CN109513735A - 基于油料作物的镉污染农田安全利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，属于镉污染土壤治理技术领域。本发明为解决当前镉污染农田修复投入高、效果不稳定、破坏土壤结构、生态不可持续等缺点，提供了一种基于油料作物的镉污染农田安全利用方法：在镉污染农田中采用油料作物苗起垄栽培，使其正常生长，成熟后，将种子加工为质量合格的籽油，油料残渣与果荚用于生物质发电，油料作物根茎叶持续吸附镉。本发明采用油料类作物进行绿色栽培，实现逐年降低土壤镉含量，且效果稳定持久，并可获得质量达标油料，产生经济效益，具有成本低、修复效果优异持久、经济效益高等优点，值得推广应用。

Description

基于油料作物的镉污染农田安全利用方法

技术领域

本发明属于镉污染土壤利用及治理技术领域，具体涉及一种既保障镉污染农田安全利用又产生较好经济效益的生态可持续农田土壤重金属污染治理模式。

背景技术

土壤是经济社会可持续发展的物质基础，关系人民群众身体健康，关系美丽中国建设，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。当前，我国土壤环境总体状况堪忧，部分地区受到农药化肥的过量施用、污水灌溉、矿山开采、大气沉降等各行业活动影响污染较为严重，根据我国土壤污染状况调查显示：全国土壤环境状况总体不容乐观，土壤总点位超标率为28.7％，主要污染因子有镉、铬、镍、汞、铅、锌、铜、砷等重金属。

土壤是构成生态系统的基本环境要素，土壤中的重金属在一定条件下，容易被农作物吸收，通过食物链进入人体，引起慢性中毒。土壤重金属含量和分布具有高度不均匀性的特征，而且在实际的农田土壤污染条件下，运用常规的钝化、阻隔、萃取、淋洗等技术措施进行农田土壤修复，存在修复时间短、费用高、稳定效果差、污染易复发、耕层结构破坏等特点。如CN106694532A公开了一种镉污染农田土壤修复的方法，其采用淋洗方法进行农田镉污染治理，虽然对重金属去除彻底，但成本较高同时对土壤质地要求较高，不适宜大面积应用；CN106583432A公开了一种镉污染农田土壤修复的方法，其采用剥离耕作层+化学淋洗的方法进行修复，虽然对重金属去除较彻底，但其修复成本高，而且破坏了耕作层，对于农田土壤结构破坏严重，得不偿失。

为使农田土壤修复达到长期稳定、低成本、具有一定经济效益且不破坏耕作层结构，业内许多单位也进行了不断的探索，如CN106914479A公开了一种利用农作物植株不可食用部分萃取移除重金属的土壤修复方法，其采用具有吸收重金属能力的植物，通过不可食用部分吸收重金属后进行集中处置，可食部分达标进行生产销售的办法，进行具有一定经济产出的修复活动，其修复效果较好，但该专利针对的作物品种为常规粮食及蔬菜作物，如小麦、水稻等，该类作物在重金属污染农田种植具有较高粮食超标风险，实际操作中会面临较大困难。又如CN107836303A公开了一种基于多功能作物甜高粱的镉污染农田安全利用方法，其采用具有镉萃取能力的甜高粱作为萃取剂，通过高粱秸秆萃取重金属镉，并将产出的高粱通过工业方法制作为乙醇产生经济效益，残渣焚烧并收集重金属镉以防止重金属重新进入环境，但该方法甜高粱乙醇发酵后产生巨量生物质残渣的焚烧及重金属提取可能产生较高处置成本，同时，在同一污染土壤中进行甜高粱连作可能带来连作障碍及土传病害增加等风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是当前镉污染农田修复周期长、投入高、效果不稳定、破坏土壤结构、生态不可持续等缺点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，该方法包括以下步骤：

A、在镉污染农田中采用油料作物苗起垄栽培；

B、采用适宜的栽培管理措施，保障油料作物正常生长；

C、成熟后，采集油料作物果实，剥离果荚，收集种子并加工为籽油；

D、将种子加工为籽油后所留残渣，与果荚用于生物质发电，并回收发电后的炉渣及灰分中的重金属镉。

其中，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，所述油料作物为油用牡丹。

优选的，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，所述油用牡丹的品种为凤丹(Paeonia ostii)。

其中，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，步骤A中，所述油料作物的苗龄为2年，苗高不低于5.00cm，地径不低于0.40cm，根粗不低于0.60cm。

优选的，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，步骤A中，所述苗龄为2年的油料作物的苗高不低于9.00cm，地径不低于0.70cm，根粗不低于1.00cm。

其中，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，步骤A中，所述起垄栽培的规格为：垄宽100cm，沟宽30～50cm，每垄两行配置，垄内株行距为30～50cm×60cm。

优选的，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，步骤A中，所述起垄栽培的规格为：垄宽100cm，沟宽30cm，每垄两行配置，垄内株行距30cm×60cm。

其中，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，步骤B中，所述适宜的栽培管理措施具体为：

除草：苗木栽培前期，及时中耕除草；

施肥：栽培第一年不追肥，第二年开春时追施速效肥，氮磷钾比例为2：2：1，亩施40～60kg，入冬时亩施40～60kg长效复合肥，第三年开花后增施速效复合肥10～15kg/亩或喷施0.3％磷酸二氢钾1次；

作物花期管理：苗龄两年的苗木花蕾全部摘除，苗龄三年的苗木保留部分花蕾结籽，苗龄四年及以后的苗木全部留花结籽。

其中，上述所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法中，还包括以下步骤：油料作物栽培后2年内，田内尚未形成郁闭，可间作栽培玉米、药材等以充分利用土地。

本发明采用上述方法将农田土壤中重金属镉转移至油料作物的根、茎叶、果荚、种子等中，并且油料植物为多年生，种植后可长年收获，因此本发明方法能够逐年降低农田重金属镉含量，基于此，本发明还提供了油料作物在修复镉污染农田中的用途。

本发明的有益效果：

本发明通过对重金属镉在植物组织中的存在形式进行探索，提供了一种采用油料类作物进行绿色栽培，在不破坏土壤结构及低成本投入的条件下，实现逐年降低土壤镉含量，且效果稳定持久，并通过工业加工方式获得质量达标油料，产生经济效益；通过对油料作物的栽培方式进行优化及间作玉米等作物，实现了土壤修复和经济效益的最大化；本发明中农田土壤重金属主要被转移至根茎叶、果荚及加工残渣中，将含镉废弃生物质与工业资源化利用结合进行妥善处置，避免了重金属重新进入土壤；因此，本发明方法具有成本低、修复效果优异持久、经济效益高等优点，值得推广应用。

具体实施方式

发明人实践中发现，大多数重金属离子带有较高的正电性，易与植物组织中带负电的大分子化合物结合，主要大分子为：有机酸、氨基酸、肌醇六磷酸盐、多肽和蛋白质等，而植物油脂为非极性大分子物质，只能通过表面吸附作用吸附少量金属。且在一般条件下，大多数植物吸收的重金属主要积累在根系而在地上部的含量较低；在植物根系中，重金属主要分布在质外体，或形成磷酸盐、碳酸盐沉淀，或与细胞壁结合，植物中重金属分布的一般规律为根＞茎叶＞种子，因此通过在受污染的土壤中栽培油料作物的方式，吸收土壤中重金属并使其主要富集于作物根茎中进行集中处置，既能够逐年降低土壤中重金属又能够产出安全油料，获得经济效益与生态效益双丰收。

基于上述原理，本发明创造性的提出了一种基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，该方法包括以下步骤：

A、在镉污染农田中采用油料作物苗起垄栽培；

B、采用适宜的栽培管理措施，保障油料作物正常生长；

C、成熟后，采集油料作物果实，剥离果荚，收集种子并加工为籽油；

D、将种子加工为籽油后所留残渣，与果荚用于生物质发电，并回收发电后的炉渣及灰分中的重金属镉。

本发明的油料作物可选用油用牡丹，油用牡丹品种不同，出油量差异显著，其中凤丹(Paeonia ostii)作为油用牡丹代表品种，较其他品种出油量高，且“凤丹”籽油中重金属镉含量与其他品种无差异，采用湿法消解-原子吸收光谱法测定籽粒油中镉含量均极低(＜0.2ug/g)，因此采用“凤丹”油用牡丹，即能产生更高的经济效益，又保障了籽油的安全性和作物对镉的吸收效果。

栽培时，需对苗木进行修剪，使苗高不低于5.00cm，地径不低于0.40cm，根粗不低于0.60cm，以保证苗木的存活和正常生长；优选的，当苗高不低于9.00cm，地径不低于0.70cm，根粗不低于1.00cm时，可逐年去除土壤中重金属镉含量0.28g/亩以上，且通过油料加工，可产生6000余元/亩的经济效益，对镉污染土壤的修复效果和经济效益更好。

本发明方法中，油料作物可采用播种、也可采用1年生的苗、多年生的苗等，综合考虑每亩种苗的投入成本及种植效益回收期，本方法优选采用苗龄为两年的苗木。当采用两年生油用牡丹苗时，一般需要进行下列预处理：苗木放在500倍多菌灵溶液中浸泡10min，然后在挂上200倍的生根粉和泥土混合物，沾后放置阴凉处待栽。移栽时间为秋分前后，一般不要超过11月份，移栽时先盖一半土壤，轻提苗木，使苗木根系能充分舒展，后盖好土壤，镇实，并浇足定根水。

为保证苗木正常生长，并为间作玉米等作物提供生长环境，起垄栽培的规格为：垄宽100cm，沟宽30～50cm，每垄两行配置，垄内株行距为30～50cm×60cm；优选的，田间起垄栽培，垄宽100cm，沟宽30cm，每垄两行配置，笼内株行距30cm×60cm，此时亩密度一般为2000～3000株，能够有效提高产量，增产20％～30％，并且可在栽培2年内，田内尚未形成郁闭，间作栽培玉米、药材等以充分利用土地。

为障油用牡丹正常生长，应采用适宜的栽培管理措施，具体为：苗木前期长势较弱，需及时中耕除草，增加土壤的通透性和避免与杂草争肥争水；栽培第一年先不追肥，移栽后第二年施2次肥：开春时追施速效肥，因苗木生根长枝需要大量的肥力，采用氮磷钾比例为2：2：1，亩施40～60kg，入冬时亩施40～60kg长效复合肥，第三年在开花后增施一次增施速效复合肥10～15kg/亩或喷施0.3％磷酸二氢钾1次促进花芽分化；为促进苗木营养生长，提高产量，对2年生(苗龄两年，即移栽当年)的苗木花蕾，全部摘除，3年生苗(苗龄三年，即移栽后第1年)可以留部分花蕾结籽，4年生苗(苗龄四年，即移栽后第2年)及以后可以全部留花结籽，修剪掉密度过大的枝条。

当油料作物果实成熟后，采集果实，剥离果荚，收集种子，然后采用烘干或晾晒等的方式，使种子含水量降至10％以下即可送至加工厂加工为籽油；而种子加工为籽油后所留残渣，与果荚则可用于生物质发电，并回收发电后的炉渣及灰分中的重金属镉(炉渣及灰分按照HJ/T299硫酸硝酸法制备浸出液，浸出液镉浓度超过1mg/L，按照危险废物交由有资质的公司处置，低于1mg/kg时按一般固废处置)；此外，油料植物为多年生，种植后可长年收获(收获期一般长达30～50年)，因此其根茎叶可持续吸收土壤中的镉，无需进行额外管理，产生的含重金属镉生物质总量大大减少，极大降低了后期处置成本。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

2年生“凤丹”品种，A1地块采用苗高5.00cm，地径0.40cm，根粗0.6cm栽植，A2地块采用苗高9.00cm，地径0.70cm，根粗1.00cm栽植，两个地块垄宽100cm，沟宽30cm，每垄两行配置，株行距为50cm×60cm。栽植后第2年果实成熟期按3m×3m样方法采集牡丹根、茎叶、果荚、籽粒测定重金属镉含量(镉含量占干重比例)，结果如下：

表1不同苗木规格油用牡丹各部位镉含量

表2不同苗木规格油用牡丹重金属镉萃取量

从以上两表可看出，A2规格的丹凤苗木，在镉污染浓度为0.76mg/kg的农田中栽植，较A1规格苗木收获物中年重金属镉萃取总量高10.56mg/亩，是A1萃取量的1.6倍，年萃取量可达0.28g/亩。同时，A2籽粒产量为A1籽粒产量的1.2倍，籽粒出油率按22％计算，A2可产油22kg/亩，实现产值6600元/亩。

综上，采用A2规格的油用牡丹品种“凤丹”可逐年去除土壤中重金属镉含量0.28g/亩，且通过油料加工，可产生6000余元/亩的经济效益。

实施例2

2年生“凤丹”品种，采用苗高9.00cm，地径0.70cm，根粗1.00cm规格栽植，B1地块垄宽100cm，沟宽50cm，每垄两行配置，株行距为50cm×60cm。B2地块垄宽100cm，沟宽50cm，每垄两行配置，株行距为30cm×60cm。B3地块垄宽100cm，沟宽30cm，每垄两行配置，株行距为30cm×60cm。栽植后第2年果实成熟期按3m×3m样方法采集牡丹及玉米根、茎叶、果荚、籽粒测定重金属镉含量(镉含量占干重比例)，结果如下：

表3不同苗木规格油用牡丹各部位镉含量

表4不同苗木规格油用牡丹重金属镉萃取量

从以上两表可看出，B3种植密度下，在相同镉污染浓度范围的农田中栽植，其收获籽粒产量为最高121.3kg/亩，是B1产量的1.3倍，是B2产量的1.2倍，产量提高20％～30％；同时，B3种植密度下，籽粒及果荚萃取镉总量最高为27.65mg/kg。从产量及萃取量两方面来看，B3种植方式为最优。

Claims (10)

1.基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：

A、在镉污染农田中采用油料作物苗起垄栽培；

B、采用适宜的栽培管理措施，保障油料作物正常生长；

C、成熟后，采集油料作物果实，剥离果荚，收集种子并加工为籽油；

D、将种子加工为籽油后所留残渣，与果荚用于生物质发电，并回收发电后的炉渣及灰分中的重金属镉。

2.根据权利要求1所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：所述油料作物为油用牡丹；优选的，所述油用牡丹的品种为凤丹。

3.根据权利要求1所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：步骤A中，所述油料作物的苗龄为2年，苗高不低于5.00cm，地径不低于0.40cm，根粗不低于0.60cm。

4.根据权利要求3所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：步骤A中，所述苗龄为2年的油料作物的苗高不低于9.00cm，地径不低于0.70cm，根粗不低于1.00cm。

5.根据权利要求1所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：步骤A中，所述起垄栽培的规格为：垄宽100cm，沟宽30～50cm，每垄两行配置，垄内株行距为30～50cm×60cm。

6.根据权利要求5所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：所述起垄栽培的规格为：垄宽100cm，沟宽30cm，每垄两行配置，垄内株行距30cm×60cm。

7.根据权利要求1所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：步骤B中，所述适宜的栽培管理措施具体为：

除草：苗木栽培前期，及时中耕除草；

施肥：栽培第一年不追肥，第二年开春时追施速效肥，氮磷钾比例为2：2：1，亩施40～60kg，入冬时亩施40～60kg长效复合肥，第三年开花后增施速效复合肥10～15kg/亩或喷施0.3％磷酸二氢钾1次；

作物花期管理：苗龄两年的苗木花蕾全部摘除，苗龄三年的苗木保留部分花蕾结籽，苗龄四年及以后的苗木全部留花结籽。

8.根据权利要求1所述的基于油料作物的镉污染农田安全利用方法，其特征在于：还包括以下步骤：油料作物栽培后2年内，田内尚未形成郁闭，可间作栽培玉米、药材等以充分利用土地。

9.油料作物在修复镉污染农田中的用途。

10.根据权利要求9所述的油料作物在修复镉污染农田中的用途，其特征在于：所述油料作物为油用牡丹，其品种为凤丹。