CN108015104B - 促进苎麻修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，属于作物栽培和农业环境保育与修复技术领域，具体涉及一种修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法。近年来，植物修复技术逐渐成为公众和科技界关注的热点。然而重金属超富集植物的生物量一般较小，且经济价值不大，生态恢复和生产持续的矛盾难以调和。本发明提供了一种修复重金属镉污染土壤苎麻种植的新方法，该方法可利用大面积推广苎麻品种，在保持苎麻生产量达到较高水平的同时，实现短期内修复重金属镉污染土壤的效果。

Description

促进苎麻修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明属于作物栽培和农业环境保育与修复技术领域，具体涉及一种修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法。

背景技术

重金属治理是现代农业的全局性课题。农田镉(Cd)污染问题尤为突出。据报道，全世界每年有9.5-45万t的Cd被排放到土壤中。过量的Cd污染不仅使农作物的产量和品质降低，而且通过食物链的传递影响人和动物健康，导致癌变或畸形。土壤重金属污染的传统修复方法通常采用物理、化学技术，如物理分离法、化学钝化等。其原理主要是通过减少土壤表层污染物的浓度，或者增强土壤重金属的稳定性，进而降低其扩散性和生物有效性，减轻其对作物的危害及作物对其的吸收、转运量，从而维持农田的持续利用和作物的安全生产。

这些传统方法具有治理效果好、历时短的优点，但成本高、难于管理、二次污染、环境扰动大等缺陷，严重限制了其在经济相对落后区域的发展。近年来，植物修复技术逐渐成为公众和科技界关注的热点。然而重金属超富集植物的生物量一般较小，且经济价值不大，生态恢复和生产持续的矛盾难以调和。因此，人们将目光逐渐向不进入食物链的、具有较高重金属吸收和忍耐能力的经济作物转移。

大量研究表明，传统纤维作物苎麻被认为具有较强的忍耐Cd的能力，在重金属污染土壤中种植苎麻可获得较高的经济效益，成为重金属污染耕地农业结构调整中的先锋替代作物。但本团队研究发现，苎麻吸收重金属镉后，主要积累的根部，而较少转运到茎叶。苎麻是多年生宿根植物，一次种植一般收获10年以上，甚至长达20年。因此利用苎麻修复土壤重金属污染所需要的年限一般很长，且由于选用材料、生态区域不同等各类因素，修复年限具有显著差异，如揭雨成等研究认为需要23年以上，而黄道友等通过模拟研究认为久达360年。有文献中提到部分野生苎麻资源地上部镉累积量达到131.54mg/kg，基本达到重金属超富集植物的指标要求，但是其产量、纤维品质等又难以达到生产的要求。

究其关键原因：一是镉元素在土壤中存在的形态不同，包括交换态、络合态和酸溶态，农艺作业中施用有机肥、石灰等措施以及降水、灌溉等的影响而变化，生物有效性不高；二是当重金属被大量吸收时，将迅速影响根系，导致根系活力下降，植物生长缓慢，生物量达不到显著迁出重金属的水平，甚至导致新栽麻苗猝死等后果；三是苎麻种植一般采用单一品种大面积种植，在土壤剖面上的分布不均匀且量，因而对重金属的吸收不充分。

因此，要实现种植苎麻快速修复耕地，又要同时保障生产，针对上述问题，本发明提供了一种修复重金属镉污染土壤苎麻种植的新方法，该方法可利用大面积推广苎麻品种，在保持苎麻生产量达到较高水平的同时，实现短期内修复重金属镉污染土壤的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种重金属镉污染土壤上种植苎麻的方法。利用该方法在镉污染严重地区种植苎麻，从第二年的三麻开始，原麻产量与同期清洁土壤新植麻园基本一致，其韧皮纤维的重金属含量可控制在纺织原料相关标准范围内，而茎秆和叶片的重金属镉积累量显著高于常规种植方式。该方法技术简便、方法易行，实现土壤重金属镉污染的高效快速修复和苎麻的高产高效栽培。

本发明提供的苎麻种植方法如下：

1.土壤重金属活化：本发明采用的土壤重金属活化措施在建苎麻园前分三步。第一步通过给土壤施入石灰、硫磺粉、硫酸亚铁或石膏，将土壤pH调节至5.5-6.5,其中强酸性土壤施入石灰，中性或石灰性土壤施入硫酸亚铁或硫磺粉，碱性土壤施入石膏。第二步在农田撒施土壤重金属镉活化剂，即每平方米麻园施入55-70g EDTA，4.5-6.5g草酸和20-50g柠檬酸的混合物，可与草木灰、干燥土壤混匀撒施。第三步为耕作，通过至少2次翻耕和1次旋耕，翻耕深度为30cm。建园后，每年头麻收获后根据当季麻园土壤状况，将pH调节至5.5-6.5，并在中耕时再次施入等量土壤重金属镉活化剂。

利用石灰、硫磺粉、硫酸亚铁或石膏调节土壤pH为常规方法，本发明要求的土壤pH范围为5.5-6.5，这是保障土壤重金属活化剂活化效率和产量的较适宜范围。当土壤pH低于5.0时，苎麻产量迅速下降，修复效果降低，当pH偏碱性时，将与活化剂中的有机酸反应而降低其活化效率。本发明提供的土壤重金属活化剂主要为三种物质的复配剂，其中草酸和柠檬酸促进土壤中的镉向苎麻根系中吸收，EDTA能有效促进苎麻根系中的镉向地上部转运，三者以本发明提供的量混合后，在土壤pH为5.5-6.5的情况下，具有明显的土壤镉活化作用，高于各物质单施效果之和，且能保持作物较高的产量。草木灰和干燥土壤起到分散活化剂，便于均匀撒施的作用，同时草木灰中的钾元素可促进苎麻茎秆生长，加强对镉的吸收。

2.苎麻材料准备：扦插苗处理。本发明采用的苎麻种苗为土培或水培育成的嫩梢扦插苗。以带有初生的萝卜根的健壮扦插苗为最佳。其育苗场土壤应为清洁土壤。扦插苗处理程序包括消毒、根部处理、静置。消毒为将育苗场中取出的扦插苗用清水清洗后，用10mMCaCl₂溶液浸泡15-30s，再用500倍的多菌灵溶液浸泡1-3min。根部处理方法为采用喷雾器喷洒根液，根液为15-20g/L淀粉、10-15g/L碳酸氢钠、35-45mg/L壳寡糖(脱乙酰度90％以上，分子量3000及以下)、生长调节物质(50-100mg/L的ABT生根粉溶液，或23-30mg/kg萘乙酸与200-300mg/kg吲哚乙酸的复配溶液)、硝酸钾3.0-5.0mmol/L，磷酸二氢铵0.5-0.8mmol/L的水溶液。其中淀粉需预先用70℃以上的热水糊化。喷洒量以根系均匀附着根液，且基本覆盖全部根系，静置时间为5-10min后再次喷洒根液，如此往复2-3次。避免强光直射、高温，宜放置在阴凉干爽的地段。

淀粉的作用一是起黏合作用，防止喷施的根液在运输过程中流失；二是淀粉胶体通过均匀附着在根系表层，在根际形成一个很薄的保护层，在较长时期内使得麻苗根系处于一个由碳酸氢钠形成的弱碱性环境中，避免酸化的重金属镉污染土壤对麻苗根系的损害，保障其成活率，并通过生长调节物质和营养物质的作用迅速产生新生根系，加强麻苗生长活力。为了增强淀粉的黏着作用，需预先进行糊化，方法是加入到少量70℃以上的热水中搅拌均匀，并放置至室温后在进行根液调制。壳寡糖的作用一是促进作物生长，二是促进新根系生发和老根系表层细胞活力，保持根系具有较高的通透性，从而获得对重金属镉的更高吸收和转运能力。

3.苎麻种植与管理：选取不同根型苎麻品种，深根型和浅(中)根型品种种苗比例为10:7-8。推荐的深根型苎麻品种有中苎1号、中苎2号、川苎1号、湘苎5号、黄壳早、圆叶青、黑皮蔸等，浅(中)根型苎麻品种有芦竹青、稀节巴、白脚麻、华苎1号、华苎4号、湘杂苎1号，其中优选的品种组合为中苎2号和稀节巴、川苎1号和华苎4号。苎麻建园基本要求与常规方式相同，种植密度为当地清洁土壤推荐种植密度上调10％-20％，一般为3000-3500蔸。采用两个不同根型苎麻品种相间、大小行栽植的方式，其中大行距为50-60cm，小行距为30-40cm，株距根据种植密度相应调节。中耕、追肥等土壤作业均在大行间完成。头麻至三麻期间不施有机肥，仅施化肥，肥料选择不含钙或尽量少含钙的氮磷钾肥，施肥量为当地推荐施肥量的中等偏上水平。旺长期叶面喷施1％-5％8-羟基喹啉硫酸盐、0.005％-0.01％α-萘乙酸、1％-1.5％尿素、0.1％-0.3％磷酸二氢钾、40-50mg/L壳寡糖、4％赤霉素乳油4000倍液。冬培时亩施草木灰30-40kg，化肥与常规生产相同，深松土，并覆盖地膜。

由深根型和浅(中)根型苎麻品种间作，可有效促进苎麻根系在土壤剖面上的均匀分布，加强苎麻对土壤，尤其是耕层土壤重金属镉的全面吸收和迁移。8-羟基喹啉硫酸盐是一种具有极强吸湿性的金属螯合剂。该物质在本发明主要起到两种作用，一是加强苎麻叶片的保湿性能，防止在收获期大量脱落降低重金属迁移率；二是苎麻叶片吸收后增强了对重金属的螯合能力。尿素、磷酸二氢钾的主要作用是增强苎麻营养供给，促进生长，避免苎麻生长后期活力下降导致根系受损影响下季产量。赤霉素主要是增强抗性，缓解后期高温天气造成的干旱、落叶等问题。壳寡糖和萘乙酸复配可促进新根系生长，保持苎麻根系对重金属镉的吸收能力，提高转运率。叶面肥的另外一个作用是显著促进苎麻嫩茎叶的生长，促进镉向嫩茎叶中转移，降低其在韧皮中的累积浓度，保障原麻产出符合相关纺织原料的安全标准。

附图说明

图1是不同种植模式重金属镉污染耕地前4年苎麻原麻产量比较

图2是不同终止模式重金属镉污染耕地第4年苎麻株高比较

图3是本发明模式下不同品种苎麻对镉的积累及分布特征

具体实施方式

本发明所用的所有苎麻品种，为生产中大面积种植的品种，均可以在主产麻区或市场购得。所需要的石灰、石膏、硫酸亚铁、柠檬酸、8-羟基喹啉硫酸盐、壳寡糖、萘乙酸、化肥、草木灰等物资均可以从市场购得。购买物资的品牌不限，应根据本发明提供的纯物质的量及比例折合计算出适宜的用量。本发明所提供的根液、消毒液等，其溶剂为常温的、没有污染的自来水、河水、井水等。以下所述仅为本发明的较佳实施案例，对本发明并不构成限制。

本实施案例中，在湖南省长沙市浏阳市镉污染耕地中进行，土壤镉浓度为2.85mg/kg，超过国家《土壤环境质量标准(GB15618-1995)》规定的农用地允许限制(<0.30mg/kg)9.5倍。对该区域耕地土壤种植苎麻进行土壤修复的方法，其步骤是：

1.土壤重金属活化

A.在准备建苎麻园的耕地上采用多点取样法，如S形取样法等，取0-30cm土壤，混合均匀后测定土壤pH和土壤镉含量。测定土壤pH可采用土壤与水1:1悬浮液法。土壤镉的测定可采用原子荧光光谱法。在湖南省长沙市浏阳市镉污染耕地采用五点取样法取得0-30cm耕层土壤后均匀混合，晾干后测定土壤pH为7.85，偏碱性。土壤镉含量为2.85mg/kg，污染严重。

B.在建园的前一年冬季，或栽麻前3个月从市场上购得硫酸亚铁和果树级硫磺粉，按照等量混合后，每平方米撒施150g。之后翻耕和旋耕各作业1次，翻耕深度为30cm，旋耕深度为12cm。一个月后再次采集土壤样品，测的土壤pH为5.7，处于本发明要求的适宜范围内。

C.在建园前1个月，从市场购得草酸、柠檬酸、EDTA、草木灰，按照每平方米耕地5g、30g、60g和2kg的量混匀，并拌入2kg干燥土壤，混匀，撒施到农田表明。再次翻耕和旋耕1次，深度同上。

2.苎麻材料准备

A.从市场上购得中苎1号和稀节巴种苗，种苗量为每亩3200株，其中中苎1号1800株/亩，稀节巴1400株/亩。单株种苗均达到200g，有刚长出的小萝卜根，种苗为前一年春季扦插成活，长势健壮。

B.购买氯化钙、多菌灵、碳酸氢钠、壳寡糖、ABT生根粉、硝酸钾、磷酸二氢钾、木薯淀粉等物资。用自来水配制10mM CaCl₂溶液，500倍的多菌灵溶液和根液。将木薯淀粉缓缓倒入开水中搅拌，直至呈均匀的糊状，静置至50℃以下。取适量碳酸氢钠、壳寡糖、ABT生根粉、硝酸钾、磷酸二氢铵，与淀粉糊一并倒入桶中，加入清水搅拌，配置为各物质浓度分别为15-20g/L淀粉、12g/L碳酸氢钠、35-45mg/L壳寡糖、50mg/L的ABT生根粉溶液、硝酸钾4.0mmol/L，磷酸二氢铵0.6mmol/L的根液。

C.将苎麻苗转移到阴凉干燥的地方，用手持式喷雾器将根液均匀喷洒在苎麻苗的根部，静置5分钟后再次喷洒，如此往复3次，可见根部均匀覆盖一层白色物质。

3.苎麻种植与管理

A.按照常规方式，在麻园开厢开沟，每20m加开一条横沟。按照大行距为50cm，小行距为30cm，中苎1号1800株/亩，稀节巴1400株/亩进行栽植。两个品种的行数相同并相间，稀节巴需适当增大株距，相邻两行的两个品种株数比例为9:7。移栽后马上浇足定根水。

B.按照常规方法中耕、追肥等作业，但仅施化肥，肥料选择不含钙或尽量少含钙的氮磷钾肥，如尿素等，施肥量控制在N～5kg、P₂O₅0～5kg、K₂O～4kg。病虫草害防控、破秆、灌溉等作业均与常规方式相同，依据田间表现确定。

C.至头麻、二麻、三麻旺长期，叶面喷施3％8-羟基喹啉硫酸盐、0.005％％α-萘乙酸、1％％尿素、0.1％％磷酸二氢钾、50mg/L壳寡糖、4％赤霉素乳油4000倍液。

D.冬培时亩施草木灰30-40kg，化肥与常规生产相同，深松土，并覆盖地膜。

E.第二年头麻收货后采集0-30cm土壤样品，测定土壤pH，再次利用前文所述的方法进行土壤pH调节，并在中耕松土是施入等量土壤重金属活化剂。

种植至第4年时，土壤镉含量降低至1.27mg/kg，降低幅度达到55.4％。前4年苎麻产量如下，本发明所获得的原麻产量接近常规种植模式的一倍。

Claims (6)

1.一种修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，其特征在于，所述种植方法的具体步骤如下：

S1.土壤重金属活化

建苎麻园前：将土壤pH值调节至5.5-6.5，向土壤中撒施土壤重金属镉活化剂，然后进行耕作；建苎麻园后：每年头麻收获后，将pH调节至5.5-6.5，并在中耕时再次施入与建园前等量土壤重金属镉活化剂；所述重金属镉活化剂为EDTA，草酸和柠檬酸的混合物；

S2.苎麻材料准备

苎麻扦插苗处理，所述扦插苗为土培或水培育成的带有初生萝卜根的嫩梢扦插苗，扦插苗的处理方式为包括：消毒、根部处理、静置；

根部处理的具体方法是：采用喷雾器喷洒根液，所述根液成分为15-20g/L淀粉糊化液、10-15g/L碳酸氢钠、35-45mg/L壳寡糖、生长调节物质、硝酸钾3.0-5.0mmol/L，磷酸二氢铵0.5-0.8mmol/L，其中壳寡糖的脱乙酰度90％以上，分子量3000及以下；

S3.苎麻种植与管理

选取不同根型苎麻品种混合种植，深根型和浅/中根型品种种苗比例为10:7-8，头麻至三麻期间不施有机肥，仅施化肥，旺长期叶面喷施1％-5％8-羟基喹啉硫酸盐、0.005％-0.01％α-萘乙酸、1％-1.5％尿素、0.1％-0.3％磷酸二氢钾、40-50mg/L壳寡糖、4％赤霉素乳油4000倍液。

2.根据权利要求1所述的修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，特征在于，重金属镉活化剂由110-140份EDTA，9-13份草酸和40-100份柠檬酸组成。

3.根据权利要求2所述的修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，特征在于，扦插苗消毒方法是：扦插苗用清水清洗后，用10mM CaCl₂溶液浸泡15-30s，再用500倍的多菌灵溶液浸泡1-3min。

4.根据权利要求3所述的修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，特征在于，所述生长调节物质为50-100mg/L的ABT生根粉溶液，或者23-30mg/kg萘乙酸与200-300mg/kg吲哚乙酸的复配溶液。

5.根据权利要求4所述的修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，特征在于，深根型苎麻品种是指中苎1号、中苎2号、川苎1号、湘苎5号、黄壳早、圆叶青、黑皮蔸，浅/中根型苎麻品种是指芦竹青、稀节巴、白脚麻、华苎1号、华苎4号、湘杂苎1号。

6.权利要求5所述的修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，特征在于，优选的品种组合为中苎2号套种稀节巴，或川苎1号套种华苎4号。

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