CN107790491B - 一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，包括：（1）在被镉污染的农田土壤中，将玉米幼苗与东南景天幼苗采取间作的方式种植，追施促进东南景天和玉米生长的氮磷钾复合肥和有机肥；（2）追施肥料后的一周内，对东南景天根部喷洒油菜根提取液，定期收割东南景天，玉米成熟后收割玉米；油菜根提取液的制备步骤为：a.将新鲜油菜根捣烂，浸泡在水中加热煮沸1h以上，然后将浸泡液冷却至常温静置24h以上；b.静置完成后固液分离，取液相即为油菜根提取液。本发明实现了将东南景天与玉米间作种植技术，通过在东南景天根部喷洒油菜根提取液，克服了现有技术中东南景天和玉米间作后玉米中Cd含量依然很高，土壤中Cd的植物去除率不高的问题。

Description

一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法

技术领域

本发明属于重金属污染土壤治理技术领域，尤其涉及一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法。

背景技术

农田是人类生态环境的重要组成部分，是经济社会可持续发展的物质基础，也是人类赖以生存的主要自然资源之一，直接关系人民群众的生命健康。20世纪90年代以来，随着工业化、城市化及农业现代化的快速发展，多种来源的有毒重金属以水、气(尘)、渣、肥、药等多形态、多方式、多途径进入农田环境，造成大面积农田遭受重金属污染。Cd在农田中蓄积性强、迁移能力强，能影响深层土壤。Cd通过食物链进入人和动物体内并积累富集，对人体骨骼、肾、肝、免疫系统和生殖系统产生毒害作用，甚至引发“骨痛病”、肾损害、糖尿病、肺气肿以及高血压等病症，严重还可引发癌症等疾病。鉴于农田Cd污染日趋加剧以及Cd对农业和人类造成的巨大威胁，迫切需要根据我省区域农田Cd污染现状和污染特征，开展行之有效的修复和治理。

目前，Cd污染农田修复方法有物理修复法(客土法、电动修复法、电热修复法)、化学修复法(土壤淋洗法、化学固定技术)和生物修复法(植物修复技术、动物修复法和微生物修复法)。物理修复法和化学修复法修复效果较好，但其成本高，易造成二次污染，且不适于大面积Cd污染农田修复。生物修复法中，以超积累植物为主体的植物修复技术已是国内外公认且被广泛应用的绿色修复技术。该技术以其成本低、原位、对土壤扰动性小、不破坏土壤结构、不造成二次污染等优点备受国内外学者的关目，但是植物修复技术治理污染农田花费的时间较长，还需中断农业生产，不符合中国土地资源短缺的基本国情，也不易被农民接受应用于实践。

而间作是我国传统农业的精髓之一，选择适当的重金属超富集植物与植物形成农作物-超富集植物间作修复体系，探寻一种既不中断农业生产，又能高效修复、缩短修复年限的方法，不失为一条Cd污染农田修复的新途径。玉米(Zea mays)是我国重要的粮食作物之一，种植范围广泛、生长周期端且适应能力强，东南景天(Sedum alfredii)是我国南方镉的超富集植物，具有适应能力强和生长周期短等优势，可用于Cd污染土壤的修复治理。采用其他农作物和东南景天间作来修复重金属污染土地的技术也有相关的报道，如中国发明专利CN101116865A采用间作方式种植东南景天和海洲香薷，通过东南景天从土壤中带走大量重金属，达到降低蔬菜中重金属的含量，保障农产品安全，起到了很好的效果。但是试验发现，将东南景天按上述方法直接套用在玉米间作上效果不理想，玉米中Cd含量依然很高，达不到国家标准要求，且Cd的植物去除率不高，修复能力十分有限。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其步骤包括：

(1)春季在被镉污染的农田土壤中，将玉米幼苗与东南景天幼苗采取间作的方式种植，一行玉米一行东南景天，追施促进东南景天和玉米生长的氮磷钾复合肥和有机肥；

(2)追施肥料后的一周内，对东南景天根部喷洒油菜根提取液，定期收割东南景天，玉米成熟后收割玉米；

所述油菜根提取液的制备步骤为：

a.将新鲜油菜根捣烂，浸泡在水中加热煮沸1h以上，然后将浸泡液冷却至室温常温静置24h以上；

b.静置完成后将浸泡液固液分离，取液相即为所述油菜根提取液。

进一步地，所述油菜根提取液中混合山梨酸钾和苹果酸，所述山梨酸钾和苹果酸的浓度分别为0.03～0.1g/mL、0.01～0.05g/mL。

进一步地，所述步骤a中，加水量是油菜根重量的4～10倍，所述加热煮沸在冷凝回流装置中进行。

进一步地，所述油菜根提取液的喷洒量为100～170mL/株。

进一步地，所述油菜根提取液的喷洒量为150～160mL/株。

进一步地，所述玉米与东南景天的间作种植密度株距为15～20cm，行距为20～40cm，采用大棚种植，种植温度控制白天25～28℃，夜间18～20℃，土壤湿度控制在60％～70％。

进一步地，所述定期收割东南景天是指：首次收割东南景天为间作种植4个月，以后每两个月收割一次，收割时地上留茎3cm。

进一步地，追施农家肥量为2000kg/亩，氮磷钾复合肥量为100kg/亩，追肥分两次进行，分别是幼苗移栽后2周和3个月。

从以上技术方案可以看出，本发明的优点是：

1.本发明实现了将东南景天与我国重要的粮食作物玉米间作种植技术，通过在东南景天根部喷洒油菜根提取液，克服了现有技术中东南景天和玉米间作后玉米中Cd含量依然很高，土壤中Cd的植物去除率不高的问题。结合不同的农艺调控措施，一方面利用东南景天对镉的吸收提取，对地上部分进行收割异地处理，降低农田土壤中有效态镉的含量，另一方面通过植物间的间作效应，降低了玉米中镉的吸收和积累量，在不破坏农田生态环境和现有种植功能的前提下，达到中轻度镉污染农田的原位修复，保障玉米的品质安全，同时不影响正常的粮食作物生产和农民创收。该方法投资少，管理技术要求不高，不破坏土壤理化性质，无二次污染，是一种应用范围广、投资少、操作简单的“边生产边修复技术”。

2.山梨酸钾和苹果酸配合油菜根提取液使用，优化了油菜根提取液的功效，促进东南景天对土壤中Cd的吸收，土壤中Cd的植物去除率相比于单纯采用油菜根提取液进一步提高，收获的成熟玉米中Cd含量进一步降低，经济效益和环境效益更好。

具体实施方式

一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其步骤包括：

(1)春季在被镉污染的农田土壤中，将玉米幼苗与东南景天幼苗采取间作的方式种植，一行玉米一行东南景天，追施促进东南景天和玉米生长的氮磷钾复合肥和有机肥；

(2)追施肥料后的一周内，对东南景天根部喷洒油菜根提取液，油菜根提取液的喷洒量为100～170mL/株，定期收割东南景天，玉米成熟后收割玉米；

间作种植前首先制备油菜根提取液，为了便于试验对比和数据分析，下述各实施例和对比例均采用同一批次相同方法制备的油菜根提取液，油菜根提取液的制备步骤为：

a.将新鲜油菜根在冷凝回流器中捣烂，然后向冷凝回流器中加入新鲜油菜根重量(未捣烂前的重量)5倍的去离子水浸泡油菜根碎丁，将浸泡水加热煮沸2h，冷凝回流提取，煮沸完成后浸泡液自然冷却至室温，常温静置24h；

b.静置完成后将浸泡液固液分离，分离后取液相即为所述油菜根提取液。

试验田的制作：

在江西省洎水河流域周边制作试验田，称取CdSO₄均匀混入干燥过筛的洎水河流域周边土壤，使土壤镉含量达到1mg/kg，放置一个月使镉均匀分布，期间每周整体翻动土壤一遍；修xx个长5米、宽5米、深0.5米的方形池子，在每个池子底层放置塑料布，在塑料布上布置处理好的镉污染土壤，即获得试验所需的试验田。

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细的说明：

实施例1

取上述试验田，试验田中间作种植玉米与东南景天，其步骤包括：

(1)春季在试验田的土壤中，将玉米幼苗与东南景天幼苗采取间作的方式种植，一行玉米一行东南景天，玉米与东南景天的间作种植密度株距为15～20cm，行距为20～40cm，采用大棚种植，种植温度控制白天25～28℃，夜间18～20℃，土壤湿度控制在60％～70％，在幼苗移栽后2周和3个月分别追施两次促进东南景天和玉米生长的氮磷钾复合肥和有机肥，其中每次农家肥量为2000kg/亩，氮磷钾复合肥量为100kg/亩；

(2)追施肥料后的一周内，对东南景天根部喷洒油菜根提取液，油菜根提取液的喷洒量为100mL/株，定期收割东南景天，首次收割东南景天为间作种植4个月，以后每两个月收割一次，收割时地上留茎3cm。玉米成熟后收割玉米。

收集一个玉米生长成熟期间内(即从玉米幼苗的植入到成熟玉米收割的期间内)收割的东南景天(包括玉米种植期间收割的地上部分东南景天和玉米收割完成后连根挖出的整株东南景天)，分别测定本实施例收获的东南景天中Cd的含量、一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

东南景天或玉米粒中Cd含量的测定：将待测的植物样品用清水洗净，去除植物表面的土壤或附着物，然后用去离子水冲洗干净，在105℃的烘箱中杀青30min，在70℃的环境中烘干至重量不在变化为止，烘干后将植物样品切碎磨细。准确地称取0.5g植物样品碎屑于三角锥形瓶中，采用硝酸-高氯酸消解法和火焰原子吸收分光光度法测定植物中Cd的含量。采用王水-高氯酸消解法和火焰原子吸收分光光度法测定土壤中Cd含量。

关于Cd的测定方法本发明不做特别要求，可以在通常测试方式中任意选择。

实施例2～6

取五块上述试验田，每块试验田中均间作种植玉米与东南景天，种植方法和培育方法如实施例1相同，其区别仅在于：各实施例的步骤(2)中油菜根提取液的喷洒量不同，其他步骤和实施例1完全相同。各实施例所采用的油菜根提取液喷洒量如表1所示。

采用与实施例1相同的方法分别测定每组实施例收获的东南景天中Cd的含量、一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

对比例1

取一块上述试验田，试验田中间作种植玉米与东南景天，种植方法和培育方法如实施例1相同，其区别仅在于：步骤(2)中油菜根提取液先添加山梨酸钾和苹果酸，然后再以相同的喷洒量(即100mL/株)将含有山梨酸钾和苹果酸的油菜根提取液喷洒在东南景天根部，油菜根提取液中山梨酸钾和苹果酸的浓度分别为0.06g/mL、0.04g/mL。其他步骤和实施例1完全相同。

采用与实施例1相同的方法分别测定本对比例收获的东南景天中Cd的含量、一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

对比例2

取一块上述试验田，试验田中间作种植玉米与东南景天，种植方法和培育方法如对比例1相同，其区别仅在于：用于喷洒东南景天的油菜根提取液中不包含山梨酸钾，仅仅添加苹果酸使得苹果酸的浓度为0.04g/mL。其他步骤和实施例1完全相同。

采用与实施例1相同的方法分别测定本对比例收获的东南景天中Cd的含量、一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

对比例3

取一块上述试验田，试验田中间作种植玉米与东南景天，种植方法和培育方法如对比例1相同，其区别仅在于：用于喷洒东南景天的油菜根提取液中不包含苹果酸，仅仅添加山梨酸钾使得山梨酸钾的浓度为0.06g/mL。其他步骤和实施例1完全相同。

采用与实施例1相同的方法分别测定本对比例收获的东南景天中Cd的含量、一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

对比例4～6

取三块上述试验田，每块试验田中均间作种植玉米与东南景天，种植方法和培育方法如实施例1相同，其区别仅在于：各对比例的步骤(2)中不包括油菜根提取液的喷洒工艺，即不用油菜根提取液喷洒东南景天根部，而是用与油菜根提取液等量的清水喷洒东南景天，其他步骤和实施例1完全相同。三个对比例的种植方法和培育方法完全相同。

采用与实施例1相同的方法分别测定每组对比例例收获的东南景天中Cd的含量、一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

对比例7

取上述试验田，试验田中单独种植玉米，其种植步骤包括：春季在试验田的土壤中种植玉米幼苗，玉米幼苗的种植密度株距为15～20cm，行距为20～40cm，采用大棚种植，种植温度控制白天25～28℃，夜间18～20℃，土壤湿度控制在60％～70％，在幼苗移栽后2周和3个月分别追施两次氮磷钾复合肥和有机肥，其中每次农家肥量为2000kg/亩，氮磷钾复合肥量为100kg/亩。玉米成熟后收割玉米。

采用与实施例1相同的方法分别测定本对比例一个玉米种植周期后土壤中Cd的含量以及收获的玉米粒中Cd的含量，结果如表2所示。

对比例8

取上述试验田，试验田中单独东南景天，其种植步骤包括：

(1)春季在试验田的土壤中种植东南景天幼苗，东南景天的种植密度株距为15～20cm，行距为20～40cm，采用大棚种植，种植温度控制白天25～28℃，夜间18～20℃，土壤湿度控制在60％～70％，在幼苗移栽后2周和3个月分别追施两次氮磷钾复合肥和有机肥，其中每次农家肥量为2000kg/亩，氮磷钾复合肥量为100kg/亩；

(2)定期收割东南景天，首次收割东南景天为间作种植4个月，以后每两个月收割一次，收割时地上留茎3cm。10月15～18日之间将整株东南景天连根挖出。

收集每次收割和整株挖出后的东南景天相混合，采用与实施例1相同的方法分别测定本对比例收获的东南景天中Cd的含量、种植东南景天后土壤中Cd的含量，结果如表2所示。

表1

实施例组	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
						油菜根提取液喷洒量	130mL/株	150mL/株	160mL/株	180mL/株	200mL/株

表2

由表2可知，采用本发明所述的东南景天和玉米套种方法，在种植技术参数范围内，通过对东南景天施加油菜根提取液后，收获的玉米粒中Cd含量显著低于单独种植玉米收获的玉米粒中Cd含量，而收获的东南景天内Cd含量要显著高于单独种植东南景天时作物中Cd含量。说明本发明所述套种配合油菜根提取液浇灌的种植方式能够使得土壤中Cd向东南景天内富集，而玉米中的Cd含量降低，满足国家标准要求，同时，土壤中Cd的含量从1mg/kg下降到0.52mg/kg，说明本发明所述方法对土壤有明显地修复作用，可用于高含镉土壤的生物修复。

对比实施例1和对比例1～3可知，山梨酸钾和苹果酸协同配合油菜根提取液使用，优化了油菜根提取液的功效，促进东南景天对土壤中Cd的吸收，土壤中Cd的植物去除率相比于单纯采用油菜根提取液进一步提高，收获的成熟玉米粒中Cd含量进一步降低，经济效益和环境效益更好。但是又对比例2和对比例3可以看出，单独采用山梨酸钾或苹果酸时效果不理想，优化性有限。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，步骤包括：

（1） 春季在被镉污染的农田土壤中，将玉米幼苗与东南景天幼苗采取间作的方式种植，一行玉米一行东南景天，追施促进东南景天和玉米生长的氮磷钾复合肥和有机肥；

（2） 追施肥料后的一周内，对东南景天根部喷洒油菜根提取液，定期收割东南景天，玉米成熟后收割玉米；

所述油菜根提取液的制备步骤为：

a. 将新鲜油菜根捣烂，浸泡在水中加热煮沸1h以上，然后将浸泡液冷却至室温常温静置24h以上；

b. 静置完成后将浸泡液固液分离，取液相即为所述油菜根提取液；

其中，所述油菜根提取液中混合山梨酸钾和苹果酸。

2.根据权利要求1所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，所述山梨酸钾和苹果酸的浓度分别为0.03～0.1g/mL、0.01～0.05g/mL。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，所述步骤a中，加水量是油菜根重量的4～10倍，所述加热煮沸在冷凝回流装置中进行。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，所述油菜根提取液的喷洒量为100～170mL/株。

5.根据权利要求4所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，所述油菜根提取液的喷洒量为150～160mL/株。

6.根据权利要求1或2所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，所述玉米与东南景天的间作种植密度株距为15～20cm，行距为20～40cm，采用大棚种植，种植温度控制白天25～28℃，夜间18～20℃，土壤湿度控制在60%～70%。

7.根据权利要求1或2所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，所述定期收割东南景天是指：首次收割东南景天为间作种植4个月，以后每两个月收割一次，收割时地上留茎3cm。

8.根据权利要求1或2所述的一种利用玉米与东南景天间作修复镉污染农田的方法，其特征在于，追施农家肥量为2000 kg/亩，氮磷钾复合肥量为100kg/亩，追肥分两次进行，分别是幼苗移栽后2周和3个月。