CN109365520B

CN109365520B - 一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法

Info

Publication number: CN109365520B
Application number: CN201811474630.7A
Authority: CN
Inventors: 黎华寿; 秦俊豪; 黎思慧; 麻庆广; 许杨贵
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: CN109365520A

Abstract

本发明公开了一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法，包括以下步骤：将被镉污染的土壤整理成厢面，采用厢沟控灌的模式，将镉低积累植物水稻秧苗移栽至厢沟；在水稻栽种前和/或后，于厢面种植镉超富集植物龙葵；水稻抛秧后至水稻成熟期间，保持厢沟中有薄水层且水深小于或等于5 cm，保持厢面以下5～10 cm的土层不淹水；先后收割或同时收割龙葵和水稻；收割龙葵时，全株收获或地上部分留茬2～5 cm高；将收获的龙葵集中处理或进行资源化加工处理。本发明提高了超富集植物吸收富集重金属的能力，同时减少了土壤及水稻累积重金属的量，实现边安全生产边修复污染土壤的效果，兼具效率高、易操作、无二次污染、成本低等优点。

Description

一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法

技术领域

本发明属于土壤重金属修复中的植物修复技术领域。具体地，涉及一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法；更具体地，涉及一种适宜于镉污染稻田低累积水稻-超富集植物龙葵的间作栽培方法及其在稻田土壤污染治理中的应用。

背景技术

近年来我国重金属污染所造成的危害逐渐显露，环境风险日渐突出。重金属污染中，镉污染问题突出，特别是土壤镉污染和镉米问题备受关注。据有关资料显示，我国大约六分之一的稻田受到不同程度的砷镉复合污染，并且污染面积逐年上升。矿山开采和冶炼是土壤镉污染主要途径，废矿渣和尾矿砂中通常含有高浓度的镉废矿石或尾砂，经自然风化和雨水侵蚀后，镉会向土壤中释放，从而使土壤遭受严重的镉污染。过高的镉会引起土壤生物学特性逐渐变异，导致土壤质量下降。并且土壤中镉的生物迁移性和毒性较强，极易被作物吸收并积累，直接影响作物的品质和产量，并通过食物链对人类健康构成严重的危害。因此，如何修复镉污染土壤已成为一个亟待解决的重大问题。

近年来超富集植物在重金属污染修复方面的应用逐步得到重视。植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害的生态治理污染技术。研究表明，通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤或水体中的污染物，达到净化环境的目的，因而植物修复是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术。植物提取是目前研究最多、最有发展前景的方法，其是通过种植对重金属具有较强忍耐和富集能力的特殊植物即超富集植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运移至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中污染物。目前以东南景天、龙葵（Solanum nigrum L.）、少花龙葵（Solallum nigrum L .ver PauciflorumLiou）、蜈蚣草等超富含植物为材料进行重金属污染土壤修复已受到重视，可以靠这些植物把污染土壤中的镉或砷等重金属富集、带走。

但遗憾的是，上述植物只是潜在的镉超富集植物，真实污染土壤中镉的生物有效性较人工模拟污染土壤的镉生物有效性低得多，难以具备现实修复意义。例如，据《三种富集植物对广西兴源铅锌矿区周边Cd污染农田土壤修复性能研究》报道，虽然少花龙葵、商陆和青葙对土壤Cd具有较强的富集能力，地上部分Cd的富集系数分别为5.84、6.46和5.84，3种植物地上部分的Cd含量在35.45 mg/kg到35.47 mg/kg之间，但在土壤环境条件相似的情况下，远远低于土壤Cd含量相当的人工配土实验。若对Cd污染农田土壤的修复达到GB15618-1995中的三级标准，少花龙葵、商陆和青葙提取率分别为0.82%、0.65%和0.58%，所需修复茬数至少为123茬（约41年）、155茬（约51年）和172茬（约57年），直接种植这些富集植物可能需要数十年时间。因此，对于这种真实污染土壤，直接种植现有的富集植物需要的时间很长、达到修复效果的意义较小，必需通过强化措施提高植物修复的效率。

CN103109651A公开了一种镉污染菜地边生产边修复的方法，选取的高积累作物为龙葵，超低积累作物为日本铁杆葱王，而污染物的存在方式、不同作物、不同群落构建、不同生境、不同栽培方法等均对污染物的吸附作用不同，从而很大程度上影响作物的生长。另外，当前植物修复重金属的研究和应用主要在旱地上，涉及湿地和稻田不多，有关利用植物与水稻厢沟式间作体系，实现生物多样性种植和增加生态边缘效应，提高生态系统生产力从而实现污染稻田的边生产边修复的学术研究和实践还没见报道。如何使超富集植物和低累积水稻各得其所，以保证在去除污染物的同时作物可以正常生长，甚至达到减少作物的病虫害的目的，是目前极富挑战性同时也是具有重大环境意义的工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法，旨在进一步提高超富集植物修复镉污染土壤的能力，同时又能够减少土壤及作物累积重金属的量，并且有利于通过种植物种多样性和边缘效应减少作物病虫害，保障生产安全。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法，包括以下步骤：

S1. 将被镉污染的土壤整理成厢面，相邻两厢面之间开厢沟，厢面与厢沟的面积比为0.5～1.5：0.5～1.5；

S2. 采用厢沟控灌的模式，将镉低积累植物水稻秧苗移栽至厢沟；在水稻栽种前和/或后，于厢面种植镉超富集植物龙葵；

S3. 水稻抛秧后至水稻成熟期间，保持厢沟中有薄水层且水深小于或等于5 cm，保持厢面以下5～10 cm的土层不淹水；

S4. 先后收割或同时收割龙葵和水稻；收割龙葵时，全株收获或地上部分留茬2～5 cm高；

S5. 将收获的龙葵集中处理或进行资源化加工处理。

优选地，所述被镉污染的土壤为稻田土壤。

优选地，所述超富集植物为龙葵（Solanum nigrum L.）或其变种少花龙葵（Solallum nigrum L .ver Pauciflorum Liou）。

优选地，首次收割龙葵为龙葵栽植生长3～4个月后。

更优选地，每次收获后对留茬再生的龙葵进行施肥抚育。

优选地，水稻的系列为株两优、湘晚籼或C两优等经签定的低累积水稻品种。

更优选地，水稻的品种为株两优189、株两优819、湘晚籼12或C两优755。

优选地，水稻的种植密度为：株距12～25 cm，行距15～28 cm。

更优选地，水稻的种植密度为：株距15～25 cm，行距20～28 cm。例如，株距可以为15 cm、17 cm、19 cm、21 cm、23 cm、25 cm等，行距可以为20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm等。

优选地，龙葵的种植密度为：株距18～25 cm，行距15～30 cm。

更优选地，龙葵的种植密度为：株距19～22 cm，行距26～30 cm。例如，株距可以为19 cm、20 cm、21 cm、22 cm等，行距可以为26 cm、27 cm、28 cm、29 cm、30 cm等。

优选地，在水稻生长期施用氮磷钾复合肥。

更优选地，复合肥含16%～25% N、12%～15% P₂O₅和12%～16% K₂O。例如，复合肥含15% N、15% P₂O₅和15% K₂O、含20% N、13.5% P₂O₅和14% K₂O、含22% N、12% P₂O₅和13% K₂O等。

更进一步优选地，复合肥的用量为20～30 Kg/亩。例如，复合肥的用量可以为20Kg/亩、22 Kg/亩、24 Kg/亩、26 Kg/亩、28 Kg/亩、30 Kg/亩等。

厢面宽和厢沟宽视以水稻生产为主还是修复污染为主，以及兼顾水稻是否机械化收获的收获要求而定。

优选地，步骤S1中，厢面宽1～1.2 m，厢沟宽0.5～1.8 m，厢沟深0.1～0.2 m。

更优选地，厢面与厢沟的面积比为1：1。

更优选地，厢沟宽1～1.2 m。

更优选地，厢沟深0.2 m。

优选地，步骤S2中，厢沟水深保持在2～10 cm。秧苗移栽前耙田平整起浆。

优选地，步骤S2中，水稻秧苗的秧龄为15～20天，秧苗带土量为50～100g/株。

优选地，次年将厢面位置换成厢沟，厢沟位置换成厢面，并适当进行耕作层土壤的翻动混合，以满足更适合重金属超富集植物的修复和低累积水稻安全生产的需要。

优选地，所述龙葵采用分株繁殖或种子繁殖。

一季水稻收获1次少花龙葵，广州地区全年可分别在7月、11月和来年4月初各收获1次少花龙葵。

本发明可按当地气候条件和水稻生产习惯确定是双季稻还是单季稻间作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过相对适当提高厢面地势种植耐荫耐湿的超富集植物而在厢沟种植低累积水稻，使超富集植物和低累积水稻各得其所，从而提高超富集植物吸收富集重金属的能力，同时减少水稻累积镉的量，实现边安全生产稻米边修复污染土壤的效果，兼具效率高、易操作、无二次污染、成本低等优点；中低污染的镉污染稻田可在5～15年内达到安全生产要求，特别适用于三角洲沉积型污染稻田的边生产边修复，具有很好的推广应用价值。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1 一种边生产边修复重金属镉污染稻田土壤的方法

1、一种边生产边修复重金属镉污染稻田土壤的方法，包括以下步骤：

（1）镉低累积水稻品种秧苗和超富集植物少花龙葵种苗的育苗管理：水稻选用符合低累积镉品种标准的推广良种，如早稻选用株两优189或819品种等，晚稻选用湘晚籼12或C两优755品种等，常规或秧盘育秧后，得到适宜插秧的秧苗，使秧龄为15～20天，备用；少花龙葵采用种子繁殖或种子育苗繁殖，按常规育苗移栽种植方法进行栽培管理，备用；

（2）大田整理与准备：将稻田整成类似厢面畦沟方式，厢面与厢沟的面积比为1：1，厢面宽为1～1.2 m，厢沟宽为1～1.2 m，厢沟深为0.2 m，厢沟排灌方便，保持厢沟水深在2～5 cm，秧苗移栽前耙田平整起浆备用；按常规方法进行除草施肥，也可在移栽植物前结合实际选用除草剂统一除草；厢面和厢沟的施肥均选用按纯养分计为15% N、15% P₂O、15% K₂O的复合肥，每季水稻生长期施用上述复合肥30 kg/亩；

（3）带土抛秧栽植水稻：将步骤（1）培育的秧龄为15～20天的秧苗带土50～100 g/株，按株距15 cm、行距20 cm定向抛栽至备用的平整起浆的厢沟面；

（4）在厢沟插秧前后于畦面移栽少花龙葵，种植密度为株距20 cm、行距30 cm，按常规栽培管理；

（5）水分管理：水稻抛秧后至成熟期均保持厢沟中有薄水层且水深不超过5 cm，同时，保持厢面以下10 cm土层不淹水，保证水稻正常生产的同时，最大限度地减少水稻对镉的吸收量，并且利于少花龙葵正常生长和吸收尽量多的重金属镉；

（6）可以分别先后收割少花龙葵或者也可结合水稻收割期同时进行；首次收割少花龙葵为栽植生长3～4个月后，收割时地上部留茎2～3 cm高；

（7）收割少花龙葵的地上部生物量集中堆沤填埋或交专业公司处置，从而有效地清除土壤中的镉。

本发明可按当地气候条件和水稻生产习惯确定是双季稻还是单季稻间作。第二年利用耕作机械将厢面位置换成厢沟，厢沟位置换成厢面畦面，同时适当进行耕作层土壤的翻动混合，以满足更适合重金属超富集植物的修复和低累积水稻安全生产的需要。

2、结果

设少花龙葵单作、水稻株两优189单作、两种植物间作共三种种植模式，参照上述的修复方法进行种植。

实验发现：

（1）稻田土壤的修复效果：

当土壤中镉浓度高达50 mg/kg时，少花龙葵的生长仍未受到明显影响，而根部镉含量可高达400 mg/kg，地上茎叶部分的镉含量分别达200 mg/kg。少花龙葵具有生物量较大、生命力强、繁殖栽培简单等特点，克服了大多数超富集植物生物量小、生长缓慢、弱抵抗力、种子少，缺乏与当地植物竞争能力等缺点，因而更适合用于镉污染土壤的植物修复。

在Cd污染浓度为0.3～1.5 mg/kg时，土壤上少花龙葵的平均株高在60～90 cm，在镉污染的土壤上种植其地上部Cd浓度达到3～43 mg/kg，富集系数大于1。

与传统栽培的单作组水稻比较，厢沟间作组高积累品种少花龙葵地上、地下部分对镉吸收积累量不受影响或有较大的提高，而低积累品种水稻的镉积累地上部分显著下降，地下部分无显著差异或有所提高。在Cd污染浓度为0.3～1.5 mg/kg时，间种的水稻株两优189稻米镉浓度小于0.20 mg/kg，低于国家食品安全标准，实现了在镉污染土壤中获得可安全食用稻米的目的。间作组少花龙葵对镉的积累量大约为单作组少花龙葵的1.2～2.8倍，显著提高了少花龙葵对镉污染土壤的修复效果，而同时产出可安全食用的水稻株两优189，获得显著的经济效益。

本发明的间作方式不仅将少花龙葵对镉的吸收速度提高了20%到180%，即通过在厢面创造的非淹水条件种植少花龙葵，改变了稻田因缺乏生物量大、适宜水生的超富集植物而无法有效进行植物修复的窘境，同时兼顾了稻米的边修复边生产。

（2）修复前后水稻体内重金属含量变化：

对于水稻的产量而言，处于厢沟中保持淹水层的间作水稻与对照常规种植水稻无显著差异。而稻米中重金属镉含量在不同水稻品种和不同土壤中表现较大的变异，但整体而言，厢沟间作水稻与对照常规种植水稻相比，稻米中重金属镉的含量下降了0.23～3.25倍，在土壤镉浓度0.50～1.24 mg/kg的弱酸性土壤上，水稻株两优189稻米镉浓度为0.05～0.20 mg/kg，稻米镉含量满足国家标准《食品中污染物限量》（GB2762-2012），实现了在镉污染土壤中生产安全食用稻米的目的。这可能主要得益于累积厢沟中保持淹水层降低了镉的生物有效性，从而减少了镉的吸收积累。说明，本发明的间作方式提高了少花龙葵对镉的积累能力，同时降低了水稻对镉的积累。

（3）修复前后对水稻病虫害的影响：

与单作低镉水稻比较，处于厢沟中保持淹水层的间作水稻的病虫害发生机率和程度大大减少，调查表明，稻田间作与常规单作水稻比较，减少了稻瘟病、纹枯病30%～90%的发生率和损失。稻田厢沟田沟多沟深沟宽，沟沟相通，排灌方便。对水稻而言，采取低镉水稻品种常规高产栽培措施，并保持水层使土壤处于厌氧条件不利于镉活化而生物有效性低的环境，可保证稻米减镉达标；而厢面无水湿润，能促进耐湿的超富集植物少花龙葵分枝早生快发，提高其生物量和富镉能力；同时方便水稻收获后晾晒田促进少花龙葵快速生长，同时整个过程可以方便排水除湿晾晒，减少病虫害。此外，稻田厢沟田间作通过增加稻田生物多样性和改善小气候生境条件，有助于病虫草害的控制和免耕。

此外，合理施肥可以促进水稻和龙葵的生长，从而更好地实现边生产边修复的目标。每个生长季每亩（667 m²）施用30～50 kg的复合肥，可以达到较佳的效果。

Claims

1.一种边生产边修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将被镉污染的土壤整理成厢面，相邻两厢面之间开厢沟，厢面与厢沟的面积比为0.5～1.5：0.5～1.5；

S2.采用厢沟控灌的模式，将镉低积累植物水稻秧苗移栽至厢沟；在水稻栽种前和/或后，于厢面种植镉超富集植物龙葵或少花龙葵；

S3.水稻抛秧后至水稻成熟期间，保持厢沟中有薄水层且水深小于或等于5cm，保持厢面以下5～10cm的土层不淹水；

S4.先后收割或同时收割龙葵和水稻；收割龙葵时，全株收获或地上部分留茬2～5cm高；

S5.将收获的龙葵集中处理或进行资源化加工处理；

所述被镉污染的土壤为稻田土壤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超富集植物为龙葵(SolanumnigrumL.)或其变种少花龙葵(SolallumnigrumL.verPauciflorumLiou)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，首次收割龙葵为龙葵栽植生长3～4个月后。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每次收获后对留茬再生的龙葵进行施肥抚育。

5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，水稻的系列为株两优、湘晚籼或C两优。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，水稻的品种为株两优189、株两优819、湘晚籼12或C两优755。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水稻的种植密度为：株距12～25cm，行距15～28cm；龙葵的种植密度为：株距18～25cm，行距15～30cm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在水稻生长期施用氮磷钾复合肥。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，复合肥含16％～25％N、12％～15％P₂O₅和12％～16％K₂O。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，复合肥的用量为20～30kg/亩。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，厢面宽1～1.2m，厢沟宽0.5～1.8m，厢沟深为0.1～0.2m。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤S2中，厢沟水深保持在2～10cm。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，水稻秧苗的秧龄为15～20天，秧苗带土量为50～100g/株。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，次年将厢面位置换成厢沟，厢沟位置换成厢面，并适当进行耕作层土壤的翻动混合。