CN105921502B - 一种利用耐寒冬油菜品种冬季修复镉铅污染农田的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用耐寒型冬油菜在冬季修复镉和/或铅污染农田的方法，包括：于入冬前将冬油菜播种至中度或轻度镉和/或铅污染的土壤中出苗并成活生长，通过冬油菜根系吸收污染土壤中的重金属镉和/或铅并转移至地上部；以及收获吸收了重金属镉和/或铅的冬油菜。在收获冬油菜后，可以将其送至专属场所集中并做无害化处理。本发明利用冬油菜耐寒性较强和对镉和/或铅的共富集特性，吸收积累污染农田土壤中的镉和/或铅重金属，并将之转运到地上部分，从而降低污染土壤中镉和/或铅含量。本发明适用于中度或轻度镉和/或铅污染农田土壤的冬季治理修复，同时，由于冬油菜抗寒性较强，生长过程中管理粗放，且不占用夏季农田资源，因而成本较低，可操作性强，具有良好的实际应用前景。

Description

一种利用耐寒冬油菜品种冬季修复镉铅污染农田的方法
技术领域
本发明涉及环境中重金属污染的植物修复技术领域，具体地涉及一种利用耐寒冬油菜品种冬季修复镉和/或铅污染农田的方法。
背景技术
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源，土壤环境健康事关农产品质量和人体健康。近年来，土壤重金属污染已成为全球面临的严重的环境问题。目前，我国农田土壤受重金属污染严重，根据全国首次土壤污染状况调查结果显示，我国耕地土壤点位超标率为19.4％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7％、2.8％、1.8％和1.1％；而从污染物超标情况来看，重金属镉和铅点位超标率分别为7.0％和1.5％。现在我国受重金属污染的农田土壤约2500万公顷，每年被重金属污染的粮食多达1200万吨，造成的直接经济损失超过100亿元。
镉和/或铅污染土壤的传统治理方式主要是工程治理措施和物理化学修复方法，然而其往往有成本高昂、对环境扰动大和可能造成二次污染等弊端。近年来，利用植物修复技术原位治理土壤重金属污染领域已逐渐成为主流，植物修复技术具有修复成本较低、对环境扰动小、无二次污染和可持续性等优势，同时兼有美化环境的作用，而对于中度和轻度镉和/或铅污染土壤，利用植物修复还具有修复效率高和修复时间短的优势，这些优势是工程治理措施和物理化学修复方法所不具备的。
在植物修复技术中，利用超富集植物吸收污染土壤中的镉和/或铅重金属是较为常见的技术，然而目前发现的超富集植物通常有对土壤气候适应能力差、生长缓慢、生物量小等问题，限制了其修复效率和推广价值。且超富集植物通常需要在气候环境适宜的春夏季生长，当其应用于吸收农田土壤重金属时，必将占用农田资源，影响其生产价值。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在提出一种利用耐寒冬油菜品种冬季修复镉和/或铅污染农田的方法，在冬季低温条件下利用种植耐寒冬油菜吸附土壤中重金属镉和/或铅，从而修复农田土壤的镉和/或铅污染。
(二)技术方案
本发明提出的利用耐寒冬油菜品种在冬季修复镉和/或铅污染农田的方法，包括：于入冬前(例如，在10月中下旬)将冬油菜播种至中度或轻度镉和/或铅污染的土壤中出苗并成活生长，通过冬油菜根系吸收污染土壤中的重金属镉和/或铅并转移至地上部；以及收获吸收了重金属镉和/或铅的冬油菜。在收获冬油菜后，可以将其送至专属场所集中并做无害化处理。
根据本发明的实施例，所述冬油菜是铅镉富集型耐寒冬油菜。
(三)有益效果
本发明提出的利用耐寒冬油菜品种冬季修复镉和/或铅污染农田的方法，通过在入冬前将冬油菜播种至中度或轻度镉污染或镉和/或铅复合污染的农田土壤中，利用冬油菜的耐寒性，保证其出苗，并在冬季低温条件下正常生长。再利用冬油菜对重金属镉和/或铅的富集能力，通过根系吸收污染土壤中的重金属镉和/或铅并将其转移至地上部分，以达到减少土壤中重金属镉和/或铅含量，修复重金属污染农田土壤的目的。本发明中冬油菜品种具有分布广泛、耐寒性强、繁殖能力强和生物量较大等特性，且对土壤中重金属镉具有较强的富集能力，对土壤中重金属铅也具有一定的修复效应。利用冬油菜冬季修复镉和/或铅污染农田土壤，还具有投入成本较低、在冬季可以防止土壤裸露、防风固土、美化环境等特点，且不影响夏季农田的合理利用，因而其修复潜力和应用前景广阔。
附图说明
图1示出根据本发明实施例利用冬油菜冬季治理镉和/或铅污染农田土壤修复方法的流程图；
图2示出根据本发明实施例的冬油菜田间栽培试验；
图3示出根据本发明实施例在20种冬油菜品种中初步筛选出耐寒性较强的冬油菜品种；
图4为图3中筛选出的耐寒冬油菜品种；
图5示出筛选出的冬油菜品种地上部富集重金属镉的含量；
图6示出筛选出的冬油菜品种地上部富集重金属铅的含量。
具体实施方法
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
考虑到背景技术部分所述的技术问题，有必要筛选一种耐寒性较强且同时镉和/或铅富集能力较强的植物品种在冬季修复中度和轻度镉和/或铅污染农田土壤，这不但有利于镉和/或铅污染土壤的修复治理，而且不占用夏季的农田资源，不影响污染农田资源的合理利用。
发明人注意到，冬油菜作为冬季油料作物，可与粮食或其他经济作物进行复种轮作，占全国油菜种植总面积的90％，在我国黄河流域、长江流域各省及云贵高原地区等均有种植。且冬油菜对土壤重金属镉和/或铅有较强的富集能力，因此筛选出耐寒性强的冬油菜品种在冬季修复中轻度镉和/或铅污染农田土壤具有一定的修复潜力和应用价值。
图1示出根据本发明实施例利用冬油菜冬季治理镉和/或铅污染农田土壤修复方法的流程图。该方法通过如下步骤完成：
S1：首先通过比较20种不同冬油菜品种在越冬期的存活和生长状况及其地上部生物量，筛选出耐寒性较强的冬油菜品种，确保其在冬季低温条件下可以存活并生长，然后进一步比较其地上部镉和/或铅富集能力，从中筛选出适宜的冬油菜品种作为修复材料。
S2：选取气候和土壤均适宜冬油菜种植的中度或轻度镉和/或铅污染土。利用地积累指数法选取中度或轻度镉和/或铅污染农田土壤，其表达式为Igeo＝log2[Cn/(k*Bn)]，其中Cn是元素n在污染土壤中的含量；Bn是污染土壤中该元素的地球化学背景值；k为考虑不同土壤差异可能会引起的背景值的变动而取的系数，用来表征土壤特征及其他影响，当1≤Igeo＜2时，为中度污染土壤；当0≤Igeo＜1时，为轻度污染土壤。
S3：于入冬前，例如10月中下旬，将冬油菜播种至中度或轻度镉和/或铅污染的农田土壤中成活出苗并生长，通过冬油菜根系吸收污染土壤中的重金属镉和/或铅，并转移至地上部。播种方式为采用窄行条播的方式将冬油菜种子直接播种至污染土壤中，播种深度为2.5-3cm，行距为30cm。
S4：对收获的冬油菜送至专属场所集中并做无害化处理。
根据本发明的实施例，镉和/或铅富集型耐寒冬油菜是通过以下步骤筛选的：
以中度和轻度镉和/或铅污染的土壤为冬油菜生长介质，记录并分析多种冬油菜地上部生物量，同时根据冬季低温下不同品种冬油菜生长状况筛选出耐寒冬油菜；
对筛选出的耐寒冬油菜的地上部生物量、镉和/或铅含量及其对应土壤的镉和/或铅含量进行综合考虑，包括通过地上部生物量和镉和/或铅含量可以出其镉和/或铅含量的移除量，而通过冬油菜地上部镉和/或铅含量和对应土壤中镉和/或铅含量计算其富集系数，筛选其重金属移除量大和富集系数高的冬油菜品种，作为镉和/或铅富集型耐寒冬油菜。
以下通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例地点设在河南省中轻度镉和/或铅污染农田土壤，通过田间实验的模式将20种不同的冬油菜品种种植于土壤中，测定其土壤中和油菜地上部的镉和/或铅重金属含量以及油菜的生物量。
实验设20个小区，小区面积均为30m×4m，分别种植20种不同冬油菜品种(图2)，通过其在越冬期生长状况及生物量筛选出耐寒性较强的冬油菜。通过对20种不同地区冬油菜品种在12月中旬温度接近0℃时的地上部生物量进行比较分析鉴别出在低温下生物量较大的冬油菜品种(图3)，其可初步界定为耐寒性油菜品种，同时由于试验地在1月份达到最低温，有12天最低气温在-5℃以下，有7天降雪，在此冬季温度较低甚至积雪覆盖的条件下，其他油菜品种已经受到严重冻害，而豫油2号、豫油88号、早熟100天、极旱98和中油千斤旱这5种冬油菜仍能安全越冬(图4)，因此本试验通过不同冬油菜品种生物量大小和其在越冬期生长状况筛选出的耐寒性较强的冬油菜品种有豫油2号、豫油88号、早熟100天、极旱98和中油千斤旱5种。
然后比较其重金属镉和/或铅的富集能力，污染土壤中镉含量为2.22mg/kg，铅含量为173.06mg/kg。5种油菜地上部镉含量如图5所示，由图可知豫油2号和豫油88号品种的冬油菜地上部重金属镉含量要显著高于早熟100天、极旱98和中油千斤旱品种的冬油菜地上部镉含量；5种油菜地上部铅含量如图6所示，由图可知豫油2号冬油菜其地上部重金属铅含量要显著高于豫油88号、早熟100天、极旱98和中油千斤旱品种的冬油菜地上部铅含量。
生物富集系数，又称生物富集因子(Bio-concentration Factor，BCF)，其可以反映植物对土壤中重金属的富集特征，富集系数大于1是判断超富集植物的标准之一。本实施例通过重金属富集系数来表征不同品种冬油菜对土壤中镉和/或铅的富集能力，重金属富集系数可以通过以下公式计算：
重金属富集系数＝植物体内重金属含量/土壤中重金属含量
计算可知，豫油2号、豫油88号、早熟100天、极旱98和中油千斤旱5种冬油菜镉富集系数分别为15.23、13.11、10.64、10.75和9.38，这说明所选冬油菜品种对重金属镉都具有较强的富集能力，其富集能力由强到弱为：豫油2号＞豫油88号＞极旱98＞早熟100天＞中油千斤旱；豫油2号、豫油88号、早熟100天、极旱98和中油千斤旱5种冬油菜铅富集系数分别为0.90、0.54、0.59、0.54和0.53，可知所选冬油菜品种对污染土壤中重金属铅具有一定的修复潜力，其吸收能力由强到弱为：豫油2号＞早熟100天＞极旱98＞豫油88号＞中油千斤旱，其中豫油2号冬油菜铅富集系数接近于1，显示出较强的铅吸收能力。
油菜是我国冬季可以种植的油料作物，其茎枝直立生长，株体高达，光合作用和生长效率较高，成熟期鲜重产量可达1500-2500kg/亩，按82％含水量计算干物重产量可达270-450kg/亩，根据实施例所测得的数据，所筛选出的镉和/或铅富集型耐寒冬油菜地上部镉含量平均可以达到26.24mg/kg，铅含量平均可以达到107.1mg/kg，即每亩每种植一茬冬油菜可以从土壤中移除7.1-11.8g镉和28.9-48.2g铅，能有效减少土壤中的重金属镉和/或铅的含量，达到修复土壤镉和/或铅重金属污染的效果。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种利用冬油菜修复镉和/或铅污染土壤的方法，其特征在于，包括：
S1：筛选出耐寒性较强的冬油菜品种，然后比较地上部镉和/或铅富集能力，筛选出适宜的冬油菜品种作为修复材料；
S2：选取气候和土壤均适宜冬油菜种植的中度或轻度镉和/或铅污染土；
S3：于入冬前将冬油菜播种至中度或轻度镉和/或铅污染的土壤中出苗并成活生长，通过冬油菜根系吸收污染土壤中的重金属镉和/或铅并转移至地上部；以及收获吸收了重金属镉和/或铅的冬油菜；
S4：在收获冬油菜后，将其送至专属场所集中并做无害化处理；
所述冬油菜包括以下之一：豫油2号、豫油88号、早熟100天、极旱98和中油千斤旱；
所述冬油菜是镉和/或铅富集型耐寒冬油菜，所述镉和/或铅富集型耐寒冬油菜是通过以下步骤筛选的：以中度和轻度镉和/或铅污染的土壤为冬油菜生长介质，记录并分析多种冬油菜地上部生物量，同时根据冬季低温下不同品种冬油菜生长状况筛选出耐寒冬油菜；对筛选出的耐寒冬油菜的地上部生物量、镉和/或铅含量及其对应土壤的镉和/或铅含量进行综合考虑，包括通过地上部生物量和镉和/或铅含量可以得 出其镉和/或铅含量的移除量，而通过冬油菜地上部镉和/或铅含量和对应土壤中镉和/或铅含量计算其富集系数，筛选其重金属移除量大和富集系数高的冬油菜品种，作为镉和/或铅富集型耐寒冬油菜；
所述冬油菜播种方式为直播，采用窄行条播，播种深度为2 .5-3cm，行距为30cm；
所述镉和/或铅污染土壤为中度或轻度污染土壤，利用地积累指数法选取中度或轻度镉和/或铅污染农田土壤，其表达式为Igeo＝log2[Cn/( k*Bn )]，其中Cn是元素n在污染土壤中的含量；Bn是污染土壤中该元素的地球化学背景值；k为考虑不同土壤差异可能会引起的背景值的变动而取的系数，用来表征土壤特征及其他影响，当1≤Igeo＜2时，为中度污染土壤；当0≤Igeo＜1时，为轻度污染土壤；k等于1 .5；
所述冬油菜具有如下特性：当污染土壤重金属镉含量为2.22mg/kg时，冬油菜地上部镉含量平均最高达到26.24mg/kg；当污染土壤重金属铅含量为173.06mg/kg时，冬油菜地上部铅含量最高达到107.1mg/kg。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，入冬前是指10月中下旬。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无害化处理包括焚烧或压缩后作无害化填埋。
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