CN107175256A - 利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法：当年6月初在镉污染土壤中种植鬼针草，并与9月底将鬼针草收获；于当年10月初在收获鬼针草的土壤中种植油菜，并与第二年5月底将油菜收获；于第二年6月初继续在收获油菜后的土壤中种植鬼针草，如此循环种植这两种作物，形成鬼针草和油菜轮作的种植体系。本发明利用鬼针草和油菜的轮作种植，可持续对镉污染土壤进行修复，鬼针草和油菜的地上部用来吸收土壤中镉，收获的油菜籽还可用于榨取食用菜籽油，给农民带来一定的经济收入。与现有将花生或向日葵作为修复植物相比，不仅对土壤中镉的去除能力强，也不存在植物中吸收的重金属进入食物链的风险，非常适合北方地区镉污染土壤的修复。

Description

利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术，尤其是涉及一种利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法。

背景技术

镉是土壤中常见的污染重金属，也是我国土壤中最主要的污染重金属之一。污染土壤中镉的主要来源包括有色金属开采和冶炼等。在未污染土壤中，镉的含量一般在0.1mg/kg左右，而有色金属冶炼企业附近土壤中的镉含量会达到未污染土壤的几十甚至几百倍。

镉并非是人体必需的营养元素。镉如果通过呼吸、饮食等途径进入人体，会对人体产生不良影响，如镉会对呼吸道产生刺激，长期处于镉污染环境中会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉经呼吸进入体内被吸收后会积存于肝或肾脏，对肝脏或肾脏造成危害，尤以对肾脏损害最为明显；镉还可导致骨质疏松和软化，过量摄入镉会导致死亡。

土壤中镉含量过高，会影响当地生态系统及居民身体健康。污染土壤中的镉易被植物吸收并在植物体中积累，因此，在镉污染土壤中种植水稻或小麦，稻米或小麦籽粒中的镉含量易超标，从而造成食用者体内镉含量积累，影响居民身体健康。同时，土壤镉污染也会影响水体质量、土壤微生物和植物生长。

镉污染土壤的修复方法有多种，从目前的实际应用来看，植物提取修复、换土等方法均有一定的应用。换土法适合于重金属污染程度大的土壤，但由于换出的土壤仍然需要处理，且挖走原土壤后形成的坑还需要用未污染土壤填充，限制了换土法的应用。植物提取修复也是重金属污染土壤的修复方法之一，这种方法适合于植物有效性和移动性较高的重金属，如镉。植物提取修复的方法是将对重金属吸收能力较强的植物种植在重金属污染土壤上，植物生长过程中吸收重金属后，通过收获并带走植物体，达到降低土壤中重金属含量的目的。植物提取修复采用类似于农业生产的方式修复污染土壤，该方法对土壤性质无破坏，修复过程环境友好，但是缺点是修复速度慢，将污染土壤变成洁净土壤或使污染土壤中的重金属含量达标需要几年甚至几十年之久。

目前已经发现了几种对土壤中镉有较强吸收能力的植物，如伴矿景天（Sedum plumbizincicola）、鬼针草（Bidens pilosa L.）、油菜（Brassica campestris L.）等。伴矿景天是一种发现于浙江省污染区的植物，对土壤中的镉有很强的积累能力。在污染土壤中生长时，其地上部镉含量可达到土壤镉含量的十倍甚至更高。然而，伴矿景天在北方土壤中种植时，7月前后易出现腐烂死苗现象，此时如不及时收获将会导致修复失败，由于植物是在形成种子前死亡的，因此不能获得种子进行繁殖；由于地上部腐烂，也不能利用扦插的方法进行繁殖。

鬼针草对污染土壤中的镉也具有一定的富集能力，污染土壤中生长的鬼针草地上部镉含量可达到土壤镉含量（均为干重含量）的4倍左右。虽然鬼针草对土壤镉的吸收能力不如伴矿景天，但鬼针草可在北方镉污染土壤中正常生长，形成种子，从而进行第二季种植。因此，与伴矿景天相比，鬼针草更适合用于北方镉污染土壤的修复。

油菜是中国的主要农作物之一，在我国北方普遍种植。研究发现，油菜对污染土壤中镉的吸收能力虽低于鬼针草，但在镉污染土壤中种植油菜时，镉主要富集于油菜根部，其次是茎和角果皮，油菜种子中的镉含量最低。进一步研究表明，从油菜籽中提取的菜籽油镉含量远低于油菜籽中的镉含量。按人们日常摄入量不存在消费风险，可放心食用。

由于重金属污染土壤的修复费用较高，因此，设法降低污染土壤修复成本或者增加修复期间土地收益对于污染土壤的修复具有重要意义。

目前有采用油菜和油葵轮作、油菜和花生轮作进行重金属污染土壤修复的报道。由于镉污染土壤的镉含量一般在1-5 mg/kg之间，因此，在镉污染土壤中种植花生或向日葵，籽粒中的镉含量有可能会达到0.5 mg/kg以上，而0.5 mg/kg是国家标准《食品中污染物限量》（GB2762-2012)中对花生的镉限量值。花生和向日葵虽然可作为油料作物用于生产食用油，但也可以直接食用，当花生和向日葵种子直接食用时，其中较高的镉含量会具有很大的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法，该方法非常适合我国北方地区对镉污染土壤的修复处理，并对农民有一定的经济收入。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法，包括在镉污染土壤中依次种植鬼针草和油菜，所述鬼针草和油菜的轮作种植方法为：

第一步，于当年6月初在镉污染土壤中种植鬼针草，并与9月底将鬼针草收获；

第二步，于当年10月初在收获鬼针草的土壤中种植油菜，并与第二年5月底将油菜收获；

第三步，于第二年6月初继续在收获油菜后的土壤中种植鬼针草，如此循环种植这两种作物，形成鬼针草和油菜轮作的种植体系。

本发明的优点在于利用鬼针草和油菜的轮作种植，可持续对镉污染土壤进行修复，由于两种植物均能对土壤中的镉有一定的吸收和富集能力，鬼针草和油菜的地上部用来吸收土壤中镉，同时收获的油菜籽还可用于榨取食用菜籽油，既能达到降低土壤中镉含量的目的，又增加了土地收益，给农民带来一定的经济收入，一举两得。与现有的将花生或向日葵作为修复植物相比，采用鬼针草作为修复植物，不仅对土壤中镉的去除能力强，也不存在植物中吸收的重金属进入食物链的风险。同时修复过程中对土壤性质无不良影响，且修复方法简单、易掌握，因此非常适合我国北方不适合种植伴矿景天植物的镉污染土壤的修复。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明所述的轮作种植方法做更加详细的论述。

选择河南省济源市郊因铅冶炼形成的某镉污染土壤区域作为项目区域。项目区土地面积为400 m²（宽10 m，长40 m）。试验从2015年6月开始，测定表明，项目区0~20 cm土壤中全镉平均含量为2.60 mg/kg。

1、将项目区分为4个小区，小区长和宽均为10 m，即每个小区的面积为100 m²。

2、2015年6月3日种植鬼针草。在每个小区内，按间隔20 cm开沟，沟的深度约为5cm，根据墒情在沟内适当灌水，之后将鬼针草种子均匀地撒入沟中，覆土并压实。种子平均用量为1.20 g/m²。在鬼针草生长早期及时人工除去杂草，以促进鬼针草幼苗的生长。期间根据土壤墒情适时灌水，一般每25~35天灌水一次。2015年9月28-30日收获鬼针草。收获时，在每个小区内选择3个有代表性区域采样，每个区域长为2m、宽为2 m。收获时用镰刀将采样区域鬼针草贴近地面割下，称重，之后运到晾晒场晾晒。同时，分别从以上样品中每个取出1份样品，重量约1 kg，依次用自来水和蒸馏水洗涤干净后称重，之后烘干，称重，粉碎，测定鬼针草全镉含量，同时根据两次重量计算含水量。根据鬼针草鲜重产量和含水量计算各小区鬼针草干重产量，并计算鬼针草对土壤镉的吸收量。

3、在项目区撒施尿素、普通过磷酸钙和硫酸钾，尿素和普通过磷酸钙用量均为20kg，硫酸钾用量为4 kg。之后对项目区土地利用拖拉机进行翻耕，重新划分为4个小区（小区长和宽均为10 m），小区分界仍同上次。于2015年10月2日在项目区种植油菜（品种为新早821），种子用量为400 g/（667 m²）。种植方法为开沟条播，沟深度约5 cm，行距为60 cm。2016年3月和4月各灌溉一次。2016年5月27日收获油菜。收获时，在每个小区内选择3个有代表性区域采样，每个区域长为2 m、宽为2 m。收获时用镰刀将采样区域油菜小心地贴近地面割下，手工将油菜荚剥开，收集油菜种子。从每份油菜秸秆中取约1 kg作为样品。分别将植株和油菜籽称重，之后将植株和油菜籽洗净，烘干，称重。将以上样品粉碎后混合均匀，测定植物体和油菜镉含量。根据以上数据计算油菜秸秆和油菜籽产量、油菜秸秆的重金属吸收量。

4、在项目区撒施尿素、普通过磷酸钙和硫酸钾，尿素和普通过磷酸钙用量均为20kg，硫酸钾用量为4 kg。之后对项目区土地进行翻耕，划分小区，重新种植鬼针草。

5、测定结果

（1）鬼针草产量和重金属含量

4个小区鬼针草产量（干重）分别为0.993×10⁴、1.16×10⁴ 、1.10×10⁴ 和1.02×10⁴kg/hm²，平均值为1.07×10⁴ kg/hm²，标准差为0.0750×10⁴。4个小区鬼针草地上部镉含量分别为10.2、9.99、9.61、9.98 mg/kg，平均值为9.95 mg/kg，标准差为0.251。鬼针草地上部镉吸收量分别为102、116、106和102 g/hm²，平均值为106 g/hm²，标准差为6.59。

4个小区的油菜地上部（不含籽粒）产量分别为1.75×10⁴、1.84×10⁴、1.83×10⁴和1.98×10⁴ kg/hm²，平均值为1.85×10⁴ kg/hm²，标准差为0.0968×10⁴。4个小区油菜地上部镉含量分别为2.16、2.04、2.24和2.02 mg/kg，平均值为2.11 mg/kg，标准差为0.104。油菜地上部镉吸收量分别为37.7、37.6、41.3和40.0 g/hm²，平均值为39.1 g/hm²，标准差为1.82。

因此，以上4个小区在种植1季鬼针草和1季油菜后，植物体从土壤中带走的镉总量平均为145.1 g/hm²。假设植物吸收的镉全部来自0-20 cm、且土壤容重为1300 kg/m³，则1hm²面积、厚度为20 cm的土壤中镉含量为6760 g，种植以上两种植物各1季后，植物吸收的镉占土壤镉的比例为2.15%。

4个小区油菜籽粒的平均产量（干重）分别为0.476×10⁴、0.553×10⁴、0.518×10⁴和0.464×10⁴ kg/hm²，平均值为0.503×10⁴ kg/hm²，标准差为0.0408×10⁴。油菜籽中镉含量的变化范围为0.213-0.259 mg/kg，平均值为0.233 mg/kg，标准差为0.0461。

因此，通过以上一年的修复，可以降低土壤0-20 cm土层镉2.15%，同时生产出产量为0.503×10⁴ kg/hm²、籽粒镉含量为0.233 mg/kg的油菜籽，取得一定的经济收入。

Claims (1)

1.一种利用两种作物轮作修复镉污染土壤的方法，包括在镉污染土壤中依次种植鬼针草和油菜，其特征在于：所述鬼针草和油菜的轮作种植方法为：

第一步，于当年6月初在镉污染土壤中种植鬼针草，并与9月底将鬼针草收获；

第二步，于当年10月初在收获鬼针草的土壤中种植油菜，并与第二年5月底将油菜收获；

第三步，于第二年6月初继续在收获油菜后的土壤中种植鬼针草，如此循环种植这两种作物，形成鬼针草和油菜轮作的种植体系。