CN103406348B - 红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用，涉及环境中重金属污染的修复技术领域，将果园中采集到的红果黄鹌菜幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的果园土壤中，将肉质根与地上部分一起收割，修复果园土壤重金属镉污染。本发明提供一种新的植物物种在修复果园土壤重金属镉污染中的应用。

Description

红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用

技术领域

本发明涉及环境中重金属污染的修复技术领域，具体为红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用。

背景技术

随着工农业的发展，土壤中不断受到重金属的污染，土壤质量也受到严重破坏。据最新调查显示，我国受重金属污染的耕地面积已达2000万公顷，占全国耕地总面积的1/6。果园土壤中的重金属通过作物、蔬菜或果树吸收、积累，由食物链进入人体，进而对人体健康造成了潜在威胁，这也引发了一系列的粮食质量和安全问题。据统计，我国每年因重金属污染的粮食就达1200万t，而“镉大米”事件就是因土壤被重金属镉污染而造成的。镉主要通过四种途径进入土壤：（1）冶炼、电渡、染料等工业废水未经处理，直接排放进入土壤。（2）固体废弃物（污泥、垃圾等）直接排入土壤。（3）高含镉的农药和肥料的施用。（4）大气沉降物等。随着城市化进程的步伐加快、人口增加和粮食、蔬菜、水果生产压力的增大，镉污染土的粮食、蔬菜、水果安全生产问题亟待解决。

目前，治理重金属污染土壤的方法主要有物理修复法、化学修复法、生物修复法。而生物修复法中的重金属植物修复技术普遍被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不造成二次污染等特点，已成为修复土壤重金属污染研究领域的热点。重金属植物修复技术主要是将筛选出的超富集植物种植在重金属污染的土壤上，通过这些植物的根系吸收，将土壤中的重金属转移至植物体内，再将植物收割处理，从而达到将彻底清除土壤中的重金属的目的。

基于上述原理，传统思维中都是惯性地从重金属矿山中的植物中筛选重金属超富集植物，因为在自然条件下，没有比重金属矿山中的重金属含量更高，人们通常都认为，在此地生长的植物自然天然地具备良好的重金属富集效果，更适应重金属环境。另外，虽然已发现的重金属超富集植物有几百种，但是这些重金属超富集植物（特别是镉超富集植物）大多存在地上部生物量偏小，生长速度较慢的缺点，上述各种缺陷限制了植物修复技术的推广应用。为此，寻找适应果园土壤环境、生长速度快、繁殖能力强的镉富集植物新物种，是镉污染果园土壤植物修复技术急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种新的植物物种在修复果园土壤重金属镉污染中的应用。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用，将果园中采集到的红果黄鹌菜幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的果园土壤中，将肉质根与地上部分一起收割，修复果园土壤重金属镉污染。

植物基本生物学特性：红果黄鹌菜（拉丁名为Youngia erythrocarpa）为菊科黄鹌菜属一年生草本植物，株高20-50cm，一般生长于果园、灌丛荒或草坡，耐阴，在中国南方地区几乎全年均可生长。

上述方案中，通过红果黄鹌菜根系大量吸收土壤中的镉后，并转移至茎和叶片等地上部分器官，从而达到去除果园土壤重金属镉的目的，同时收割肉质根，既避免重金属的遗留又尽可能更多地富集重金属镉，实现果园土壤重金属镉污染的修复。

待红果黄鹌菜地上部分形成一定生物量时，将肉质根与地上部分一起收割，重金属镉随着肉质根和地上部分的收割被大量除去。红果黄鹌菜开会结实早，种子自然繁殖生长速度快，不需每年种植栽种，能有效降低土壤重金属镉含量，从而修复污染土壤。

作为选择，自然条件下，将采集到的两片真叶展开的红果黄鹌菜幼苗直接移栽于有镉重金属污染的土壤当中，种植密度10×10cm；

所述红果黄鹌菜种植后：

日常管理：植物栽培期间，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的80%左右；

收割处理：60天后将植物的肉质根与地上部分一起收割，或抽薹开花时将植物的肉质根与地上部分一起收割。

本申请发明人反复研究各种重金属矿山中的植物对果园土壤重金属镉污染的修复，但始终存在着地上部生物量偏小，生长速度较慢的缺点。本发明人打破现有技术的惯性思维，将果园中采集到的红果黄鹌菜幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的果园土壤中修复果园土壤重金属镉污染。前人研究发现，在果园生态系统中，杂草与果树一同进化，形成了较强的抗逆境能力和争夺环境资源的能力，这是人为与自然选择下产生的高度进化的植物类群。果园杂草具有种类繁多、种群生物量大、生长迅速的特点。经进一步研究发现，本发明中的红果黄鹌菜，主要对镉重金属具有耐性和超富集特性。因此，从果园杂草中采集重金属镉超富集植物的红果黄鹌菜，不仅可以弥补现有镉超富集植物的生物量较小、生长缓慢、生长范围狭窄的缺点，而且可以就地取材，就地使用，避免了引种过程中存在的潜在问题，对果园土壤环境适应能力强。选择合适状态的幼苗移栽，使得其能更好地适应重金属镉污染环境，同时根据重金属镉污染环境，选择特定的种植、管理、收割方式，以使得重金属镉富集最大化的效果。

本发明的有益效果：本发明利用红果黄鹌菜在果园土壤中对重金属镉的耐性和超富集特性，达到修复污染土壤的目的。此外，由于红果黄鹌菜繁殖能力强，生长快速，在中国南方地区几乎一年四季都可以种植，能在极其贫瘠的土地上生长，在其生长过程中管理粗放，因而成本较低、可操作性强，为重金属镉污染土壤的植物修复开发了新的植物种质资源。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用，将果园杂草中采集到的红果黄鹌菜幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的果园土壤中，将肉质根与地上部分一起收割，修复果园土壤重金属镉污染。所述红果黄鹌菜种植后：

日常管理：植物栽培期间，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的80%左右；

收割处理：60天后将植物的肉质根与地上部分一起收割，或抽薹开花时将植物的肉质根与地上部分一起收割。

试验例1：盆栽浓度梯度试验（小盆）

试验地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

本试验采用盆栽模拟土壤重金属污染的方法，于春季（2月初）开始，移栽的菊科黄鹌菜属植物红果黄鹌菜（拉丁名为Youngia erythrocarpa）幼苗（两片真叶展开）直接采自四川农业大学雅安校区农场的果园中。将红果黄鹌菜幼苗种植于施加不同浓度梯度的重金属镉污染盆栽土壤中（土壤取自果园），盆规格15×18cm（高×直径），每盆装土3kg，每盆种植5株，3次重复。于透明遮雨棚内栽培，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的80%左右，60天后待植株处于盛花期，收割植物，测定植物体内的重金属镉含量。

试验共设5个处理，分别为CK(不施加重金属镉，0 mg/kg)和4个施加了不同浓度重金属镉试验，施加浓度为25 mg/kg、50 mg/kg、75 mg/kg、100 mg/kg，施加的重金属形态分别为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂，以溶液的形式加入到土壤中，充分混匀，平衡四周后种植红果黄鹌菜幼苗（2片真叶展开）。

试验结果如下：

红果黄鹌菜生物量测定结果见下述表1：

表1  不同镉浓度处理下红果黄鹌菜的生物量特征

表l结果表明，随着土壤镉施加浓度的增加，红果黄鹌菜根系和地上部分生物量逐渐降低。与对照相比，土壤镉施加浓度小于50 mg/kg时，红果黄鹌菜根系和地上部分生物量差异不显著，表现出了对镉较强的耐性。与此同时，在更高的土壤镉施加浓度下，红果黄鹌菜地上部分生物量降低明显，但红果黄鹌菜也能够正常生长，说明了红果黄鹌菜具有很强的耐性。从根冠比来看，随着土壤镉施加浓度的增加，根冠比的值逐渐增加，说明了红果黄鹌菜逐步增加根系生物量所占的比重以增强对镉的耐性，也体现了红果黄鹌菜具有很强的耐性。从总生物量来看，与对照相比，土壤镉施加浓度小于50 mg/kg时，红果黄鹌菜总生物量差异不显著，有利于用于修复土壤镉污染。

红果黄鹌菜体内镉含量测定结果见下述表2：

表2  不同镉浓度处理下红果黄鹌菜对镉的超富集特征

TF为转移系数：地上部分镉含量/根系镉含量，BCF为富集系数：地上部分镉含量/土壤镉处理浓度。

表2结果表明，土壤镉施加浓度大于0mg/kg时，红果黄鹌菜地上部转移系数均大于l，转移系数也大于1。随土壤镉施加浓度的增加，红果黄鹌菜根系和地上部分的镉含量也增大。在土壤镉浓度为25mg/kg时，红果黄鹌菜地上部分镉含量达到并超过100mg/kg。

综合红果黄鹌菜对镉的耐性和富集特征来看，按照Brooks对超富集植物的定义，初步可以确定红果黄鹌菜为镉超富集植物，对镉污染果园土壤具有较强的修复能力。

红果黄鹌菜对镉的积累量结果见下述表3：

表3  不同镉浓度处理下红果黄鹌菜对镉的积累量

表3结果表明，随土壤镉施加浓度的增加，红果黄鹌菜对镉的积累量呈先升后降的趋势。在土壤镉浓度为50mg/kg时，红果黄鹌菜镉积累总量达到最大值，其根系镉积累量、地上部分镉积累量和镉积累总量分别为46.08μg/盆、282.22μg/盆和328.3μg/盆，修复效果较好。在土壤镉浓度为75mg/kg时，红果黄鹌菜镉积累总量仅次于土壤镉浓度为50mg/kg。

试验例2：大盆试验（相当于小区试验）

试验地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

本试验采用相当于小区试验的盆栽模拟土壤重金属污染的方法（土壤体积及重量与小区相当），于春季（4月初）开始，移栽的菊科黄鹌菜属植物红果黄鹌菜（拉丁名为Youngia erythrocarpa）幼苗（两片真叶展开）直接采自四川农业大学雅安校区农场的果园中。将红果黄鹌菜幼苗种植于施加不同浓度梯度的重金属镉污染盆栽土壤中（土壤取自果园），盆规格20×27cm（高×直径），每盆装土12kg，每盆种植5株，行株距约10cm，3次重复。于透明遮雨棚内栽培，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的80%左右，60天后待植株处于盛花期，收割植物，测定植物体内的重金属镉含量。

试验共设5个处理，分别为CK(不施加重金属镉，0 mg/kg)和4个施加了不同浓度重金属镉试验，施加浓度为25 mg/kg、50 mg/kg、75 mg/kg、100 mg/kg，施加的重金属形态分别为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂，以溶液的形式加入到土壤中，充分混匀，平衡四周后种植红果黄鹌菜幼苗（2片真叶展开）。

试验结果如下：

小区试验红果黄鹌菜生物量测定结果见下述表4：

表4  小区试验红果黄鹌菜的生物量特征

表4结果表明，随着土壤镉施加浓度的增加，红果黄鹌菜地上部分生物量逐渐降低。与对照相比，土壤镉施加浓度小于50 mg/kg时，红果黄鹌菜地上部分生物量差异不显著，表现出了对镉较强的耐性。这与试验例1的结果一致，但相应土壤镉浓度的红果黄鹌菜生物量增大。与此同时，在更高的镉施加浓度下，红果黄鹌菜地上部分生物量降低明显，但红果黄鹌菜也能够正常生长，也说明了红果黄鹌菜具有很强的耐性。从根冠比来看，随着土壤镉施加浓度的增加，根冠比的值也逐渐增加，也体现了红果黄鹌菜具有很强的耐性，但根冠比值小于试验例1，说明增加土体体积有利于促进红果黄鹌菜的生长。从总生物量来看，与对照相比，土壤镉施加浓度小于50 mg/kg时，红果黄鹌菜总生物量差异不显著，有利于用于修复土壤镉污染。

小区试验红果黄鹌菜体内镉含量测定结果见下述表5：

表5  小区试验红果黄鹌菜对镉的超富集特征

TF为转移系数：地上部分镉含量/根系镉含量，BCF为富集系数：地上部分镉含量/土壤镉处理浓度。

表5结果表明，土壤镉施加浓度大于0mg/kg时，红果黄鹌菜地上部转移系数均大于l，转移系数也大于1。随土壤镉施加浓度的增加，红果黄鹌菜根系及地上部分的镉含量也增大。在土壤镉浓度为25mg/kg时，红果黄鹌菜地上部分镉含量达到并超过100mg/kg。这与试验例1的结果一致，但相应土壤镉浓度的红果黄鹌菜根系及地上部分镉含量有所升高，这更有利于果园的镉污染修复。

综合红果黄鹌菜对镉的耐性和富集特征来看，按照Brooks对超富集植物的定义，进一步确定红果黄鹌菜为镉超富集植物，而且能够应用于镉污染果园的土壤修复。

小区试验红果黄鹌菜对镉的积累量结果见下述表6：

表6  小区试验红果黄鹌菜对镉的积累量

表6结果表明，随土壤镉施加浓度的增加，红果黄鹌菜对镉的积累量也呈现先升后降的趋势。与试验例1一样，在土壤镉浓度为50mg/kg时，红果黄鹌菜镉积累总量达到最大值，其根系镉积累量、地上部分镉积累量和镉积累总量分别为59.87μg/盆、387.29μg/盆和447.16μg/盆，修复效果较试验例1更好。在土壤镉浓度为75mg/kg时，红果黄鹌菜镉积累总量仅次于土壤镉浓度为50mg/kg。因此，在土壤镉浓度小于等于75mg/kg的果园土壤中，红果黄鹌菜都具有很好的修复效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用，其特征在于：将果园中采集到的红果黄鹌菜幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的果园土壤中，将肉质根与地上部分一起收割，修复果园土壤重金属镉污染。

2.如权利要求1所述的红果黄鹌菜在修复果园土壤重金属镉污染中的应用，其特征在于：

自然条件下，将采集到的两片真叶展开的红果黄鹌菜幼苗直接移栽于有镉重金属污染的土壤当中，种植密度10×10cm；

所述红果黄鹌菜种植后：

日常管理：植物栽培期间，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的80%左右；

收割处理：60天后将植物的肉质根与地上部分一起收割，或抽薹开花时将植物的肉质根与地上部分一起收割。