CN103817141A - 猪殃殃在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了猪殃殃在冬季修复农田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，于冬季将农田中采集到的猪殃殃幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的农田土壤中，植物长成后将整株或仅将地上部分移除，修复农田土壤重金属镉污染。本发明提供一种新的植物物种在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用。

Description

猪殃殃在冬季修复农田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，具体为猪殃殃在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用。 

背景技术

随着社会经济的发展，耕地土壤重金属污染面积不断扩大，污染程度也不断加重。耕地土壤重金属污染主要来自工业“三废”排放，生活污水和垃圾的污染以及含有重金属农药、化肥的不合理使用。中国的“镉大米”事件就是因土壤被镉污染而造成的。因此，镉污染土壤急需得到治理。 

目前，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一项新兴技术，并在全球范围内开展超富集植物的筛选，取得了很好的成果。然而，由于已知的超富集植物地上部生物量普遍偏小，生长慢，而且很多来源于重金属矿山，不适合生长在农田土壤环境中，其生长范围狭窄，在季节上也受到限制，限制了植物修复技术的推广应用。为此，寻找适应农田土壤环境、生长速度快、繁殖能力强的镉富集植物新物种，是镉污染农田土壤植物修复技术急需解决的问题。 

本发明人研究发现，在农田中，杂草与作物相比普遍具有较强的抗逆境能力和争夺环境资源能力的特点，是人为与自然选择下产生的高度进化的植物类群。农田杂草具有生物量大、生长迅速的特点。因此，从农田杂草中筛选出重金属超富集植物，不仅可以弥补现有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。在前人的研究中，已经从农田杂草中筛选出了一些镉超富集植物，但这些镉超富集植物大部分为夏季生长的植物，无法应用于冬季农田的重金属镉污染治理。 

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能应用于冬季农田的重金属镉污染治理的新的植物物种的具体应用。 

本发明目的通过下述技术方案来实现： 

猪殃殃在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用，于冬季将农田中采集到的猪殃殃幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的农田土壤中，植物长成后将整株或仅将地上部分移除，修复农田土壤重金属镉污染。

植物基本生物学特性：猪殃殃（拉丁名为Galium aparine）为茜草科猪殃殃属一年生或越年生草本植物，株高30-90cm，一般生长于农田、灌丛荒或草坡，耐阴，多于冬前9-10月份出苗，4-5月份现蕾开花。 

上述方案中，通过猪殃殃根系大量吸收土壤中的镉后，并部分转移至茎和叶片等地上部分器官，将整株或仅将地上部分移除，从而达到去除农田土壤重金属镉的目的，实现农田土壤重金属镉污染的冬季修复。 

待猪殃殃地上部分形成一定生物量时，收割其根系和地上部分，重金属镉随着根系和地上部分的收割被大量除去。猪殃殃开会结实早，种子自然繁殖生长速度快，密度大，不需每年种植栽种，只将富集镉的地上部分收割，能大大降低劳动强度和难度却依然有良好的修复效果，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，于冬季将采集到的两组真叶展开的猪殃殃幼苗直接移栽于有镉重金属污染的土壤当中，种植密度5×5cm； 

所述猪殃殃种植后：

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天后将植物的根系和地上部分或仅地上部分进行收割，或开花时将植物的根系和地上部分或仅地上部分进行收割。

本申请发明人将农田中采集到的猪殃殃幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的农田土壤中修复农田土壤重金属镉污染。前人研究发现，在农田生态系统中，杂草与作物一同进化，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。农田杂草具有种类繁多、种群生物量大、生长迅速的特点。经进一步研究发现，本发明中的冬季农田杂草猪殃殃，主要对重金属镉具有耐性和富集特性。因此，从冬季农田杂草中采集重金属镉富集植物的猪殃殃，不仅可以弥补现有镉超富集植物的生长缓慢、生长范围狭窄、耐寒性弱的缺点，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，对冬季农田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：本发明利用猪殃殃在农田土壤中对重金属镉的耐性和富集特性，达到冬季修复污染土壤的目的。此外，由于猪殃殃繁殖能力强，生长快速，生长密度大，而且主要生长在冬季，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，为重金属镉污染农田土壤的冬季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。 

猪殃殃在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用，于冬季将农田杂草中采集到的猪殃殃幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的农田土壤中，植物长成后将整株移除，修复农田土壤重金属镉污染。作为选择，可只将富集镉的地上部分收割，修复农田土壤重金属镉污染，大大降低劳动强度和难度却依然有良好的修复效果。 

所述猪殃殃种植后： 

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天后将植物的根系和地上部分或仅地上部分收割，或开花时将植物的根系和地上部分或仅地上部分收割。

试验例1：盆栽浓度梯度试验

试验地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

本试验采用盆栽模拟农田土壤重金属镉污染的方法，于冬季（10月初）开始，移栽的茜草科猪殃殃属植物猪殃殃（拉丁名为Galium aparine）幼苗（两组真叶展开）直接采自四川农业大学雅安校区农场的未污染农田中。将猪殃殃幼苗种植于（也可直接播种种子）施加不同浓度梯度的重金属镉污染盆栽土壤中（土壤取自农田），盆规格15×18cm（高×直径），每盆装土3kg，每盆种植6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，平衡四周后种植猪殃殃幼苗（两组真叶展开）。 

试验结果如下： 

猪殃殃生物量测定结果见下述表1：

表1  不同镉浓度处理下猪殃殃的生物量特征

注：同一列数据后的不同小写字母表示差异达显著水平（P < 0.05）。

表1结果表明，随着土壤镉施加浓度的增加，猪殃殃根系和地上部分生物量逐渐降低。在所有镉处理中，猪殃殃没有出现受毒害的现象，叶色浓绿，表现出了对镉较强的耐性。与此同时，在高浓度的土壤镉处理下，猪殃殃地上部分生物量降低明显，但猪殃殃也能够正常生长，说明了猪殃殃具有很强的耐性。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，说明了猪殃殃逐步增加根系生物量所占的比重以增强对镉的耐性，也体现了猪殃殃具有很强的耐性。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，猪殃殃总生物量下降幅度不大，有利于用于修复土壤镉污染。 

猪殃殃体内镉含量测定结果见下述表2： 

表2  不同镉浓度处理下猪殃殃对镉的富集特征

注：同一列数据后的不同小写字母表示差异达显著水平（P < 0.05），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，随土壤镉施加浓度的增加，猪殃殃根系和地上部分的镉含量也增大。在土壤镉浓度为75mg/kg时，猪殃殃地上部分镉含量达到并超过100mg/kg。在土壤镉浓度为100mg/kg时，猪殃殃根系和地上部分镉含量均达到最大值。土壤镉施加浓度大于0mg/kg猪殃殃转移系数（TF）随土壤镉施加浓度的增加而呈先增后降的趋势，其值全部小于l，即地上部分镉含量小于根系镉含量。猪殃殃富集系数（BCF）随土壤镉施加浓度的增加而呈降低的趋势，其值全部大于l。 

综合猪殃殃对镉的耐性和富集特征来看，按照Brooks对超富集植物的定义，初步可以确定猪殃殃为镉富集植物。与其它镉超富集植物相比，猪殃殃地上部分镉含量也较高，只是地上部分镉含量小于其根系镉含量。因此，猪殃殃对镉污染农田土壤具有较强的修复能力，其修复能力不亚于其它镉超富集植物，且最大化修复能力的操作方式是整株移除。 

猪殃殃对镉的积累量结果见下述表3： 

表3  不同镉浓度处理下猪殃殃对镉的积累量

注：同一列数据后的不同小写字母表示差异达显著水平（P < 0.05）。

表3结果表明，随土壤镉施加浓度的增加，猪殃殃根系镉积累量、地上部分镉积累量及镉积累总量均呈增加的趋势。在土壤镉浓度为100mg/kg时，猪殃殃根系镉积累量、地上部分镉积累量及镉积累总量均达到最大值，其根系镉积累量、地上部分镉积累量和镉积累总量最大值分别为73.94μg/株、32.46μg/株和106.42μg/株，修复效果较好，且最大化修复能力的操作方式是整株移除。 

试验例2：田间小区试验

试验地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

本试验采用田间小区试验的方法，于冬季（10月初）开始，移栽的茜草科猪殃殃属植物猪殃殃（拉丁名为Galium aparine）幼苗（两组真叶展开）直接采自四川农业大学雅安校区农场的未污染农田中。将猪殃殃幼苗种植于（也可直接播种种子）重金属镉污染小区土壤中（土壤为原有镉污染土壤），每个小区面积1.0m²（1.0×1.0m），每个处理重复3次（3个小区）。每个小区种植400株，种植密度5×5cm。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天后收割植物，测定植物体内的重金属镉含量。 

小区按距离灌溉渠的近（I）、中（II）、远（III）分为三个处理，近（I）、中（II）、远（III）三个处理的镉含量分别为2.89mg/kg、2.55mg/kg、2.04mg/kg。 

试验结果如下： 

小区试验猪殃殃对镉的富集特征测定结果见下述表4：

表4  小区试验猪殃殃对镉的富集特征

注：同一列数据后的不同小写字母表示差异达显著水平（P < 0.05）。

表4结果表明，在土壤镉浓度为2.04-2.89mg/kg时，猪殃殃根系和地上部分生物量分别为120.4-128.4g/m²，262.4-273.2g/m²，各处理间差异均不显著。在土壤镉浓度为2.04-2.89mg/kg时，猪殃殃根系和地上部分镉含量分别为32.25-37.02mg/kg，10.71-13.51mg/kg，根系镉积累量、地上部分镉积累和整株积累量量分别为3.88-4.75mg/m²，2.81-3.69mg/m²和6.69-8.44mg/m²。虽然地上部分的镉富集能力不如地下部分，但修复效果依然相当好，综合考虑地下部分收取的劳动强度和难度，只收割地上部分总体来说是最适宜的修复方式。虽然试验例1说明了猪殃殃单株生物量很小，但猪殃殃在种植时的密度大，单位面积的生物量与其它镉超富集植物生物量相当。 

综合猪殃殃对镉的耐性和富集特征来看，按照Brooks对超富集植物的定义，进一步确定猪殃殃为镉富集植物，其修复效果不亚于其它镉超富集植物。在目前适合冬季生长的镉超富集植物缺乏的情况下，猪殃殃是一种理想的镉污染农田冬季修复材料，能够应用于镉污染农田的土壤冬季修复。 

试验例3：对比试验

试验地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

本试验采用盆栽模拟农田土壤重金属镉污染的方法，于冬季（10月初）开始，将从四川农业大学雅安校区农场的未污染农田中采集的冬季生长的农田杂草附地菜（拉丁名为Trigonotis peduncularis）、棒头草（拉丁名为Polypogon fugax）、婆婆纳（拉丁名为Ageratum conyzoides）、胜红蓟（拉丁名为Ageratum conyzoides）、雀舌草（拉丁名为Stellaria uliginosa）和猪殃殃（拉丁名为Galium aparine）幼苗（两组、两片或两对真叶展开）直接种植在土壤镉浓度为60mg/kg的盆栽土壤中（土壤取自农田），盆规格15×18cm（高×直径），每盆装土3kg，每盆种植6株，重复3次。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天后收割植物，测定植物体内的重金属镉含量。 

试验共设1个处理，施加镉浓度为60mg/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，平衡四周后种植六种冬季生长的农田杂草幼苗（两组、两片或两对真叶展开）。 

试验结果如下： 

六种冬季生长的农田杂草对镉的积累比较测定结果见下述表5：

表5  六种冬季生长的农田杂草对镉的积累比较

注：同一列数据后的不同小写字母表示差异达显著水平（P < 0.05）。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。

从表5可知，从镉的吸收量来看，只有猪殃殃地上部分BCF＞1，且地上部分镉含量为116.85mg/kg，达到镉超富集植物的标准100mg/kg，其余五种植物的地上部分镉含量都较低（地上部分BCF＜1）。因此，不是所有冬季农田杂草对重金属镉都具有超富集特性，且农田杂草对重金属镉的富集也没有规律可循。猪殃殃的地上部分超过了镉超富集植物的临界值（100mg/kg），且地上部分BCF为1.56＞1，但TF为0.12＜1，结合前述试验例1、2，可知猪殃殃是一种镉富集植物。 

  

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.猪殃殃在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用，其特征在于：于冬季将农田中采集到的猪殃殃幼苗直接移栽或将种子直接播种于重金属镉污染的农田土壤中，植物长成后将整株或仅将地上部分移除，修复农田土壤重金属镉污染。

2.如权利要求1所述的猪殃殃在冬季修复农田土壤重金属镉污染中的应用，其特征在于：

自然条件下，将采集到的两组真叶展开的猪殃殃幼苗直接移栽于有镉重金属污染的土壤当中，种植密度5×5cm；

所述猪殃殃种植后：

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天后将植物的根系和地上部分或仅地上部分收割，或开花时将植物的根系和地上部分或仅地上部分收割。