CN108901686A - 一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法。在镉污染土壤上均匀间作玉米和超积累植物野生龙葵，玉米种植密度为2株/m2，野生龙葵种植密度为8株/m2；玉米、超积累植物生长过程中采用常规水肥管理。其中镉污染土壤中Cd含量范围为(1.59‑1.92)mg/kg；玉米品种为郑单958。本发明创造所述的方法成本低廉，易于推广，对环境无不良影响，收获的玉米各器官镉浓度显著下降，同时抑制玉米镉的地下部向地上部转运，减少玉米镉吸收效果十分显著，此方法生产的玉米籽粒Cd含量满足现行国家标准《GB2762‑2012食品中污染物限量》。

Description

一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法
技术领域
本发明创造属于重金属污染土壤的植物修复技术和农产品质量安全技术领域，尤其是涉及一种提高镉污染土壤上种植的玉米质量的方法。
背景技术
我国于20世纪70年代中后期才开展有关农田土壤镉污染调查的工作，1980年中国农业环境报告显示，我国农田土壤中镉污染面积为9333hm2，到2003年我国镉污染耕地面积为1.33×104hm2，并有11处污灌区土壤镉含量达到了生产“镉米”的程度。近年来，随着我国工业的发展，由于化肥、农药的大量施用，工业废水和污泥的农业利用，以及重金属大气沉降的日益增加，土壤中镉的含量明显增加，土壤镉污染状况越发严重，目前，我国镉污染土壤的面积已达2×105km2，占总耕地面积的1/6。从近年的有关研究来看，我国各地均存在着不同程度的镉污染问题。目前，我国土壤镉污染涉及11个省市的25个地区。比如，上海蚂蚁浜地区污染土壤镉的平均含量达21.48mg/kg，广州郊区老污灌区土壤镉的含量高达228.0mg/kg。我国农田土壤的镉污染多数是由于进行工业废水污灌造成的。据统计，我国工业每年大约排放300亿～400亿未经处理的污水，引用工业废水污灌农田的面积占污灌总面积的45％，至20世纪90年代初，我国污灌农田中有1.3×104hm2的农田遭受不同程度的镉污染，污染土壤的镉含量为2.5-23.0mg/kg，重污染区表层土壤的镉含量高出底层土壤几十甚至1000多倍。在大田作物中，镉是我国农产品主要的重金属污染物。据报道，我国污灌区生产的大米镉含量严重超标，例如，成都东郊污灌区生产的大米中镉含量高1.65mg/kg，超过WHO/FAO标准约7倍。2000年农业部环境监测系统检测了我国14个省会城市共2110个样品，检测数据显示，蔬菜中镉等重金属含量超标率高达23.5％；南京郊区18个检测点的青菜叶检测表明，镉含量全部超过食品卫生标准，最多超过17倍。潘根兴研究团队于对2007年对全国6个地区(华东、东北、华中、西南、华南和华北)县级以上市场随机采购的91个大米样品检测后，发现约有10％左右的市售大米存在重金属镉含量超标问题。据报道，广西某矿区生产的稻米中镉浓度严重超标，当地居民因长期食用“镉米”已经出现了“骨痛病”的症状，严重威胁当地居民的身体健康。以上研究结果表明，我国土壤受镉污染的程度已相当严重，土壤镉污染造成水稻、蔬菜等农产品的质量下降、产量降低，并且严重威胁到当地居民的身心健康，影响我国农业的可持续发展。
在众多重金属污染土壤修复方式中，植物修复以其原位修复、成本低、不破坏土壤结构、不引起二次污染等优点表现出了广阔的市场前景。但是单独用超积累植物修复污染土壤需要时间长，而采取吸收重金属少或运输到食用部位少的低积累作物与超积累植物共同作用，有可能在修复污染土壤的同时收获符合卫生标准的农产品。而在实际生产中，常存在种植得到的低累计作物因重金属含量超标而不能达到食用卫生标准的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，以解决玉米修复镉污染土壤时玉米中镉含量偏高的问题，同时使得该方法更加易于推广，符合实际农业生产的需求。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，步骤为：在镉污染土壤上，特别是Cd含量范围为(1.59-1.92)mg/kg的镉污染土壤上，将玉米和野生龙葵均匀间作；作为一个实施例，玉米种植密度为2株/m2，野生龙葵种植密度为8株/m2；玉米、野生龙葵生长过程中采用常规水肥管理，待玉米籽粒成熟后，同时收获玉米和野生龙葵。
作为优选，所述玉米品种为郑单958号，直接将玉米种子播种于污染土壤中，待长出3-5片真叶后按2株/m2进行间苗；野生龙葵种子播种后待长出4片真叶后按8株/m2进行间苗；
所述植物玉米、野生龙葵进入成熟期为两种植物种植后90天。
进一步的，所述常规水肥管理为：根据土壤缺水情况间隔浇水，间隔期为1-2天，使土壤含水量保持在田间持水量的70％，玉米、野生龙葵生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与供试土壤所在地管理模式相同。
本发明的工作原理：玉米与超富集植物间作时，由于养分竞争等原因，超富集植物分泌更多的根系分泌物来活化土壤中的养分，而低分子有机酸是根系分泌物的主要成分，有机酸与镉形成螫合物，并降低根系pH，从而提高镉的生物有效性，根际土壤中被活化的Cd2+被吸附到玉米根部细胞表面，扩散进入质外体，使间作玉米根系质外体中镉含量远高于单作玉米根系中的镉含量，但是经转运蛋白跨膜运输进入共质体、导管和木质部的Cd2+与玉米单作相比降低，同时通过根压和蒸腾作用被转送到地上部的Cd2+在间作比单作减少。
在本发明中，选用野生龙葵作为超富集植物。野生龙葵为茄科茄属一年生草本植物，我国大部分省份均有分布，多以野生杂草的形式存在，资源丰富。野生龙葵具有分布广、抗逆性强、易栽培等特点，具有推广应用的可能性和意义。
相对于现有技术，本发明所述的一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，具有以下优势：
(1)本发明所述的玉米-野生龙葵间作技术，超积累植物野生龙葵间作下抑制玉米对镉的吸收转运，玉米各器官镉浓度显著下降，同时抑制玉米镉的地下部向地上部转运，减少玉米镉吸收效果十分显著，此方法生产的玉米籽粒Cd含量满足现行国家标准《GB2762-2012食品中污染物限量》。
(2)本发明所述的玉米-野生龙葵间作技术，成本低廉，对环境无不良影响，同时玉米和野生龙葵并没有任何镉胁迫下的中毒现象，不影响玉米、野生龙葵的正常生长。同时使得玉米Cd含量显著性降低，提高Cd污染土壤修复效率，从而达到边生产边修复的作用，更加易于生产推广。相比于玉米-野生龙葵混作，采用间作的这两种作物生育期比较一致，便于田间同意种植、管理和机械化作业。
附图说明
图1为不同镉污染土壤下玉米-野生龙葵间作与玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作各方法种植收获的玉米根的Cd含量的对比图；
图2为不同镉污染土壤下玉米-野生龙葵间作与玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作各方法种植收获的玉米茎的Cd含量的对比图；
图3为不同镉污染土壤下玉米-野生龙葵间作与玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作各方法种植收获的玉米叶的Cd含量的对比图；
图4为不同镉污染土壤下玉米-野生龙葵间作与玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作各方法种植收获的玉米籽粒的Cd含量的对比图；
图5为不同镉污染土壤下玉米-野生龙葵间作与玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作各方法种植收获后土壤中Cd含量的对比图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明创造。
实施例1
选取河南省北部某市重金属污染棕壤砂土、黏土进行盆栽试验。该污染地区属温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，全年日照时数约2400h，年平均降雨量656.3mm。土壤的Cd浓度为1.59mg/kg，具体理化性质见表1。
表1土壤基本理化性质
选用华北地区主推玉米品种郑单958，是河南省农科院粮作所用郑58/昌7-2(选)杂交选育的一代杂玉米新品种，全生育期约为103天，是我国目前种植面积最大的玉米品种。
试验设置4个处理，分别为玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作、玉米-野生龙葵间作，每个处理重复3次，共计12个。其中，玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作均作为对照试验。
每盆移栽玉米1株，移栽野生龙葵4株。植株统一在20-30℃温室条件下培养，生长期间每1-2天进行浇水，保持在田间持水量的70％左右。尿素后期分两次追加，分别在玉米拔节期和大喇叭口期施加，两次的施加量均为0.05g N/kg。玉米、野生龙葵两种植物生长期一致，生长期满收获两种植物的地上、地下部分。
试验于2017年6月在中国农业科学院进行，采用盆栽实验。6月初将玉米种子和野生龙葵种子同时种下，根据土壤缺水情况，定期浇自来水，使土壤含水量保持在田间持水量的70％；玉米、野生龙葵生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地正常生产一致。9月中旬收获成熟的玉米和野生龙葵。
分别对玉米和野生龙葵收获后，玉米各器官及土壤中的Cd含量进行采样监测。
土样采集：采用S形采样法，在每个处理采集5点土样，混匀后作为盆栽土样，风干、研磨后过0.25mm孔径筛，备用。
玉米各器官采集：将玉米分成根、茎、叶、籽粒4部分，在烘箱中105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，分别磨碎、过0.25mm孔径筛备用。
检测结果如表2所示。土壤Cd浓度为1.59mg/kg时，玉米单作时玉米籽粒Cd含量为0.08mg/kg。与野生龙葵间作下玉米籽粒Cd含量下降了75.0％，玉米籽粒中Cd含量显著降低。
与对照试验相比，玉米-野生龙葵间作下玉米地上部分镉含量显著降低，茎部镉含量下降61.9％，叶片镉含量下降48.6％；野生龙葵间作会抑制玉米镉的地下部向地上部的转运，使得玉米籽粒镉含量降低至国家标准最大限量值以下。
表2玉米及土壤中Cd含量的对照
实施例2
选取河南省北部某市重金属污染棕壤砂土、黏土进行盆栽试验。该污染地区属温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，全年日照时数约2400h，年平均降雨量656.3mm。土壤的Cd浓度为1.71mg/kg，具体理化性质见表3。
表3土壤基本理化性质
选用华北地区主推玉米品种郑单958，是河南省农科院粮作所用郑58/昌7-2(选)杂交选育的一代杂玉米新品种，全生育期约为103天，是我国目前种植面积最大的玉米品种。
试验设置4个处理，分别为玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作、玉米-野生龙葵间作，每个处理重复3次，共计12个。其中，玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作均作为对照试验。
每盆移栽玉米1株，移栽野生龙葵4株。植株统一在20-30℃温室条件下培养，生长期间每1-2天进行浇水，保持在田间持水量的70％左右。尿素后期分两次追加，分别在玉米拔节期和大喇叭口期施加，两次的施加量均为0.05g N/kg。玉米、野生龙葵两种植物生长期一致，生长期满收获两种植物的地上、地下部分。
试验于2017年6月在中国农业科学院进行，采用盆栽实验。6月初将玉米种子和野生龙葵种子同时种下，根据土壤缺水情况，定期浇自来水，使土壤含水量保持在田间持水量的70％；玉米、野生龙葵生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地正常生产一致。9月中旬收获成熟的玉米和野生龙葵。
分别对玉米和野生龙葵收获后，玉米各器官及土壤中的Cd含量进行采样监测。
土样采集：采用S形采样法，在每个处理采集5点土样，混匀后作为盆栽土样，风干、研磨后过0.25mm孔径筛，备用。
玉米各器官采集：将玉米分成根、茎、叶、籽粒4部分，在烘箱中105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，分别磨碎、过0.25mm孔径筛备用。
检测结果如表4所示。土壤Cd浓度为1.71mg/kg时，玉米单作时玉米籽粒Cd含量为0.09mg/kg。与野生龙葵间作下玉米籽粒Cd含量下降了77.8％，玉米籽粒中Cd含量显著降低。
与对照试验相比，玉米-野生龙葵间作下玉米地上部分镉含量显著降低，茎部镉含量下降61.3％，叶片镉含量下降50.0％。
表4玉米及土壤中Cd含量的对照
实施例3
选取河南省北部某市重金属污染棕壤砂土、黏土进行盆栽试验。该污染地区属温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，全年日照时数约2400h，年平均降雨量656.3mm。土壤的Cd浓度为1.83mg/kg，具体理化性质见表5。
表5土壤基本理化性质
选用华北地区主推玉米品种郑单958，是河南省农科院粮作所用郑58/昌7-2(选)杂交选育的一代杂玉米新品种，全生育期约为103天，是我国目前种植面积最大的玉米品种。
试验设置4个处理，分别为玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作、玉米-野生龙葵间作，每个处理重复3次，共计12个。其中，玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作均作为对照试验。
每盆移栽玉米1株，移栽野生龙葵4株。植株统一在20-30℃温室条件下培养，生长期间每1-2天进行浇水，保持在田间持水量的70％左右。尿素后期分两次追加，分别在玉米拔节期和大喇叭口期施加，两次的施加量均为0.05g N/kg。玉米、野生龙葵两种植物生长期一致，生长期满收获两种植物的地上、地下部分。
试验于2017年6月在中国农业科学院进行，采用盆栽实验。6月初将玉米种子和野生龙葵种子同时种下，根据土壤缺水情况，定期浇自来水，使土壤含水量保持在田间持水量的70％；玉米、野生龙葵生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地正常生产一致。9月中旬收获成熟的玉米和野生龙葵。
分别对玉米和野生龙葵收获后，玉米各器官及土壤中的Cd含量进行采样监测。
土样采集：采用S形采样法，在每个处理采集5点土样，混匀后作为盆栽土样，风干、研磨后过0.25mm孔径筛，备用。
玉米各器官采集：将玉米分成根、茎、叶、籽粒4部分，在烘箱中105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，分别磨碎、过0.25mm孔径筛备用。
检测结果如表6所示。土壤Cd浓度为1.83mg/kg时，玉米单作时玉米籽粒Cd含量为0.10mg/kg。与野生龙葵间作下玉米籽粒Cd含量下降了80.6％，玉米籽粒中Cd含量显著降低。
与对照试验相比，玉米-野生龙葵间作下玉米地上部分镉含量显著降低，茎部镉含量下降60.7％，叶片镉含量下降51.9％。
表6玉米及土壤中Cd含量的对照
实施例4
选取河南省北部某市重金属污染棕壤砂土、黏土进行盆栽试验。该污染地区属温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，全年日照时数约2400h，年平均降雨量656.3mm。土壤的Cd浓度为1.92mg/kg，具体理化性质见表7。
表7土壤基本理化性质
选用华北地区主推玉米品种郑单958，是河南省农科院粮作所用郑58/昌7-2(选)杂交选育的一代杂玉米新品种，全生育期约为103天，是我国目前种植面积最大的玉米品种。
试验设置4个处理，分别为玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作、玉米-野生龙葵间作，每个处理重复3次，共计12个。其中，玉米单作、玉米-苋菜间作、玉米-黑麦草间作均作为对照试验。
每盆移栽玉米1株，移栽野生龙葵4株。植株统一在20-30℃温室条件下培养，生长期间每1-2天进行浇水，保持在田间持水量的70％左右。尿素后期分两次追加，分别在玉米拔节期和大喇叭口期施加，两次的施加量均为0.05g N/kg。玉米、野生龙葵两种植物生长期一致，生长期满收获两种植物的地上、地下部分。
试验于2017年6月在中国农业科学院进行，采用盆栽实验。6月初将玉米种子和野生龙葵种子同时种下，根据土壤缺水情况，定期浇自来水，使土壤含水量保持在田间持水量的70％；玉米、野生龙葵生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地正常生产一致。9月中旬收获成熟的玉米和野生龙葵。
分别对玉米和野生龙葵收获后，玉米各器官及土壤中的Cd含量进行采样监测。
土样采集：采用S形采样法，在每个处理采集5点土样，混匀后作为盆栽土样，风干、研磨后过0.25mm孔径筛，备用。
玉米各器官采集：将玉米分成根、茎、叶、籽粒4部分，在烘箱中105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，分别磨碎、过0.25mm孔径筛备用。
检测结果如表8所示。土壤Cd浓度为1.92mg/kg时，玉米单作时玉米籽粒Cd含量为0.11mg/kg，超过现行国家标准《GB2762-2012食品中污染物限量》规定的玉米籽粒0.10mg/kg的限量值，而野生龙葵间作下玉米籽粒Cd含量下降了81.8％。玉米与野生龙葵间作下，玉米籽粒中Cd含量显著降低。
与对照试验相比，玉米-野生龙葵间作下玉米地上部分镉含量显著降低，茎部镉含量下降59.3％，叶片镉含量下降54.0％；野生龙葵间作会抑制玉米镉的地下部向地上部的转运，使得玉米籽粒镉含量降低至国家标准最大限量值以下。
表8玉米及土壤中Cd含量的对照
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，其特征在于：包括以下步骤：在镉污染土壤上，将玉米和野生龙葵均匀间作，玉米、野生龙葵生长过程中采用常规水肥管理，待玉米籽粒成熟后，同时收获玉米和野生龙葵。
2.根据权利要求1所述的一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，其特征在于：所述镉污染土壤中Cd含量范围为(1.59-1.92)mg/kg。
3.根据权利要求1所述的一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，其特征在于：所述玉米品种为郑单958号；
直接将玉米种子播种于污染土壤中，待长出3-5片真叶后按2株/m2进行间苗；野生龙葵种子播种后待长出4片真叶后按8株/m2进行间苗；
所述玉米、野生龙葵进入成熟期为两种植物种植后90天。
4.根据权利要求1所述的一种提高镉污染土壤上种植玉米质量的方法，其特征在于：所述常规水肥管理为，根据土壤缺水情况间隔浇水，间隔期为1-2天，使土壤含水量保持在田间持水量的70％，玉米、野生龙葵生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与供试土壤所在地管理模式相同。
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