CN106914479A - 利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，该方法选用具有萃取重金属性能的农作物品种，通过增加种植密度的种植方式，在农田上进行土壤修复种植，利用农作物植株不可食用部分萃取重金属，并对农作物植株不可食用部分进行集中处理，使重金属从土壤中移除，同时收获符合食品安全标准的可食用部分。获得的土壤修复方法，利用农作物植株不可食用部分吸收、萃取、移除土壤中的重金属，达到对土壤重金属污染的修复目的，同时收获符合食品安全标准的可食用部分，完成农田原位修复和农业生产的同时进行，提高土壤修复效果，且环保、不造成二次污染，是利于应用推广的土壤修复技术。

Description

利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复 方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，尤其涉及利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法。

背景技术

随着工农业生产和生活废弃物的排放，化工原料、化肥、农药、重金属、放射性物质和有害微生物等污染源进入土壤，逐渐超出土壤自净能力，从而引起土壤组成结构及功能发生变化，微生物活动受到抑制，土壤生态平衡受到破坏，土壤质量下降，影响作物正常发育和产品质量，造成土壤污染。按照主要污染物类型划分，土壤污染可以分为：重金属污染、有机物污染、放射性污染、病原菌污染、固体废弃物污染等，其中重金属污染是目前较为严重的一种土壤污染，我国首次土壤普查显示，中国有近20％的耕地存在镉、砷、汞、铅、镍、铜等重金属超标，这些重金属不仅影响植物根、叶的发育，还可通过农作物吸收进入食物链，严重影响食品安全并危及人类健康，破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系统等，造成极大危害。

土壤修复是指对已经污染的土壤采取适宜的方式方法，去除土壤中的污染物或者降低污染物活性，恢复土壤正常状态。目前土壤污染修复技术主要包括：物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术、联合修复技术等。对于土壤重金属污染，通过物理和化学手段治理非常困难，也容易造成二次污染，利用植物萃取吸收的生物修复技术，其能耗小、不产生二次污染，是最具有应用前景的修复技术，但现有植物萃取吸收技术要求农田停止正常生产，而且可用作土壤修复的植物在农田种植时往往需要驯化和适应过程，而且其扎根深、多年生，导致修复后植物余根不易清除干净，甚至引起土壤本身结构的变化，因此，目前植物萃取吸收技术应用受到很大限制。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用农作物植株的不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，通过选用具有优良的萃取重金属性能的农作物品种，种植在农田上，在不停止农田生产的前提下，完成对土壤的修复。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，该方法选用具有萃取重金属性能的农作物品种，通过增加种植密度的种植方式，在农田上进行土壤修复种植，利用农作物植株不可食用部分萃取重金属，并对农作物植株不可食用部分进行集中处理，使重金属从土壤中移除，同时收获符合食品安全标准的可食用部分；所述农作物品种的萃取重金属性能表现为植株的不可食用部分萃取重金属的含量分别不低于Cr2.0mg/kg、Ni20.0mg/kg、Cd0.7mg/kg、Pb10.0mg/kg。

本发明的土壤修复技术中，农作物的选择与其种植方式，是决定技术可行性和修复效果的关键，要实现农田不停止生产，完成农田原位修复和农业生产同时进行，既要保障收获的可食用部分确保食品安全性，又要保障可食用部分的产量，因此，本发明方法中选种的农作物其萃取重金属性能表现在农作物植株不可食用部分对重金属的萃取性能和可食用部分对重金属的萃取吸收性能两方面；另外，在种植过程采用非常规的增加种植密度和水肥管理等方式，促进土壤中重金属向茎、叶等农作物植株的不可食用部分内转移，并适量增加不可食用部分的生产总量，以此实现利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属，并对富集吸收的不可食用部分集中处理，达到土壤修复的目的，同时收获安全的可食用部分，不影响农田正常生产，从而推进土壤修复技术的显著发展。

作为对上述技术方案的限定，所述农作物包括粮食作物、蔬菜作物、水果作物。

作为对上述技术方案的限定，所述农田为重金属尚清洁土壤或重金属轻微污染土壤。

作为对上述技术方案的限定，所述增加种植密度的方式中种植密度较当地常规种植密度增加30％。

可采用撒播或者增加播种行数等方式实现种植密度的增加，在保证可食用部分产量的基础上，促进农作物植株不可食用部分的生长量，增大农作物植株不可食用部分对重金属的萃取量，增强对土壤的修复效果。

作为对上述技术方案的限定，该方法包括以下步骤：

a、筛选农作物品种：将当地种植的农作物审定品种在重金属污染的试验土壤中种植，进行筛选试验，依据收获的各农作物植株不可食用部分萃取重金属的含量与可食用部分萃取重金属的含量，并兼顾农作物产量因素，选择具有萃取重金属性能的农作物品种，用作土壤修复的种植品种；

b、土壤修复：切断导致农田重金属含量增加的重金属污染源，将筛选得到的农作物品种，以增加种植密度的方式，在农田上进行土壤修复种植，收获农作物植株不可食用部分和符合食品安全标准的可食用部分，将农作物植株的不可食用部分进行焚烧处理，降低土壤中重金属含量，通过农作物的反复种植，完成对土壤的修复。

作为对上述技术方案的限定，步骤a所述筛选试验包括以下步骤：

a1、采用五点取样法对试验土壤取样，测定试验土壤中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；

a2、将不同品种的农作物种植在试验土壤上，待农作物成熟，采用五点取样法采集农作物植株，分离出不可食用部分和可食用部分，杀青并烘干、粉碎、消解后，测定不可食用部分中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量和可食用部分中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；

a3、依据不同品种农作物植株的不可食用部分萃取重金属的含量、可食用部分萃取重金属的含量，按照筛选标准，选择用作萃取移除重金属的农作物品种。

利用农作物植株不同部位对不同重金属吸收量不同的原理，通过研究不同农作物品种的不同部位与特定重金属种类的富集、吸收对应关系，筛选农作物植株不可食用部分对特定重金属高富集吸收、同时可食用部分低吸收的品种，用作土壤修复的农作物，经过不可食用部分吸收、萃取、移除土壤中的重金属，达到降低农田重金属含量的目的。

作为对上述技术方案的限定，步骤b所述农作物土壤修复种植包括以下步骤：

b1、播种、前期肥水及病虫害防治管理：播前浇足底墒水、施足底肥，足墒播种，采用机播方式，等行距种植，行距10cm，播深3-5cm；出苗后查苗、补苗，保证苗全；

b2、中后期肥水及病虫害防治管理；拔节期追肥，浇灌好拔节水、抽穗水；

b3、收获及取样检测：收获农作物植株，对不可食用部分、可食用部分、土壤均取样检测Cr、Ni、Cd、Pb元素含量。

进一步限定农作物品种的筛选方法和土壤修复种植方法，使本发明的土壤修复方法更利于应用和推广。

综上所述，采用本发明的技术方案，获得的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，通过选用具有萃取重金属性能的农作物品种作为修复土壤的植物，采用增加种植密度和水肥管理、药剂喷施方式，促进农作物植株不可食用部分吸收、萃取、移除土壤中的重金属，达到对重金属污染土壤的修复目的，同时收获符合食品安全标准的可食用部分，完成农田原位修复和农业生产的同时进行。该土壤修复方法，不仅省去利用农田外来植物需要驯化以适应当地气候、土壤条件等繁杂环节，省时省力，又能保证了萃取量，提高土壤修复效果，且环保、不造成二次污染，是利于应用推广的土壤修复技术。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例涉及利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，按以下步骤进行：

a、筛选农作物品种：将适合污染地种植并已经通过当地审定的多种农作物品种，选择常规种植的作物种类包括小麦、玉米或水稻，搜集多种同一作物种类的不同品种，在有重金属污染的试验土壤中种植，进行筛选试验，依据收获的各农作物品种的农作物植株不可食用部分萃取重金属的含量与可食用部分萃取重金属的含量，兼顾农作物的产量，选择具有萃取重金属性能的农作物品种，用作土壤修复的种植品种。

所述种植筛选试验，以河北省范围内3个不同位点的典型土壤及土壤上种植45个不同品种的小麦筛选为例，根据河北省土壤重金属污染分布特征选择3个位点为试验区，试验区土壤的基本性质，见下表：

上表中土壤pH和电导率(EC)在水土比为5:1条件下测定，有机质使用外加热重铬酸钾法测定；全氮含量采用凯氏定氮仪测定；速磷采用钼蓝比色法测定；速钾采用火焰光度计测定。

筛选试验步骤如下：

a1、在大田试验区，采用“五点取样法”对试验区土壤取样，样品经风干混匀后，研磨、过0.149mm尼龙筛，测定样品中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；

a2、将45个不同品种的小麦种植在大田试验区，设3个重复样，待小麦成熟后，五点取样法取小麦植株地上部分，用去离子水清洗整个植株，分离出茎叶和籽粒，105℃杀青20min，70℃烘干，分别将茎叶、脱壳麦粒粉碎，过0.149mm尼龙筛，测定茎叶中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量和籽粒中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；

45个小麦品种中秸秆Cr含量前三名的分别是13.246mg/kg、5.365mg/kg、4.029mg/kg，相应的籽粒Cr含量分别为2.243mg/kg、2.146mg/kg、1.817mg/kg；秸秆Cr含量与籽粒Cr含量比例最高的品种其秸秆Cr含量为3.038mg/kg，籽粒Cr含量为0.180mg/kg，二者比例最高达到16.836；

45个品种有43个品种的秸秆Ni含量都远远高于籽粒Ni含量，二者比例在1.911～69.927之间，秸秆Ni含量前三名的分别是36.961mg/kg、28.035mg/kg、23.258mg/kg，相应的籽粒Ni含量分别为0.529mg/kg、0.533mg/kg、0.458mg/kg；

45个小麦品种中秸秆Cd含量前两名的分别是1.502mg/kg、0.898mg/kg，相应的籽粒Cd含量分别为0.028mg/kg、0.024mg/kg；

45个小麦品种中秸秆Pb含量前三名的分别是58.986mg/kg、18.273mg/kg、15.293mg/kg，相应的籽粒Pb含量分别为0.629mg/kg、0.467mg/kg、0.533mg/kg。

a3、依据不同品种农作物的茎叶中重金属含量，以及籽粒中重金属含量值，确定农作物品种的筛选标准：茎叶中Cr元素含量需不低于2.0mg/kg，Ni元素含量需不低于20.0mg/kg，Cd元素含量需不低于0.70mg/kg，Pb元素含量需不低于10.0mg/kg，相应的籽粒中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量值均不超过食品安全中规定的重金属元素含量标准。

按照上述筛选标准选择的可用于萃取Cr元素的小麦品种有藁优5766、小偃101，最佳小麦品种为藁优5766；可用于萃取Ni元素的小麦品种有良星66、石新828，最佳小麦品种为良星66；可用于萃取Cd元素的小麦品种有婴泊700。

对于Pb元素的萃取，由于实验的所有小麦品种，其籽粒中Pb含量超出食品质量安全标准，可考虑将经萃取种植的小麦用作饲料的方法用于土壤修复，或配以喷施药剂减少重金属向籽粒中的转移吸收达到食品安全标准。

上述步骤中Cr、Ni、Cd、Pb元素用7700XICP-MS仪器测定。

b、土壤修复：切断导致待修复农田重金属含量超标的重金属污染源，将筛选得到的农作物品种，以增加种植密度的方式，在重金属污染的农田上进行土壤修复种植，收获农作物植株不可食用部分和符合食品安全标准的可食用部分，将农作物植株不可食用部分进行焚烧处理或用于加工纤维板等，来移除土壤的重金属污染；通过农作物的反复种植，完成对土壤的修复。

所述农作物品种的土壤修复种植，以石家庄赵县为土壤修复试验地点，步骤如下：

b1、播种、前期肥水及病虫害防治管理：

(1)选用经步骤a筛选得到的小麦品种的包衣种子，或进行药剂拌种，防治地下害虫；

(2)精细整地，地面上虚下实、无明暗坷垃；

(3)播前浇足底墒水，实现足墒播种；

(4)底肥：播前亩施有机肥3方、磷酸二铵25公斤、尿素10公斤、硫酸钾12.5公斤做底肥，同时，亩施辛硫磷颗粒5公斤拌毒土，防治地下害虫；

(5)播期、播量：播期，10月5-12日；播种量，在适宜播期范围内冀中南掌握亩基本苗在33万左右，北部麦区掌握在40万左右；超出适期范围后每晚播一天增加0.6公斤播量，实现播期播量相配套；

(6)播种方式及质量：机播、等行距种植，行距10厘米(本地常规播种行距为15厘米)，播深3-5厘米，播后镇压；

(7)查苗、补苗：出苗后及时查苗、补苗，保证苗全；

(8)化学除草：立足春草秋治，在11月中下旬(小麦三叶期)进行秋季化学除草；

(9)病虫防治:播种前土壤撒施毒土，同时，种子用“杀虫剂+杀菌剂”进行药剂拌种，防治地下害虫；小麦出苗前后用杀虫剂在道边、垄沟和地头喷洒药带，防止灰飞虱等害虫迁入；

(10)冻水：入冬前以苗情、土壤墒情来确定是否灌冻水；

b2、中后期肥水及病虫害防治管理：

(1)追肥：拔节期随第一水亩追尿素20公斤；

(2)灌水：灌好拔节水、抽穗水两次关键水；

(3)吸浆虫防治：孕穗期拌毒土防治吸浆虫；

(4)蚜虫、病害防治：杨花后叶面喷施“杀虫剂+杀菌剂”做好“一喷三防”，防病、防虫、防干热风；

(5)叶面喷肥：灌浆期喷施磷酸二氢钾等叶面肥，促进灌浆、提高粒重；

(6)做好阔叶杂草为主的春草除治；

(7)后期做好麦蚜、白粉病、赤霉病等病虫害防治；

b3、收获及取样检测：收获农作物植株，对茎叶、籽粒、土壤均取样检测Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；便于重金属萃取移除量的计算，以及后续的修复种植。

步骤b的上述管理中施入的肥、水、药都需要检测、筛选，不带入重金属。

以重金属铬、镍元素的萃取为例，一季小麦收获的不可食用部分每亩可从耕层中萃取的铬和镍最高量分别为7.948g和22.177g(根据调查以一年小麦秸秆产量600kg计)，按照一亩耕层20cm(小麦根浅)土壤总质量为173420kg，则每亩种植一季小麦可以降低土壤中的Cr和Ni的浓度分别为：0.046和0.128mg/kg。根据食用农产品产地环境质量评价标准(HJ/T332-2006)铬和镍的标准值为250和60mg/kg，农作物品种的生命期一般为5-15年，按照农作物品种正常可种植的年限10年计算，小麦秸秆Cr和Ni含量最高的品种可以分别用于Cr超标浓度0.46mg/kg、Ni超标浓度1.28mg/kg范围内农田污染的修复，修复期限为10年。现实农业生产中一年均是2-3季，小麦种植与玉米轮作为2季，同时实现玉米品种筛选种植，或者筛选出不可食用部分吸收萃取浓度更高的品种，可以用于修复污染程度更高的农田。

综上所述，本发明的土壤修复方法，利用粮食农作物植株不可食用部分吸收、萃取、移除土壤中的重金属，达到对重金属污染土壤的修复目的，同时收获食用安全的可食用部分，完成农田原位修复和农业生产的同时进行，不仅省去利用农田外来植物需要驯化以适应当地气候、土壤条件等繁杂环节，省时省力，又能保证了萃取量，提高土壤修改效果，且环保、不造成二次污染，是利于应用推广的土壤修复技术。

Claims (7)

1.一种利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于：该方法选用具有萃取重金属性能的农作物品种，通过增加种植密度的种植方式，在农田上进行土壤修复种植，利用农作物植株不可食用部分萃取重金属，并对农作物植株不可食用部分进行集中处理，使重金属从土壤中移除，同时收获符合食品安全标准的可食用部分；所述农作物品种的萃取重金属性能表现为植株的不可食用部分萃取重金属的含量分别不低于Cr2.0mg/kg、Ni20.0mg/kg、Cd0.7mg/kg、Pb10.0mg/kg。

2.根据权利要求1所述的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于：所述农作物包括粮食作物、蔬菜作物、水果作物。

3.根据权利要求1所述的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于：所述农田为重金属尚清洁土壤或重金属轻微污染土壤。

4.根据权利要求1所述的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于：所述增加种植密度的种植方式中种植密度较当地常规种植密度增加30％。

5.根据权利要求1所述的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、筛选农作物品种：将当地种植的农作物审定品种在重金属污染的试验土壤中种植，进行筛选试验，依据收获的各农作物植株不可食用部分萃取重金属的含量与可食用部分萃取重金属的含量，选择具有萃取重金属性能的农作物品种，用作土壤修复的种植品种；

b、土壤修复：切断导致农田重金属含量增加的重金属污染源，将筛选得到的农作物品种，以增加种植密度的种植方式，在农田上进行土壤修复种植，收获农作物植株不可食用部分和符合食品安全标准的可食用部分，将农作物植株的不可食用部分进行焚烧处理，降低土壤中重金属含量，通过农作物的反复种植，完成对土壤的修复。

6.根据权利要求5所述的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于，步骤a所述筛选试验包括以下步骤：

a1、采用五点取样法对试验土壤取样，测定试验土壤中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；

a2、将不同品种的农作物种植在试验土壤上，待农作物成熟，采用五点取样法采集农作物植株，分离出不可食用部分和可食用部分，杀青并烘干、粉碎、消解后，测定不可食用部分中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量和可食用部分中Cr、Ni、Cd、Pb元素含量；

a3、依据不同品种农作物植株的不可食用部分萃取重金属的含量、可食用部分萃取重金属的含量，按照筛选标准，选择用作萃取移除重金属的农作物品种。

7.根据权利要求5所述的利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其特征在于，步骤b所述农作物的土壤修复种植包括以下步骤：

b1、播种、前期肥水及病虫害防治管理：播前浇足底墒水、施足底肥，足墒播种，采用机播方式，等行距种植，行距10cm，播深3-5cm；出苗后查苗、补苗，保证苗全；

b2、中后期肥水及病虫害防治管理；拔节期追肥，浇灌好拔节水、抽穗水；

b3、收获及取样检测：收获农作物植株，对不可食用部分、可食用部分、土壤均取样检测Cr、Ni、Cd、Pb元素含量。