CN105817471A - 利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用油菜‑花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，该方法是将油菜和花生按其自然生长期以油菜‑花生的轮作模式种植在重金属污染土壤中以对污染土壤进行修复。油菜和花生在重金属复合污染的土壤中没有出现毒害作用，籽粒的产量均达到正常水平；且油菜‑花生轮作模式生物量大，能够吸收积累多种重金属，加大了对污染土壤重金属的提取量。采用本轮作模式一方面解决了修复过程中冬季荒田的问题，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；另一方面所得的油料果实又能为不断增长的石油需求提供新的燃料，这样避免了重金属通过食物链危害人类，又能从中获取经济效益。

Description

利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法

技术领域

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油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

近年来，我国由于重金属所造成的土壤环境污染问题十分严峻。自然界火山爆发、侵蚀等及人类活动是土壤中重金属的主要来源。其中，采矿是造成土壤重金属污染的重要因素之一，矿产开发过程中产生的大量废渣、废石堆放后形成尾矿堆(或坡)，在风和雨水的侵蚀作用下，尾矿中的高浓度重金属很容易随雨水和泥沙通过地表径流和淋溶过程进入地表水、地下水及周边的土壤环境中，形成水体污染或其他重金属面源污染。据2014年的最新报告显示，我国有色金属矿区周边土壤镉、砷、铅等污染较为严重，在调查的70个矿区的1672个土壤点位中，超标点位占33.4％，其中包括大面积的农田耕地。农田土壤一旦遭到重金属污染便会使土壤质量退化，降低农产品的品质和安全；此外，重金属又能在土壤中发生迁移转化，被植物、动物或微生物吸收富集，进一步通过食物链影响到人类及动物的健康。由于重金属在土壤***中相对来说比较稳定，绝大多数都表现出迁移能力低和滞留时期长的特点，很难被土壤中的微生物吸收转化，且不易通过化学过程降解。因此，土壤一旦遭受重金属污染，将会给植物、动物、微生物以及整个生态环境带来巨大的危害，对人类的身体健康造成潜在的威胁。

矿区农田土壤重金属修复中面积巨大，物理化学或工程修复技术往往在实际应用中并不可行。植物修复是一种新型的、具有成本低廉、操作简单、安全清洁等优点的环境友好型重金属修复技术。在植物修复技术中，超富集植物因植株矮小、生长速度慢、生物量小、对土壤环境和生态气候条件的适应能力差、区域性强、且大多都不具有较好的经济效益等缺点，在修复农田土壤重金属污染时实际应用的效果不大。一个成功的植物修复是能将土壤中污染物的浓度降低到环境质量标准以下，然而这个过程相当长，由此而产生的实际费用也因时间的增加而加大。近几年来，为了弥补植物修复在时间上的缺陷所造成的经济损失，研究者在植物修复的基础上提出了通过植物管理的手段来修复污染土壤，即寻找一些对重金属有一定的吸收积累能力和耐性、生物量大、生长周期短、易收获又能给农民带来一定经济效益的非食用性植物，如玉米、小麦、高粱、柳树、各种牧草等经济型的植物或农作物。这些植物在修复土壤的同时又可以作为工业酒精、燃料、造纸等的原材料。因此，在修复过程中所要关注的是植物在污染土壤中是否可以正常培育及该植物是否能带来一定的经济效益，而不是植物中重金属的积累浓度；土壤重金属污染在整个过程中不再是一个待解决的难题，而被看做利用植物修复土壤污染来获取经济收入的一种方式。总的来说，植物管理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、种植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。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服植物修复过程中的不足，提供一种利用油菜-花生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植株矮小、生长速度慢、生物量小、对土壤环境和生态气候条件的适应能力差、区域性强、且大多都不具有较好的经济效益等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，该方法是将油菜和花生按其自然生长期以油菜-花生的轮作模式种植在重金属污染土壤中，进行常规栽培，通过油菜和花生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。

上述油菜-花生轮作模式是将油菜于当年10月中旬进行种植，第二年5月上旬油菜收获后，种植花生，按先油菜后花生的种植顺序，对两种油料作物进行轮作种植。

当年10月中旬，对污染农田土壤进行深耕整地、施肥，将油菜种子播至污染的土壤中；在油菜生长过程中，做好除草、防病虫害、适当追肥等常规田间管理。第二年5月上旬油菜收获后，土壤进行深耕整地、施肥、起垄做畦，随后用人工点种的方式将花生种子直接播种于土壤中；在花生生长过程中，定期进行除草、防治病虫害、合理追肥等常规田间管理。

所述花生和油菜轮作在该重金属污染土壤中均能正常正长，该两种油料作物的籽粒产量均符合常规种植的水平，油菜每亩产量为150-200公斤，花生每亩产量为200-350公斤，能够从中获得经济收益，降低修复成本。

在重金属污染土壤中轮作油菜和花生，在该轮作模式下油菜和花生对土壤中重金属的提取总量相当可观，多次重复操作，能有效降低土壤中重金属，尤其是Cd、Cu、Zn、Pb、As和Hg的含量。

所述油菜的地上部分对Hg的提取量高于地下部分，对Cd、Cu、Zn、Pb、As的提取量均表现为地下部分高于地上部分；花生地上部分对各种重金属的提取总量大于地下部分。收获完整植株的油菜对Zn、Pb和Hg的提取量高于花生；收获完整植株的花生对Cu、Cd和As的提取量高于油菜。

本发明的油菜是一种十字花科芸薹属草本植物，花生属于豆科、一年生草本植物。这两种植物都属我国“四大油料作物”。经试验表明，油菜和花生在重金属复合污染的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。本发明充分利用油菜和花生对重金属较强的富集特性，按照冬种油菜夏植花生的轮作模式来修复重金属复合污染的农田，通过收获成熟后的富集大量重金属的油菜和花生完整植株，将重金属从土壤中提取出来。该轮作模式能解决植物修复过程中冬季土壤荒田的问题，在充分利用污染土壤的同时，又能通过轮作加大土壤中重金属的提取总量、提高土壤污染修复效率的目的。

本发明的有益效果是：本发明人通过试验研究发现，油菜和花生对重金属表现出较好的富集能力，能在重金属复合污染的土壤中正常生长，且收获后籽粒的产量未受影响。本发明正是利用油菜和花生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的土壤中，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，达到修复土壤重金属污染的目的。由于油菜和花生在过我国种植范围广泛、基本上不受地域限制，生长周期短，生物量大，管理成本较低，具有较高的经济价值，油料籽粒除了作为生活必须的食用油，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，利用油菜-花生轮作修复土壤重金属污染，一方面解决了修复过程中冬季荒田的问题，在时间和空间上很好的利用了荒废的污染土地，加快了修复速度；另一方面所得的油料果实又能为不断增长的石油需求提供新的燃料，这样避免了重金属通过食物链危害人类，又能从中获取经济效益，无论从生态学还是经济学的角度都具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明实施例中油菜和花生的干物质量分析图。

其中，A-油菜，B-花生。

具体实施方式

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。

实施例1 油菜-花生轮作对污染农田土壤的修复试验

试验地点位于湖南省郴州市苏仙区塘溪乡石虎埔村受重金属复合污染的农田，土壤中重金属的污染情况见下表1。

表1污染土壤中重金属的含量(单位：mg/kg)

重金属的形态

Cu

Zn

Pb

Cd

As

Hg

重金属全量

90.7±12.2

439±62.9

699±124

10.3±0.5

529±99.9

1.3±0.44

具体做法为：前一年10月中旬，对污染农田土壤进行深耕整地、施肥，将油菜种子播至污染的土壤中；在油菜生长过程中，做好除草、防病虫害、适当追肥等常规田间管理。第二年5月上旬油菜收获后，土壤进行深耕整地、施肥、起垄做畦，随后用人工点种的方式将花生种子直接播种于土壤中；在花生生长过程中，定期进行除草、防治病虫害、合理追肥等常规田间管理。油菜的种植密度为5株/m²，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，油菜分为根、茎、叶、果荚和籽粒，按常规技术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，计算油菜-花生轮作模式对土壤重金属的修复潜力。试验结果如下表2。

表2油菜-花生轮作植物各部位中重金属的浓度

在污染农田前一年冬季统一种植油菜，油菜收割后种植花生，对成熟期的油料作物进行随机采样分析，由表2可知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。油菜叶中Zn、Hg明显高于花生，特别是Hg的含量为1.1mg/kg，富集系数为0.84，是油菜对几种重金属中富集系数最高的；花生地上部分叶和地下部分根对Cu、Pb、Cd和As的积累能力高于油菜，尤其是Cu在花生地下部分根、Cd在花生地上部分茎、叶和地下部分根中的含量都要高于土壤污染的本底值。

由图1可知轮作模式下油料作物各部位及总的干物质量。油菜-花生轮作模式下，两种油料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。油菜的总干物质量为17t/ha，由于油菜成熟收获期的叶片干煸稀疏，仅占总量的5.3％，所以干物质量以根和茎秆为主，且根大于茎，分别占总量的51.7％和35.8％。花生的总干物质量为11.1t/ha，茎秆的生物量远大于其他各部位，占总干物质量的40.8％。

表3油菜-花生轮作模式对土壤中重金属的提取总量(单位：g/ha)

油菜-花生轮作模式后植物地上部分、地下部分及完整植株对土壤中重金属的提取总量见表3。油菜除地上部分Hg的提取量高于地下部分，其他几种重金属都表现为地下部分根的提取量大于地上部分。收获完整植株油菜对Zn、Pb和Hg的提取量明显高于花生。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，收获完整植株的花生对Cu、Cd和As的提取量要高于油菜。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。油菜-花生轮作一季后，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植物单独种植的提取量，分别为Cu 841.9g/ha、Zn2293.7g/ha、Pb 998.5g/ha、Cd 278.9g/ha、As 518.5g/ha、Hg 5.7g/ha。

综合以上结果，表明：花生-油菜轮作模式修复土壤重金属复合污染时，两种作物能正常生长，且都表现出对重金属较好的吸收积累能力及耐性，特别是花生的地上部分叶、茎和地下部分根对Cd的富集浓度都相当高，富集系数大于1。两种油料作物干物质量都较大，对于土壤中重金属的提取总量起着决定性的作用。油菜-花生种植模式能从土壤中提取一定量的Cu、Zn、Pb、Cd、As和Hg，适合用来修复重金属低、中浓度复合污染的农田。

Claims (6)

1.一种利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，该方法是将油菜和花生按其自然生长期以油菜-花生的轮作模式种植在重金属污染土壤中，进行常规栽培，通过油菜和花生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所述的利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述油菜-花生轮作模式是将油菜于当年10月中旬进行种植，第二年5月上旬油菜收获后，种植花生，按先油菜后花生的种植顺序，对两种油料作物进行轮作种植。

3.如权利要求1或2所述的利用油菜-花生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Cd、Cu、Zn、Pb、As和Hg。

4.如权利要求3所述的利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述油菜的地上部分对Hg的提取量高于地下部分，对Cd、Cu、Zn、Pb、As的提取量均表现为地下部分高于地上部分；花生地上部分对各种重金属的提取总量大于地下部分。

5.如权利要求3所述的利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，收获完整植株的油菜对Zn、Pb和Hg的提取量高于花生；收获完整植株的花生对Cu、Cd和As的提取量高于油菜。

6.如权利要求1或2所述的利用油菜-花生轮作模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述花生和油菜在该重金属污染土壤中均能正常正长，该两种油料作物的籽粒产量均符合常规种植的水平，油菜每亩产量为150-200公斤，花生每亩产量为200-350公斤。