一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法
【专利摘要】一种利用菊苣修复重金属镉污染土壤的方法，是将菊苣按照其自然生长期种植在重金属复合污染的土壤中，进行常规栽培；通过菊苣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。菊苣在重金属污染土壤中能正常生长，未出现明显毒害症状，不影响菊苣的产量；且因其地上部分生物量大，在其生长期可以多次刈割，能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。本方法栽培较简单，管理费低，一次种植能多年受益，菊苣作为常规牧草有很高的经济价值，经过简单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。
【专利说明】
一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法
技术领域
[0001]本发明涉及重金属污染土壤的植物修复技术，具体涉及一种利用菊苣修复重金属镉污染土壤的方法。
【背景技术】
[0002]随着工业的发展，城市污染加剧以及农业生产地不断进步，重金属伴随着外来有机化合物对土壤的污染日益严重。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1.5万吨、Cu为340万吨、Pb为500万吨、Mn为1500万吨、Ni为100万吨。重金属污染会导致土壤的退化，降低农作物的产量和质量，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。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。
[0003]重金属污染土壤的植物修复(Pyhtoremetiat1n)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。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。
[0004]超积累植物活化土壤中的重金属主要有三种方式:
[0005](I)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。如张淑香等人在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。根袋(rhizobag)试验表明，T.caerulescens可以将土壤中的Zn从不溶态转化为可移动态。
[0006](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，但其研究缺乏这方面的直接证据。万敏等人在2003年通过对不同镉积累类型小麦根际土壤低分子量有机酸与镉的生物积累的研究，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镉。
[0007](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。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。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。
[0008]菊苣为菊科多年生草本植物，是冷季型牧草，生长快，生物量大;其草质柔软、蛋白质含量高、适口性好，适应性强，能在多种气候条件和生态环境中生长，且耐霜冻、耐瘠薄，抗旱，较耐热，无虫害，病害极少。
[0009]丁园等人研究了镉对菊苣幼苗生长的影响(p<0.01)(丁园、刘继东、史蓉蓉等.镉对黑麦草和菊苣幼苗生长的影响[J].种子，2008，27(11): 15-16.)。詹金熹等人2013年指出，当外源镉含量为20mg//L时，对菊苣幼苗生长和活性氧代谢无显著影响(詹金熹、陶宗娅、罗学刚等.菊苣幼苗对铯、镉的生理响应[J].农业环境科学学报，2013(5):902-909.),他们的实验没有涉及菊苣对镉的积累情况。方华为等人研究发现，蔬菜对土壤镉吸收能力按科属分类结果表明，土壤镉含量<2.12mg/kg时，油麦菜、生菜、莴苣、芹菜、香菜和空心菜表现出高的风险性(方华为.不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究[D].华中农业大学，2011.)，而菊苣中的苦苣品种在中低浓度镉污染土壤中对镉的累积一般。但上述皆未涉及利用菊苣修复农田重金属污染。谷超等研究了菊苣对底泥镉的修复潜力，结果显示菊苣对底泥镉的富集能力较低(谷超、梁隆超、陈卓.4种牧草植物对红楓湖底泥中重金属污染的植物修复研究[J].环境工程，2015，(7):148-151.) ο
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种利用菊苣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。
[0011]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法，该方法是将菊苣按其自然生长期种植在重金属镉污染土壤中，进行常规栽培；通过菊苣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。
[0012]上述种植在重金属复合污染土壤中的菊苣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。该菊苣在重金属复合污染地区进行野外大田种植时，选择土层深松的适应土地，进行常规的耕地、施肥，然后将菊苣直播在污染土壤中，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。
[0013]上述菊苣在重金属复合污染土壤中均能正常生长，按照高产田块的管理方式去管理，亩产可达1.5万多公斤。
[0014]于重金属复合污染土壤中种植的菊苣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，其对重金属积累的总量也随之增加，尤其是对于重金属镉的累积，镉含量可达11.92mg/kg，富集系数可达8.28。3月底种植菊苣，待其生长成熟后，间隔15-20天对其进行刈割，多次重复操作，能有效降低土壤中重金属镉的含量，从而修复污染土壤。
[0015]上述菊苣地下部分的镉含量随刈割时间累积和刈割次数的增长呈递增趋势;而成熟期菊苣地上部分的镉含量随着刈割次数的增加逐渐降低。上述成熟期的菊苣对重金属镉污染土壤中镉的积累随着刈割次数的增加逐渐从土壤部分向地下部分转移。
[0016]上述提及菊苣品种为将军菊苣。将军菊苣系菊科多年生草本植物，其适口性好、利用率高、猪马牛、鸡鸭鹅均喜食。菊苣病虫害少，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。菊苣耐旱力强，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。菊苣长到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(刘割高度为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15-20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。
[0017]本发明的有益效果是:发明人通过试验研究发现，菊苣对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，且在生长期能够多次刈割。本发明正是利用菊苣对重金属镉的这一耐性和富集特征，将其直接种植于镉污染的地区，通过对成熟植株的收割和处理，以达到修复重金属镉污染土壤的目的。由于菊苣对土壤的适应性强、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，对收获后的菊苣叶进行后续处理能得到高蛋白的饲用资源，其经济利用方式能避免重金属重新进入食物链。因此，本发明为土壤重金属镉污染的植物修复技术开发了新的植物蛋白资源和修复方法，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】
[0018]图1是本发明菊苣中重金属镉含量图。
[0019]图2是本发明菊苣对镉的富集系数图。
[0020]图3是本发明菊苣对镉的转运系数图。
[0021 ]图4是本发明菊苣对镉的单株提取总量分析图。
【具体实施方式】
[0022]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。
[0023]实施例1污染矿区土壤修复试验
[0024]试验地点为湖南郴州矿区受重金属污染的农田，该农田土壤中重金属镉浓度为1.44mg/kg，其中有效态镉含量为0.73mg/kg。
[0025]具体作法为:将菊苣在上述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。
[0026]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O?30cm。采用多点取样，混合土样由3个以上分布点样品η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。农田采回的将军菊苣植物样品，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;然后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，然后于600C烘48小时。烘好的植物干样用粉碎机粉碎后采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。
[0027]试验结果如下:
[0028]由图1可见重金属镉在菊苣中的积累。从图可知，菊苣对土壤中镉的富集作用是非常明显的。其中，地上部分的镉含量随着刈割次数的增加而减少，苗期菊苣就表现出对镉不错的富集能力，地上部分镉含量达到了 10.32mg/kg。成熟期菊苣地上部分的镉含量最高可达11.92mg/kg，但随着刈割次数的增加，镉含量逐渐降低，第四次刈割时菊苣地上部分的镉含量为2.42mg/kg，但超过了土壤本底值。菊苣地下部分的镉含量随刈割时间累积和刈割次数的增长呈递增趋势，苗期菊苣地下部分镉含量为7.58mg/kg，第四次刈割时地下部分镉含量高达17.19mg/kg，说明菊苣对镉的积累能力非常显著。
[0029]由图2可见菊苣对镉的富集系数也很高。地下部分的富集系数随着时间和刈割次数的增加而递增，从苗期5.26到第四次刈割时富集系数高达11.94。而地上部分的富集系数从成熟期开始，随着刈割次数的增加而递减，第一次刈割时地上部分的富集系数高达8.28，第四次刈割时富集系数还有1.68，大于I，表明菊苣对镉的富集作用非常显著。
[0030]由图3可见，菊苣对镉的转运系数不是很高。苗期和第一次刈割时菊苣的转运系数大于I，而从第二次刈割开始，菊苣的转运系数小于I且逐渐降低。这是由于成熟期的菊苣对土壤中镉的积累随着刈割次数的增加，逐渐从地上部分向地下部分转移，但由于菊苣地上部分生物量大，可以多次刈割，因此地上部分的累积量也比较可观。
[0031]由图4可见，菊苣对镉的单株提取能力非常强。一个生长季可以从轻中度镉污染土壤中提取镉高达1.24mg，其中地上部分提取0.7Img，地下部分提取0.53mg。尽管菊苣地上部分的镉累积能力、富集系数和转运系数都随着刈割次数的增加而递减，但由于菊苣生长迅速，地上生物量大，成熟期菊苣每隔20d左右可刈割一次，因此可累积提取大量的镉。可见菊苣非常适宜在重金属镉污染区种植。
[0032]综合以上结果，表明:
[0033](I)这种修复方法中的菊苣对重金属镉有良好的吸收积累能力。
[0034](2)综合分析这种修复方法，菊苣长势非常好，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。菊苣病虫害少，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。且菊苣耐旱力强、对土壤要求不严，各类地质均可种植;该种植重金属污染区的菊苣经过重金属脱毒处理后可以达到食品安全的标准，经济效益很高。因此，采用菊苣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】
1.一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于，该方法是将菊苣按其自然生长期种植在重金属镉污染土壤中，进行常规栽培;通过菊苣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。2.如权利要求1所述的一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于，所述菊苣在重金属镉污染土壤中正常生长，按高产田块的管理方式进行管理，其生长到30cm高时便能刈割，一年能割4-6次。3.如权利要求2所述的一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于，所述菊苣地下部分的镉含量随刈割时间累积和刈割次数的增长呈递增趋势;而成熟期菊苣地上部分的镉含量随着刈割次数的增加逐渐降低。4.如权利要求2所述的一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于，所述成熟期的菊苣对重金属镉污染土壤中镉的积累随着刈割次数的增加逐渐从土壤部分向地下部分积累。5.如权利要求2所述的一种利用菊苣修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于，所述菊苣为将军菊苣。
【文档编号】B09C1/10GK105964682SQ201610304133
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】曾清如, 曾红远, 陈璘涵
【申请人】湖南农业大学