获；八月上旬土壤翻耕后，于八月下旬种植高粱，十月中下旬直播油菜，于十月下旬和次年四月分别收割高粱与油菜地上部，去除地下部。实施本发明方法时，可按照下述步骤进行：a)确定修复耕地选定待修复重金属污染耕地，确认大气污染沉降污染源被截断，灌溉水水质符合要求。对整个污染耕地范围划分为多个小区，每64m2为一个小区，分区分层采集土壤初始样品，检验分析，掌握土壤污染状况和肥力状况。b)整地翻耕划定修复小区，实施土壤耕作，一般耕深15～30cm、垄距30～70cm，具体根据前茬及下茬作物的根系分布和长势，判定耕作深度和垄距。一般可结合翻耕施入有机肥与复合肥。翻耕平整，筑梗做畦。c)景天种植与田间管理确定种植密度；当土壤温度达15～20℃，田间持水量约70％时(南方大部地区大概三月中旬至四月中旬)，选择长势良好无病虫害的伴矿景天母株，保留3～5个芽(8～15cm)的茎段，修剪茎段基部三分之一的叶片，在阴凉处静置1～3天后移栽，伤口愈合后可使叶片与茎段剪伤处不腐烂，增大移栽成活率。开挖定植穴并施肥，四月中旬将株高约10cm的伴矿景天营养枝斜插至土壤中，必须保证生长端朝上，并且茎段全部没入土中，防止上端茎部细胞失水过快，而下端吸水缓慢而死亡。当营养枝长出幼根时，及时喷施0.5％的尿素溶液进行叶面追肥；景天在高温、高湿的环境下容易感染菌类而腐烂，插后第三天喷施一次50％多菌灵0.125％浓度的溶液，预防病虫发生利于早生根；根据土壤墒情进行灌溉，保证植株成活。定期松土及除草，一个月后追施浓度为0.1％～0.2％液肥一次。d)景天收割后处理为了防止伴矿景天出现叶片自然脱落返回耕地，在七月下旬景天繁茂期收获景天，检测植物体内重金属含量，送至垃圾焚烧厂或生物质发电厂，燃烧发电，飞灰和炉渣做进一步无害化资源化处置。e)能源植物种植管理八月上旬或中旬对耕地重新翻耕，实施土壤深耕，一般耕深25～30cm、垄距50～60cm，各小区之间不打破，直播高粱或油菜；高粱不同生育时期对N、P、K元素的吸收量和速度是各不相同的。按照“中耕培土，适时施肥”的原则，其追肥最大效应时期是在拔节期，其次是孕穗期。拔节后结合中耕开沟培土，促进节根发生，防止倒伏。冬油菜及时定苗：出苗后一般在3～5片真叶时间苗、定苗，定植密度为每亩4～6万株；出苗后要进行1～2次中耕，以消灭杂草，促进幼苗生长；有灌溉条件的地块结合土壤墒情及时灌水并追肥，追肥以氮肥为主(尿素5-10kg/亩)。f)能源植物收割后处理高粱于十月下旬收获，油菜于次年四月收获地上部，并抽样检测植物地上部镉含量，高粱秸秆送往乙醇发酵厂，发酵成工业酒精，过程中所产生的酒糟用于生物质发电，产生经济价值，为农民增收。油菜籽粒榨制为食用油，粕饼无毒化处理作饲料或肥料，秸秆用于生物质发电。本发明采用的伴矿景天、高粱和油菜，均可以显示出较好的土壤生长适应性，在污染耕地土壤中对镉有较好的耐受性与富集性，有效的利用了耕地土壤空闲期，用轮作的方式结合了景天植物对镉的超富集作用与能源植物生物量大和经济性的优势，增大了植物对耕地土壤中的吸收量，从而实现耕地重金属污染土壤的快速修复。本发明采用的伴矿景天，是生长于浙江铅锌矿地区的一种景天科植物，具有超富集镉、铅的能力，株高10～40cm。本发明采用的高粱，属于禾本科高粱属，高粱变种，一年生草本植物，高3～5m，适应性较强，耐旱、耐涝、耐盐碱等。本发明采用的油菜，属于十字花科芸薹属，越年生或一年生草本植物。本发明采用的伴矿景天、高粱和油菜可通过提取耕作层中的重金属转移至植物地上部，收获后通过焚烧处理，收集飞灰或灰渣作为固废进行填埋或资源化回收利用。下一年重复以上修复流程。在本发明修复方法，采用的超富集植物伴矿景天与重金属中、高等积累型能源植物高粱和油菜，均可在镉污染耕地土壤中正常生长并富集土壤中的镉。由于以上三种修复植物土壤适应力强，以轮作的种植模式可以提高对不同植物根系深度营养利率与光能利用率，解决在高温高湿季节景天植物根部易腐烂的问题，以及受超富集植物生长季节受限造成污染耕地闲置的现象。因此，本发明利用对镉有超富集作用的伴矿景天，与生物量大的重金属中、高等积累型高粱和油菜，在镉污染耕地上进行轮作种植，有效的利用了伴矿景天、高粱与油菜的不同深度根系的营养成分和光能利用率，减少了污染耕地空闲时间，进一步增大了植物对土壤中镉提取量，提高了镉修复效率，从而达到有效缩短镉污染耕地修复周期的目标。综上，本发明具有如下有益效果：本发明采用地上部生物量大的高粱和油菜，与超富集植物伴矿景天进行轮作种植，而不是单作超富集植物或单作生物量大的能源植物进行修复，不仅提升了植物对污染土壤中的重金属总提取量，缩短了修复周期，而且能源植物具有一定的经济利用方式，对于耕地修复产业模式化有一定的经济推动作用。本发明提供了一种不受生长季节限制的种植模式，以一年为修复周期，多茬种植利用较长的生长周期，使污染耕地土壤修复效率得到提升，修复周期缩短且可操作性强，成本低，修复更彻底。附图说明图1为本发明实施例1中轮作与单作模式下土壤镉降低率。图2为本发明实施例1中轮作与单作模式下植物地上部镉提取量。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1、镉污染耕地修复试验1、试验区概况试验区位于湖南省某县，该地区属于亚热带季风气候，年平均气温17℃，年平均降水量1392mm。试验地为矿区受重金属污染的农田，由于上风向金属冶炼厂长期大气沉降和污水灌溉，导致农田土壤中镉轻度超标，土壤pH值为5.2，土壤耕作层中镉浓度平均为0.6mg/kg。2、试验设计试验区包括1个对照小区和2个处理组，分别进行3次重复，小区数等于处理数，每个处理组为6m×10.5m。具体处理如下：处理组1为伴矿景天单种(CK)，处理组2为伴矿景天与高粱轮作种植，处理组3为伴矿景天与油菜轮作种植。该试验开始于2016年，对2016年至2017年间土样与植物样品进行采集与分析。田间试验设计中田间排列除了应设置一定的重复组以外，还应贯彻随机排列和局部控制的原则。随机排列是指在同一区组中，每个处理组都有相同的概率出现在任意的一个小区位置中。局部控制是指通过合理划分区组，以达到控制田间试验误差的方法。表1田间试验小区设计方案类别数值总面积700m2保护行0.5m植物行距(景天、高粱、油菜)0.15m、0.6m、0.2m植物株距(景天、高粱、油菜)0.15m、0.2m、0.2m植物株数(景天、高粱、油菜)2844株、534株、800株总处理数3重复数3各处理小区面积64m23、试验进度安排取健康的、大小一致的伴矿景天生长枝，于生长下端涂抹生根粉，扦插种植于排水良好的土壤中，土壤采用蛭石、草炭土和沙土按照1：1：3配置。由于景天属植物不需要有过深的根系去吸取土壤底层的水分，扦插的深度不需要过深大概3厘米。待生长枝的根长约5cm，有6片真叶可移栽至大田。四月初将伴矿景天移扦插至试验田各处理组，于七月下旬收获9个处理组景天植株，秋季收获后及时灭茬旋耕、耙地，一般耕深25厘米、垄距50～60厘米，以保后茬秋冬季积蓄于土壤表层的水分，供种子发芽，做到无漏耕、无坷垃。八月下旬在第二处理组种植高粱，十月下旬收获高粱；于十月中下旬在第三处理组直播油菜，于次年四月下旬收获油菜。根据前茬及下茬作物的根系分布和长势，判定耕作深度和垄距。一般可结合翻耕施入有机肥，耕深15～30cm、垄距30～70cm,施肥为在播种前深耕土地，首次每亩施用农家肥1000kg，氮肥25kg，磷肥8kg，钾肥5kg。筑梗做畦，每畦宽1.5～2.5m。4、取样与分析试验前后分别在每小区沿“S”形路线用竹制采样器进行采样，每1平米一个土样，采集非根际土壤，混合为1kg并风干为土壤样品；每小区的植物收获后用自来水与去离子水先后洗净、烘干、称重，粉碎备用。土壤样品采用王水-高氯酸消煮，植物样品用HNO3-HClO4消煮后，Cd浓度采用原子吸收光谱仪测定。数据整理结果(土壤镉降低率和植物地上部镉提取量)如图1和图2所示。由图1-2可以看出，景天与高粱轮作处理下的土壤镉平均修复率是单种植伴矿景天的1.54倍，植物地上部镉平均提取量是单种植伴矿景天的1.31倍；景天与油菜轮作处理下的土壤镉平均修复率是单种植伴矿景天的1.17倍，植物地上部镉平均提取量是单种植伴矿景天的1.2倍。表明伴矿景天与能源植物轮作种植增加了植物对土壤中镉的吸收量，并提升了污染土壤中镉去除率，其中利用伴矿景天与高粱轮作的修复轻度污染耕地的年均降低率高达31.6％。当前第1页1 2 3