CN103551369A - 一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，步骤为：冬季时，将长出两片真叶的荠菜幼苗种植于重金属镉锌污染的农田土壤中，对栽种的荠菜进行定期收割地上部分即可。本发明利用荠菜的抗寒性和对Cd、Zn重金属的共富集特性，吸收积累污染土壤中的Cd、Zn重金属，并将重金属转运到地上部分，降低土壤中Cd、Zn的含量，待地上部分形成一定生物量时，可留茬收割进行连续提取，从而达到减少污染土壤中Cd、Zn含量的目的；同时，由于荠菜繁殖能力强，生长快速，能在极其恶劣的土壤条件下生长，在其生长过程中管理粗放管理，因而成本较低、可操作性强，为重金属污染土壤的植物修复开发了新的植物资源品种。

Description

一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法

技术领域

本发明属于环境中重金属污染的修复技术领域，尤其涉及一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法。

背景技术

随着城市化、工业化的发展，土壤遭受了严重的重金属污染，导致土壤质量日益降低。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，而重金属镉、锌对土壤的危害尤为严重。

镉是一种毒性较强范围较广的重金属污染物，能长时间残留于农田中，并且具有很长的半衰期，而锌既是植物微量营养元素，同时也是环境污染元素。由于锌、镉化学性质相似，因此在自然界总是伴生、伴存而造成伴随危害。许多研究都报道了二者共存条件下的环境生态效应。同时两种重金属均可通过食物链传递等途径进入人体，严重危害人类健康。鉴于此，镉、锌污染土壤的修复迫在眉睫。

修复重金属污染的方法主要包括工程修复、物理化学修复和生物修复等。虽然工程修复和物理化学修复能在一定程度上降低重金属污染程度，但是存在成本较高、对土壤扰动性较大、易造成二次污染的问题。生物修复特别是植物修复具有成本低廉、效率高、能保持土壤结构、无二次污染等特性，在修复矿上土壤和农田土壤等环境的重金属污染中显示了极大的潜力，成为了今年来备受关注的研究热点。

目前发现的镉超富集植物仅有印度芥菜、遏蓝菜、宝山堇菜、龙葵等少数几种植物。锌超富集植物也仅有遏蓝菜、东南景天、滇苦菜等少数几种植物。然而同时能够富集镉、锌的超富集植物目前仅有遏蓝菜、圆锥南芥、龙葵等。虽然这些植物本身具有很强的富集能力，但是运用于实际中却暴露出生长缓慢、植株矮小、对不同类型土壤适应能力差等问题，更值得注意的是以上植物均无法在低温条件下正常生长，这极大的限制了它们在实际应用中的修复范围和修复效率。

由此可见，目前仍须进一步筛选出可用于不同土壤类型、不同季节条件的植物修复材料。但众所周知，由于地球上植物资源的丰富程度，要确定哪些植物是否具有某些相应的特性，却不是一件容易的工作，即使花费大量人力、物力和财力，也未必就能筛选出符合需要的植物品种。这恰好成为制约植物修复应用的瓶颈。

在农田中，杂草特别是农田杂草作为一类人为与自然选择双重压力下产生的高度进化的植物类群。它们通常具有广泛的适应性、顽强的生命力、较大的生物量以及较强的吸收能力。

因此，从农田杂草中筛选出重金属镉、锌超富集植物，不仅可以弥补现有镉、锌超富集植物数量不足、耐寒性差、生长范围狭窄、生长缓慢、植株矮小的缺点，而且可以就地取材，避免了新物种入侵的问题。

现有的冬季低温条件下，土壤重金属污染生物修复的植物品种资源不足。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，旨在解决冬季低温条件下，土壤重金属污染生物修复的植物品种资源不足的问题。

本发明是这样实现的，一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，该利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法的具体步骤为：

初冬季时即11-12月间，将长出两片真叶的荠菜幼苗于种植于重金属镉锌污染的农田土壤中，种植密度为10×10cm，田间土壤水分保持在80％，于45天后收割地上部分，对收割的地上部分进行灰化处理，提取重金属。

进一步，荠菜种植方法为直接移栽，即直接移栽于重金属镉锌污染的土壤中。

进一步，荠菜的种植方法也可采用播种，即将荠菜种子直播种植于重金属镉锌污染的土壤中，播种的最佳时间在深冬即1月。

进一步，对栽种的荠菜进行定期收割植物的地上部分。

本发明提供的利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，通过在冬季将荠菜直接种植于镉、锌单一或复合污染农田土壤中，先利用荠菜的抗寒性，保证其能在低温条件下正常生长，再利用荠菜对重金属镉、锌的共富集特性，即将其种植于镉、锌单一或复合污染农田中能直接吸收、积累土壤中的重金属镉、锌，并将大部分重金属镉、锌转运到植物的地上部分，以达到修复重金属污染农田土壤的目的。本发明中的荠菜不仅具有强富集性、高耐寒性，而且其繁殖能力强，生长周期短，易传播、分布范围广，能在极其贫瘠的土壤条件生长，在其生长过程中不需要进行特殊管理，因而成本较低、可操作性较强。此外，本发明中的荠菜不仅为冬季农田土壤重金属污染的植物修复提供了新的植物资源品种，还为植物修复技术的深入发展带来了新的进步和发展空间。

附图说明

图1是本发明提供的利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法流程图；

图2为实施例1中不同Cd浓度处理条件下荠菜地上部生物量；

图3为实施例2中不同Cd浓度处理条件下荠菜地上部生物量；

图4为实施例3中不同Zn浓度处理条件下荠菜地上部生物量；

图5为实施例4中不同Zn浓度处理条件下荠菜地上部生物量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法包括以下步骤：

S101：在冬季时，将长出两片真叶的荠菜幼苗移植于重金属镉锌污染的农田土壤中，也可直接播种荠菜种子；

S102：对栽种的荠菜进行定期收割植物的地上部分；

本实施例为荠菜在修复土壤重金属镉污染中的应用：

实施例地点设在四川农业大学雅安校区实施例农场。

本实施例采用盆栽模拟土壤横纵金属污染的方法，移栽十字花科荠菜属植物荠菜(Capsella bursapastoris(L.)Medic.)种植于投加梯度浓度重金属镉污染过的盆栽土壤中，采用移栽方式，将荠菜幼苗移栽于盆栽中生长；45天后进行留茬收割植物的地上部分，测定荠菜体内重金属镉含量。

实施例共设6个处理，分别为CK(不投加Cd)和5个不同投加重金属浓度实施例区，投加浓度为25mg/kg(T1)、50mg/kg(T2)、75mg/kg(T3)、100mg/kg(T4)、125mg/kg(T5)，投加的重金属形态为CdCl2·2.5H2O，为分析纯试剂，以固态加入土壤中，充分混匀，平衡四周后待用。

本实施例于2012年11月-2013年1月在四川农业大学雅安校区农场进行，荠菜幼苗采集于四川农业大学雅安校区农场。每盆装土2.0kg(盆直径20cm、高20cm)，每盆移苗5棵，3次重复。盆间距为10cm，完全随机摆放。在整个生长过程中不定期的交换盆与盆的位置以减弱边际效应的影响，并及时去除其它杂草，防治病虫害。

实施例结果如下：

图2为不同Cd浓度处理条件下荠菜地上部生物量。最小显著差数法差异显著性分析表明，Cd投加浓度为25mg/kg的处理中，地上部生物量与对照相比，无显著性差异(0.01＜P＜0.05)，表现出较强的耐性。但在更高的Cd污染处理下，即投加浓度大于50mg/kg以后，地上部生物量有所下降(0.01＜P＜0.05)，说明荠菜耐性虽然较强但还是有一定限度，在Cd浓度大于50mg/kg以后，植物的生长会受到抑制。

植物体内Cd含量测定结果见下述表1：

表1.不同处理浓度下荠菜对镉的富集特征

表1结果表明，土壤中镉投加浓度在T1-T5浓度时，荠菜地上部富集系数均大于1，转运系数均大于0.5，在土壤中投加浓度为50mg/kg时，植株地上部含量大于100mg/kg，达到了镉超富集植物含量的临界标准，且植株体内镉含量随投加浓度的增加而增加。当Cd投加浓度达到125mg/kg时，荠菜地上部分、根系对Cd吸收量达到最大，分别为307.67mg/kg、416.73mg/kg，且富集系数仍大于1，转运系数也较高为0.75。

实施例2重金属镉的小区模拟实施例

本实施例为荠菜在修复土壤重金属镉污染中的应用：

本实施例于2012年11月-2013年1月在四川农业大学雅安校区农场进行，小区面积为8m²(L＝4m，W＝2m)，土壤基本理化性质与盆栽土壤相同。实施例小区共有3处，土壤浓度分别为CK(不投加Cd)和投加浓度为25mg/kg(T1)、50mg/kg(T2)，投加的Cd形态为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂，以固态加入。栽种方法仍采用移栽方式，将荠菜幼苗移栽于小区中生长；45天后进行留茬收割植物的地上部分，测定荠菜体内重金属镉含量。

实施例结果如下：

图3为不同Cd浓度处理条件下荠菜地上部生物量。最小显著差数法差异显著性分析表明，Cd投加浓度为25、50mg/kg的处理中，地上部生物量与对照相比，无显著性差异(0.01＜P＜0.05)，表现出较强的耐性。这与盆栽浓度梯度实施例中，Cd投加浓度小于50mg/kg时荠菜表现出较强耐性相一致。

植物体内Cd含量测定结果见下述表2：

表2.不同处理浓度下荠菜对镉的富集特征

表2结果表明，土壤中镉投加浓度在T1-T2浓度时，荠菜地上部富集系数均大于1，转运系数均大于0.6，在土壤中投加浓度为25mg/kg时，植株地上部含量大于100mg/kg，达到了镉超富集植物含量的临界标准，且植株体内镉含量随投加浓度的增加而增加。同时，在两种Cd处理组中富集系数均大于1，转运系数也维持在较高水平。

实施例3重金属锌的盆栽浓度梯度实施例

本实施例为荠菜在修复土壤重金属锌污染中的应用：

实施例共设6个处理，分别为CK(不投加Zn)和5个不同投加重金属浓度实施例区，投加浓度为300mg/kg(T1)、500mg/kg(T2)、1500mg/kg(T3)、2000mg/kg(T4)、2500mg/kg(T5)，投加的重金属形态为ZnSO₄·7H₂O，为分析纯试剂，以固态加入土壤中，充分混匀，平衡四周后待用。

本实施例于2012年11月-2013年1月在四川农业大学雅安校区农场进行，土壤基本理化性质与实施例1、2相同。本实施例每盆装土2.0kg(盆直径20cm、高20cm)，每盆移苗5棵，3次重复。盆间距为10cm，完全随机摆放。在整个生长过程中不定期的交换盆与盆的位置以减弱边际效应的影响，并及时去除其它杂草，防治病虫害。

实施例结果如下：

图4为不同Zn浓度处理条件下荠菜地上部生物量。最小显著差数法差异显著性分析表明，Zn投加浓度为300mg/kg的处理中，地上部生物量与对照相比，差异显著(P＞0.05)，且生物量高于对照，表现出较好的适应性。当Zn投加浓度为500mg/kg的处理中，地上部生物量与对照相比，无显著性差异(0.01＜P＜0.05)，表现出较好的耐受性。但在更高的Zn污染处理下，即投加浓度大于1500mg/kg以后，地上部生物量有所下降(0.01＜P＜0.05)，说明荠菜耐性虽然较强但还是有一定限度，在Zn浓度大于1500mg/kg以后，植物的生长会受到抑制。

植物体内Zn含量测定结果见下述表3：

表3.不同处理浓度下荠菜对锌的富集特征

表3结果表明，土壤中锌投加浓度在T1-T5浓度时，荠菜地上部富集系数均大于1，转运系数均大于0.8，在土壤中投加浓度为1500mg/kg时，植株地上部含量大于10000mg/kg，达到了锌超富集植物含量的临界标准，且植株体内锌含量随投加浓度的增加而增加。当Zn投加浓度达到2000mg/kg时，荠菜地上部分、根系对Zn吸收量达到最大，分别为44009mg/kg、46368mg/kg，且富集系数仍大于1，转运系数也较高为0.94。

实施例4重金属锌的小区模拟实施例

本实施例为荠菜在修复土壤重金属锌污染中的应用：

本实施例于2012年11月-2013年1月在四川农业大学雅安校区农场进行，小区面积为8m²(L＝4m，W＝2m)，土壤基本理化性质与盆栽土壤相同。实施例小区共有3处，土壤浓度分别为CK(不投加Zn)和投加浓度为1500mg/kg(T1)、2000mg/kg(T2)，投加的Zn形态为ZnSO₄·7H₂O，为分析纯试剂，以固态加入。栽种方法仍采用移栽方式，将荠菜幼苗移栽于小区中生长；45天后进行留茬收割植物的地上部分，测定荠菜体内重金属镉含量。

实施例结果如下：

图5为不同Zn浓度处理条件下荠菜地上部生物量。最小显著差数法差异显著性分析表明，Zn投加浓度为1500、2000mg/kg的处理中，地上部生物量与对照相比，差异显著(P＞0.05)，表现出一定的耐性。这与盆栽浓度梯度实施例中，Zn投加浓度大于1500mg/kg时荠菜表现出的耐性相一致。

植物体内Zn含量测定结果见下述表4：

表4结果表明，土壤中锌投加浓度在T1-T2浓度时，荠菜地上部富集系数均大于1，转运系数均大于0.8，在土壤中投加浓度为1500mg/kg时，植株地上部含量大于10000mg/kg，达到了锌超富集植物含量的临界标准，且植株体内镉含量随投加浓度的增加而增加。同时，在两种Zn处理组中富集系数均大于1，转运系数也维持在较高水平。

综合荠菜对镉、锌的耐性和富集特征来看，荠菜为镉的超富集潜力植物，同时也为锌的超富集潜力植物，对Cd、Zn污染土壤具有较强的修复能力。

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 (4)

1.一种利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，其特征在于，该利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法的具体步骤为：

初冬季时即11-12月间，将长出两片真叶的荠菜幼苗于种植于重金属镉锌污染的农田土壤中，种植密度为10×10cm，田间土壤水分保持在80％，于45天后收割地上部分，对收割的地上部分进行灰化处理，提取重金属。

2.如权利要求1所述的利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，其特征在于，荠菜种植方法为直接移栽，即直接移栽于重金属镉锌污染的土壤中。

3.如权利要求1所述的利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，其特征在于，荠菜的种植方法也可采用播种，即将荠菜种子直播种植于重金属镉锌污染的土壤中，播种的最佳时间在深冬即1月。

4.如权利要求1所述的利用冬季农田杂草荠菜修复镉锌污染农田土壤的方法，其特征在于，对栽种的荠菜进行定期收割植物的地上部分。

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