CN109174936B

CN109174936B - 一种利用牧草桂牧一号修复镉污染农田土壤的方法

Info

Publication number: CN109174936B
Application number: CN201811141819.4A
Authority: CN
Inventors: 刘孝利; 铁柏清; 雷鸣; 魏祥东; 杜辉辉; 彭鸥; 刘寿涛; 蔡彤�
Original assignee: Hunan Agricultural University
Current assignee: Hunan Agricultural University
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: CN109174936A

Abstract

本发明公开了一种利用牧草桂牧一号修复镉污染农田土壤的方法，其步骤：(1)在镉污染农田休耕区的土壤上种植桂牧一号牧草，覆土后浇水，保障出芽率；(2)将种植后的牧草，分次追施氮肥，每次施肥为硫酸铵；(3)桂牧一号，从第二年开始，每年4、7、9月，分次施氮肥；(4)所用氮肥是以氮为主，有N标明量，施于土壤提供植物氮素营养的单元肥料；(5)采用多年生，大生物量牧草桂牧一号杂交象草为修复植物，连续多年高效修复；(6)修复工程结束后，深耕，移除桂牧一号发达的根系，降低土壤镉含量，经过每年多次刈割移除，逐步减轻土壤中活性和总镉含量。方法易行，操作简便，成本低廉，有效的移除污染农田土壤中的重金属镉。

Description

一种利用牧草桂牧一号修复镉污染农田土壤的方法

技术领域

本发明属于重金属镉(Cd)污染植物修复领域，更具体涉及一种利用多年生大生物量牧草的农田土壤镉(Cd)污染植物修复方法。

背景技术

中国农田土壤重金属污染已成为当前重大农业生态环境问题，请见：赵其国,黄国勤,马艳芹.中国南方红壤生态系统面临的问题及对策.生态学报,2013,33(24):7615-7622；吴同亮,王玉军,陈怀满,等.基于文献计量学分析2016年环境土壤学研究热点[J].农业环境科学学报,2017,36(2):205-215。近年来，国内外开展了大量农田土壤重金属污染钝化、修复技术及其示范研究，旨在缓解重金属污染物毒性及其对农产品的危害，黄益宗与He等人在总结了大量重金属污染修复研究中指出，由于重金属污染问题的来源复杂性和污染严重性，污染土壤的修复的效率与离人们的期望值比还差距很大，寻找高效、低成本、实用的土壤修复技术，尤其能够推广到广大污染农田实践生产中的技术亟待突破，请见：黄益宗,郝晓伟,雷鸣,等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践.农业环境科学学报,2013,32(3):409-417；He Y B,Huang D Y,Zhu Q H,et al.A three-season field study on thein-situ remediation of Cd-contaminated paddy soil using lime,two industrialby-products,and a ow-Cdaccumulation rice cultivar[J].Ecotoxicology andEnvironmental Safety,2017,136:135-141。目前针对农田土壤重金属污染，植物修复方法由于无二次污染风险被公众接受程度高，具有较为广阔的发展前景。然而，植物修复因生长期长，修复速率慢等特点限制了植物修复技术在实践中的应用。

南方农田土壤Cd污染来源，除了酸性红壤具有较高的Cd背景值以外，人为活动，如采选矿、冶炼、石化等等工业三废的无序排放，累年的干湿沉降，加上农业生产活动等是农田土壤Cd污染的最主要来源。镉(Cd)是一种银白色、柔软的稀有金属，在自然界少以纯镉态存在，多以化合态存在，并与锌矿、铅锌矿、菱锌矿等伴生，会在绝大多数的铅锌矿的尾矿渣中存在。Cd在土壤中有累积性，隐蔽性与植物体内易富集性，能够在不影响植物生长的情况下在植物体内富集，进入食物链危害人体健康。Cd在环境中不仅存在时间长，而且存在范围非常广，湖南是世界上著名的“有色金属之乡”，铅锌等有色金属开采带来的三废排放导致农田重金属Cd污染问题十分突出。Cd具有致癌作用，急性或长期吸入Cd会引起肺部炎症、支气管炎、肺气肿、肺纤维化乃至肺癌。近年来的研究发现，Cd化合物与人类肺癌密切相关，已知无机镉可能损害机体的免疫系统，可能是DNA损伤导致淋巴细胞功能下降。同时，Cd还会引起骨质疏松、软骨症和骨折等病变。

为了缓解农田Cd污染及农产品安全危机，湖南典型矿区重金属污染农田，开展了休耕试点。休耕与种植结构调整是当前湖南典型矿区重金属Cd污染耕地修复与高效、安全利用的重要措施，根据《湖南省重金属污染耕地治理式休耕试点2016年实施方案》(湘农联〔2016〕100号)文件精神，在重金属污染管控区休耕政策背景下，并贯彻实施中央的“藏粮于地、藏粮于技”战略布局，坚持生态优先、综合治理、修复为主、休耕为辅。朱永官与曹昌等诸多知名研究专家指出，耕地土壤重金属污染物的根除非一朝一夕，可能需要上百年甚至更久的时间，请见：朱永官,陈保冬,林爱军,等.珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考.环境科学学报,2005,25(12):1575-1579；曹昌，李永华.湖南首份重金属污染调查结果公布.专家:有效缓解重金属对农产品的污染比消灭重金属污染更重要[J].中国经济周刊,2014,46:48-50。因此，探寻一种安全简单、生态高效、适用于休耕期的Cd污染修复方法具有重要的现实意义。

超累积植物修复属于原位修复技术，可缓慢移除土壤中的重金属，这种技术也被公认为重金属污染土壤修复的最安全的方法，是一种清洁、绿色环保型的耕地土壤重金属污染修复技术。朱永官等在论证了重金属污染控制与植物修复研究前沿中指出在修复实践过程中，超富集植物在一定时期内，植物地上部分的生物量小，生长缓慢，则实际带走污染重金属的总量小，修复周期太长等缺点，请见：朱永官,陈保冬,林爱军,等.珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考.环境科学学报,2005,25(12):1575-1579，有学者认为这些小型的超富集植物对于土壤重金属污染的修复具有较小的经济和利用价值。一味的寻找富集系数和转运系数高的超富集植物，而忽略了尝试多年生，大生物量，低富集水平的植物。到目前为止，植物修复依然急需寻找到一种管理简单、多年生、大生物量的修复植物，提高农田土壤重金属的移除速率。发明者最近通过野外和盆栽实验研究中发现一种多年生大生物量的牧草(桂牧一号)对Cd有富集能力，经过探索总结出了一种利用桂牧一号修复Cd污染农田土壤的方法。申请人在借鉴和改进前人工作的基础上，建立了一种利用多年生大生物量牧草的农田土壤Cd污染植物修复方法，经检索未发现一种利用多年生大生物量牧草的农田土壤Cd污染植物修复的方法公开或使用。

发明内容

基于我国南方矿区大范围农田土壤Cd超标问题突出的现状，本发明的目的是在于提供了一种利用多年生，大生物量牧草桂牧一号修复镉污染农田土壤的方法，方法易行，操作简便，简单有效，成本底廉，非常有效的移除污染农田土壤中的重金属镉(Cd)。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种利用牧草桂牧一号修复镉污染农田土壤的方法，其步骤是：

(1)在镉(Cd)污染农田休耕区的土壤上种植桂牧一号牧草(学名为：桂牧一号杂交象草(Pennisetum purpureum cv.Guimu-1))。于日均气温回升到18-20°的4月中旬，将适宜繁殖的牧草茎切成40cm左右的种茎(带2个茎节)，整地后犁10cm左右深的沟，施氮肥硫酸铵，300kg/公顷，然后将种茎横着平放于沟中，株距15cm左右，行距50cm左右，覆土。若土壤含水率大于18％，则无需浇水，低土壤含水率小于18％，覆土后需浇水，以保障出芽率。

(2)将步骤(1)种植后的牧草，第一年的7、9月分2次(每月一次)追施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次的施肥量为300kg硫酸铵/公顷，于7、12月份下旬，刈割2次(每月一次)，刈割留茬10cm左右。

(3)步骤(1)和步骤(2)所述的桂牧一号，从第二年开始，每年4月初，7月初，9月下旬，分3(每月一次)次施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次施300kg/公顷；从第二年开始，每年6月底、9月中旬、12月下旬刈割3次(每月一次)，刈割留茬10cm左右，前2次刈割后施肥，最后一次刈割后不施肥。将收割的牧草进行无害化或资源化处理，或作为生物质资源纳入垃圾填埋场进行焚烧发电等资源化利用。

(4)上述步骤(3)所用氮肥，是指以氮(N)为主要成分，具有N标明量，施于土壤可提供植物氮素营养的单元肥料。氮肥是世界化肥生产和使用量最大的肥料品种；适宜的氮肥用量对于提高作物产量、改善农产品质量有重要作用。氮肥按含氮基团可分为氨态氮肥、铵态氮肥、硝态氮肥、硝铵态氮肥、氰氨态氮肥和酰胺态氮肥。上世纪70年代以来，尿素成为主导的氮肥品种。碳酸氢铵是中国上世纪80年代主要生产的氮肥品种之一。所述的底肥、追施的氮肥均为硫酸铵，每次施肥量均为300kg/公顷，硫酸铵为酸性N肥，含N量≥21％。

(5)本发明采用的多(15)年生(可维持15年左右的高产期)，大生物量牧草桂牧一号杂交象草作为修复植物，管理简单，具有成本低，操作简单，低能耗，种植一次可连续多(15)年(有约15年高产期)高效修复。同时，桂牧一号生长快，生长期长，生物量大，易种植，根系发达，因此是一种具有较强推广潜力的镉(Cd)污染农田土壤修复植物。可为湖南污染农田休耕和种植结构调整提供一种边休耕边高效修复的技术方法。

(6)本发明同时指出修复工程结束后，深耕35cm左右，移除桂牧一号发达的根系，进一步降低土壤镉(Cd)含量。污染农田休耕区的土壤镉(Cd)含量为0.82-1.33mg/kg，经过每年多次(3次)刈割移除，可逐步减轻土壤中活性和总镉(Cd)含量。

本发明主要解决了以下技术问题和难点：

本发明最关键的步骤是通过酸性氮肥与多年生大生物量牧草桂牧一号的耦合技术，促进桂牧一号对农田土壤镉(Cd)离子的富集累积，强化修复效率。桂牧一号相比现有的植物修复技术具有生物量大，高产期高达15年左右的显著特征，管理简单，成本低等特点。解决了现有修复技术中所用修复植物的生物量低、需重复种植、管理难、修复慢等难点。

本发明与现有技术的主要区别：

(1)本发明所用的修复植物为多年生、大生物量牧草桂牧一号。

(2)所选的修复植物桂牧一号，生物量大，高产期长，可达15年左右，年干草产量维持在28000kg/公顷左右。

(3)本发明所选用的植物富集强化方法是施硫酸铵酸性氮肥，不同于以往采用的酸性溶剂，无潜在环境风险。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

与现有的植物修复技术相比，该技术所选的修复植物为桂牧一号，一种多年生大生物量牧草，种植一次，可维持高产期15年左右，一年可刈割3次或3次以上，重金属Cd移除率较高，管理简单，修复成本低，无需反复种植。Cd含量为1mg/kg农田超标土壤，每年可降低土壤Cd含量在0.1mg/kg以上，5-6年后土壤Cd含量可达标。本技术另一显著优点是可明显降低耕层农田土壤有效态Cd组分。

具体实施方式

实施例1：

A、湖南某典型镉(Cd)超标农业小流域，于流域内设置桂牧一号牧草种植小区实验，耕层土壤(0-20cm)中Cd含量为0.82-1.33mg/kg，镉(Cd)超标3或4倍，各实验小区土壤pH值分别为4.4或5.2或5.8或6.4或6.7，pH值偏酸性，研究区域于2018年初被划为重金属污染休耕管控区。

B、选取实验小区先整地，犁10cm深的沟，行距50cm，按300kg/公顷施硫酸铵作为底肥。

C、将繁殖龄桂牧一号地上茎切成约40cm左右的带2个茎节的种茎，横着放入犁好的10cm沟中，株距15cm，覆土，因播种时土壤湿润，土壤含水率大于18％，未浇水。

D、4中下旬播种后，于当年的7、9月分2次(每月一次)追施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次的施肥量为300kg硫酸铵/公顷，于7、12月份下旬(每月一次)，刈割2次，刈割留茬10cm。

E、从第二年开始，每年4月初，7月初，9月下旬，分3次(每月一次)施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次施300kg/公顷；从第二年开始，每年6月底、9月中旬、12月下旬刈割3次(每月一次)，刈割留茬10cm，前2次刈割后施肥，最后一次刈割后不施肥。将收割的牧草进行无害化或资源化处理，或作为生物质资源纳入垃圾填埋场进行焚烧发电等资源化利用。

F、测产与指标分析得知，桂牧一号是年干草产量为25000-30000kg/公顷，地上部分镉(Cd)富集平均浓度约为5.0mg/kg，每年约从土壤中可移除镉(Cd)约125-150g/公顷。

G、修复2年后，表层土壤Cd含量下降为0.66-1.17mg/kg，有效态镉(Cd)含量显著由修复前的0.42-0.61mg/kg显著下降为0.12-0.33mg/kg(详见表1)。

H、同时本发明建议修复实验完成后，通过翻土移除牧草发达的根系，可进一步可降低土壤镉(Cd)含量。

表1桂牧一号Cd富集与土壤Cd含量变化

J、经过连续两年修复实验，由表1可以得知，桂牧一号地上部位的茎富集能力大于叶片，平均富集加权值为5.0左右，而且第二年富集浓度大于第一年，表明该牧草富集能力持续性较强。

实施例2：

(1)于日均气温回升到18-20°的4月中下旬，将适宜繁殖的牧草茎切成40cm左右的种茎(带2个茎节)，整地后犁10cm左右深的沟，施氮肥硫酸铵，300kg/公顷，然后将种茎横着平放于沟中，株距15cm左右，行距50cm左右，覆土。若土壤含水率大于18％，则无需浇水，低土壤含水率于18％，覆土后需浇水，以保障出芽率。

(2)将步骤(1)种植后的牧草，第一年的7、9月分2次(每月一次)追施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次的施肥量为300kg硫酸铵/公顷，于7、12月份下旬(每月一次)，刈割2次，刈割留茬10cm。

(3)步骤(1)、(2)所述的桂牧一号，从第二年开始，每年4月初，7月初，9月下旬，分3次(每月一次)施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次施300kg/公顷；从第二年开始，每年6月底、9月中旬、12月下旬刈割3次(每月一次)，刈割留茬10cm，前2次刈割后施肥，最后一次刈割后不施肥。将收割的牧草进行无害化或资源化处理，或作为生物质资源纳入垃圾填埋场进行焚烧发电等资源化利用。

(4)上述步骤所用氮肥，是指以氮(N)为主要成分，具有N标明量，施于土壤可提供植物氮素营养的单元肥料。氮肥是世界化肥生产和使用量最大的肥料品种；适宜的氮肥用量对于提高作物产量、改善农产品质量有重要作用。氮肥按含氮基团可分为氨态氮肥、铵态氮肥、硝态氮肥、硝铵态氮肥、氰氨态氮肥和酰胺态氮肥。上世纪70年代以来，尿素成为主导的氮肥品种。碳酸氢铵是中国上世纪80年代主要生产的氮肥品种之一。所述的底肥、追施的氮肥均为硫酸铵，每次施肥量均为300kg/公顷，硫酸铵为酸性N肥，含N量≥21％。

(5)上述所述刈割、施肥环节，每年的最后一次刈割后不施肥，其他刈割后施肥，可有效促进桂牧一号地上生物量的积累。

(6)本发明同时指出修复工程结束后，深耕35cm左右，移除桂牧一号发达的根系，进一步降低土壤镉(Cd)含量。污染农田休耕区的土壤镉(Cd)含量为0.82-1.33mg/kg，经过每年多次刈割移除，可逐步减轻土壤中活性和总镉(Cd)含量。桂牧一号是年干草产量为25000-30000kg/公顷，地上部分镉(Cd)富集平均浓度约为5.0mg/kg，每年约从土壤中可移除镉(Cd)约125-150g/公顷。修复2年后，表层土壤镉(Cd)含量下降为0.66-1.17mg/kg，有效态镉(Cd)含量显著由修复前的0.42-0.61mg/kg显著下降为0.12-0.33mg/kg

(7)按前两年修复效率，土壤总镉(Cd)含量每年下降0.1mg/kg以上，在有效控制污染源的情况下，6-8年可使该流域农田土壤Cd含量达到中国耕地土壤质量标准的0.3-0.4mg/kg。

(8)本发明采用的多(15)年生(可维持15年左右的高产期)，大生物量牧草桂牧一号杂交象草作为修复植物，管理简单，具有成本低，操作简单，低能耗，种植一次可连续多年(有约15年高产期)高效修复。同时，桂牧一号生长快，生长期长，生物量大，易种植，根系发达，因此是一种具有较强推广潜力的镉(Cd)污染农田土壤修复植物。可为湖南污染农田休耕和种植结构调整提供一种边休耕边高效修复的技术方法。

Claims

1.一种利用牧草桂牧一号修复镉污染农田土壤的方法，其步骤是：

（1）在镉污染农田休耕区的土壤上种植桂牧一号牧草，于日均气温回升到18-20°的4月中旬，将繁殖的牧草茎切成 40 cm的种茎，整地后犁10 cm的沟，施氮肥硫酸铵，300 kg/公顷，将种茎横着平放于沟中，株距15 cm，行距50 cm，覆土，土壤含水率大于18%，无需浇水，低土壤含水率小于18%，覆土后浇水，保障出芽率；

（2）将步骤（1）种植后的牧草，第一年的7、9月分2次追施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次施肥量为300 kg硫酸铵/公顷，于7、12月份下旬，刈割2次，刈割留茬10 cm；

（3）步骤（1）和步骤（2）所述的桂牧一号，从第二年开始，每年4月初，7月初，9月下旬，分3次施氮肥，所述氮肥为硫酸铵，每次施300 kg/公顷；从第二年开始，每年6月底、9月中旬、12月下旬刈割3次，刈割留茬10 cm，前2次刈割后施肥，最后一次刈割后不施肥，将收割的牧草进行无害化或资源化处理；

（4）步骤（3）所用氮肥，是指氮为主要成分，有N标明量，施于土壤提供植物氮素营养的单元肥料，氮肥按含氮基团分为氨态氮肥、铵态氮肥、硝态氮肥、硝铵态氮肥、氰氨态氮肥和酰胺态氮肥，底肥、追施的氮肥均为硫酸铵，每次施肥量均为300 kg/公顷，硫酸铵为酸性N肥，含N量≥21%；

（5）采用的15年生，大生物量牧草桂牧一号杂交象草作为修复植物，种植一次连续15年修复；

（6）修复工程结束后，深耕35 cm，移除桂牧一号发达的根系，进一步降低土壤镉含量，污染农田休耕区的土壤镉含量为0.82-1.33 mg/kg，经过每年3次的刈割移除，逐步减轻土壤中活性和总镉含量。