CN110052485B

CN110052485B - 一种间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法

Info

Publication number: CN110052485B
Application number: CN201910305747.0A
Authority: CN
Inventors: 杨肖娥; 陆敏; 曹雪蕊; 王小子; 杨倩颖
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2039-04-16
Also published as: CN110052485A

Abstract

本发明公开了一种利用油菜‑东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法，该方法包括：将育苗后的油菜移栽至待修复土壤中，分别在油菜的抽薹期和开花期，向油菜根部区域的土壤中施加重金属活化剂；将东南景天幼苗移栽至待修复的镉中轻度污染农田土壤中，进行间套作栽培管理；在东南景天的苗期和快速生长期，向东南景天的叶片上喷施强化修复剂；收获油菜植株和东南景天植株。本发明采用油菜和东南景天进行间套作，并配合重金属活化剂和强化修复剂的施用，显著提高了油菜和东南景天对待修复土壤中镉的吸收量，进一步提高了镉中轻度污染农田土壤的修改效果。

Description

一种间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法

技术领域

本发明涉及土壤重金属污染植物修复技术领域，尤其涉及一种利用油菜-东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法。

背景技术

植物修复是一种在技术和经济上都有着独特优势的方法，是解决土壤重金属污染问题的一个很有前景的修复技术。但修复技术也有一定的局限性，比如修复周期较长，效果缓慢等。现阶段主要有三种途径来提高其对污染土壤净化效率：其一是筛选理想的镉高富集作物；其二是利用现代分子工程技术重构植物以提高其对土壤重金属的富集及耐受能力，进而增强其对污染土壤修复能力；其三是外源添加促生菌或其它强化措施来增强植物提取重金属的能力。

目前，公认超积累镉的植物如东南景天、十字花科的遏蓝菜属，都有生长缓慢、植株矮小、地上部生物量小等缺点，应用受到很大限制。近几年发现印度芥菜对镉有一定的忍耐和积累能力，而且生物量较大，吸镉总量大，高于十字花科的遏蓝菜属。但是，印度芥菜有很强的地域性，我国很难大面积种植；从长期研究中发现印度芥菜所在的十字花科芸苔属植物中有很多种类或品种具有上述特性。

油菜是中国主要农作物之一，其中芥菜型油菜和印度芥菜是同属同种植物，又有研究表明某些油菜在修复镉污染土壤的能力有可能超过印度芥菜，因此筛选这些中国油菜种质资源有很好的应用前景。

研究人员认为，选择合适的植物，建立有效的间套作修复模式，是提高污染土地利用率的一种方法。在实际应用中，可以选择一些低累积作物，与超积累植物、富集植物间作，达到有效修复污染土壤，同时又能收获符合国家卫生标准的农产品的目的。不少研究者已成功地将此技术运用于重金属以及有机污染土壤的修复中，如豌豆和大麦混作，豌豆地上部的镉、铅、锌、铜和铁的浓度分别是单作的1.4、1.8、1.4、1.5和1.3倍，混作处理中，大麦的根系分泌物可以活化土壤中的重金属进而促进豌豆对重金属的吸收；镉超富集植物甘蓝型油菜与玉米间作，油菜地上部分镉浓度和镉累积量显著增多，这体现了间作技术应用于修复镉污染土壤的前景和潜力。

植物促生菌可以促进植物的生长，提高植物修复的效率。有关细菌强化重金属超积累/富集植物提取重金属的研究已经有大量的文献报道，国内的研究者也撰写了大量的综述阐述细菌强化植物提取的原理、应用和前景。

因此，结合以上三种强化措施，即正确筛选镉高富集油菜品种，并将其与超积累/富集植物进行间套作，辅助以有效的强化措施，可以在提高富集油菜地上部和超积累/富集植物吸收和积累重金属的同时，保证富集油菜可食部位重金属含量不超标，从而可以在保障作物的安全生产的同时完成土壤的植物修复。

发明内容

本发明提供了一种利用油菜-东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法，该方法能够在保障作物安全生产的前提下，完成镉污染土壤的植物修复，修复效果显著，实现了边生产边修复的目的。

具体技术方案如下：

一种利用油菜-东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法，包括：

(1)在第一年度的秋季，对待修复的镉中轻度污染农田土壤依次进行除草、施用基肥、翻耕、整地和起垄，将育苗后的油菜移栽至待修复土壤中，进行栽培管理；

(2)分别在油菜的抽薹期和开花期，向油菜根部区域的土壤中施加重金属活化剂；

所述重金属活化剂的主要成分为内生菌I的发酵液，所述内生菌I为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)SAN1，保藏编号为CGMCC No.7295；

(3)在第二年度的春季，将东南景天幼苗移栽至待修复的镉中轻度污染农田土壤中，进行油菜和东南景天的间套作栽培管理；

(4)在东南景天的苗期和快速生长期，向东南景天的叶片上喷施强化修复剂；

所述强化修复剂的主要成分为内生菌II的发酵液，所述内生菌II为乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)Sasm3CGMCC NO.7334；

(5)在第二年度的5～6月，收获油菜植株和东南景天植株。

本发明的创新点在于，采用油菜和东南景天进行间套作，并配合重金属活化剂和强化修复剂的施用，显著提高了油菜和东南景天对待修复土壤中镉的吸收量，进一步提高了镉中轻度污染农田土壤的修改效果。

本发明对于油菜品种的类型进行了大量筛选，发现不同油菜品种在与东南景天间套作后对待修复土壤中镉的吸收量存在差异；作为优选，步骤 (1)中，所述油菜的品种为绿生1号。

进一步地，所述的镉中度污染农田土壤中，镉含量为0.3～0.9mg/kg。

进一步地，步骤(1)中，所述基肥为N:P:K质量比为15:15:15 的复合肥，施用量为50kg/亩。

进一步地，步骤(1)和步骤(3)中，油菜和东南景天采用垄沟种植模式；

其中，相邻两行油菜之间的行距为30～40cm，株距为15～30cm，每 2～3行油菜形成一个油菜带；

相邻两行东南景天之间的行距为8～10cm，株距为8～10cm，每5-6 行东南景天形成一个东南景天带；

油菜行与东南景天行之间的行距为30～50cm。

进一步地，步骤(2)中，抽薹期时，重金属活化剂的施用量为1.5～2.5L/ 亩；开花期时，重金属活化剂的施用量为2.5～3.5L/亩。

进一步地，步骤(4)中，苗期时，强化修复剂的施用量为0.5～1.5L/ 亩；快速生长期时，每月喷施一次强化修复剂，每次施用量为1.5～2.5L/ 亩。适宜在阳光不强的早晨、傍晚喷施强化修复剂，均匀喷于叶片的正反面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用油菜和东南景天进行间套作，并配合重金属活化剂和强化修复剂的施用，显著提高了油菜和东南景天对待修复土壤中镉的吸收量，进一步提高了镉中轻度污染农田土壤的修复效果。

(2)本发明通过试验研究发现，油菜和东南景天均能在重金属镉污染的土壤中正常生长，并且表现出较好的产量水平；同时，油菜和东南景天的地上部均表现出较强的重金属富集能力，并且收获后的油菜籽粒重金属镉含量远低于国家食品卫生安全标准的规定。

(3)本发明与传统的物理化学修复方法相比，成本低廉、技术简单、操作容易并且修复过程中不会产生二次污染，是一种环境友好的绿色原位修复技术，适合于推广应用。

(4)本发明一方面可以不中断中轻度重金属镉污染土壤的农业生产，同时不会改变待修复地区的农作物种植结构，很好地解决了中轻度重金属污染土壤的安全利用问题；另一方面收获的粮食均可以保证其安全性，使得中轻度重金属污染土壤在修复过程中产生一定的经济效益，同时可以降低土壤中重金属的有效性，并且逐步将重金属从土壤中移出。

附图说明

图1为实施例1中油菜单作、东南景天单作和油菜-东南景天间套作三种种植模式下油菜和东南景天产量的结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

下列实施例中涉及的重金属活化剂为水稀释后的内生菌I发酵液；该内生菌I为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)SAN1CGMCC No.7295；可购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。强化修复剂为水稀释后的内生菌 II发酵液；该内生菌II为乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus) Sasm3CGMCC NO.7334，可购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。本发明不涉及菌种的保藏。

内生菌I发酵液的制备方法为：将供试的内生菌I接种于无菌LB液体培养基中，于30℃、200转每分钟发酵罐条件下培养24h，后用无菌水稀释发酵液至OD值为1.0左右，制成浓度为1×10⁸CFU/mL的细菌悬浮液待用。培养基的组分为：胰蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，氯化钠10 g/L，PH 7.2，121℃灭菌20min。

内生菌II发酵液的制备方法为：将供试的内生菌II接种于无菌LB液体培养基中，于30℃、200转每分钟发酵罐条件下培养24h，后用无菌水稀释发酵液至OD值为1.0左右，制成浓度为1×10⁸CFU/mL的细菌悬浮液待用。培养基的组分为：胰蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，氯化钠10 g/L，PH 7.2，121℃灭菌20min。

实施例1

一、试验地点及土壤理化性质

以湖州市长兴县某重金属污染农田(试验点A)、衢州市衢江区某重金属污染农田(试验点B)以及宁波市宁海县某重金属污染农田(试验点 C)作为试验田。

各试验点土壤基本理化性质及重金属含量见表1。

表1各试验点土壤基本理化性质

二、试验步骤

(1)于第一年9月底，将油菜(绿生1号)种子播种在待修复土壤旁边的田块中，进行育苗；于第一年10月份，对待修复土壤喷施除草剂草甘膦，然后进行正常翻耕，整地，做垄沟；待油菜幼苗生长到4-5片真叶时，将油菜幼苗移栽至待修复土壤中；

翻耕和整地后施入基肥为复合肥(N:P:K＝15：15：15)，施用量为 50kg/亩，油菜采用垄沟种植，相邻两行油菜之间的行距为35cm，油菜之间的株距为20cm，每3行油菜形成一个油菜带。

(2)分别在油菜的抽薹期和开花期，向油菜根部区域的土壤中施加重金属活化剂；重金属活化剂为水稀释的内生菌I发酵液，内生菌I为巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)SAN1CGMCC No.7295；

现蕾抽薹期的施用量2L/亩；开花期的施用量3L/亩；1L内生菌I发酵液兑水至30L。

(3)东南景天幼苗采用扦插方法置于温室穴盘中进行繁殖育苗；于第二年3月初，将东南景天幼苗移栽至待修复土壤中；

东南景天采用垄沟种植，相邻两行东南景天之间的行距为9cm，株距为9cm，每5行东南景天形成一个东南景天带；

油菜行与东南景天行之间的行距为40cm。

(4)在东南景天的苗期和快速生长期，向东南景天的叶片上喷施强化修复剂；所述强化修复剂为水稀释的内生菌II发酵液，内生菌II为乙酸钙不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus)Sasm3CGMCC NO.7334；

苗期时，强化修复剂的施用量为1L/亩；快速生长期时，每月喷施一次强化修复剂，每次施用量为2L/亩。1L内生菌I发酵液兑水至30L；适宜在阳光不强的早晨、傍晚喷施，均匀喷于叶片的正反面。

(5)于第二年5月中旬，收获油菜和东南景天。将收回的油菜秸秆和东南景天，进行资源化利用。

设置三个处理，分别为：

(1)油菜-东南景天间套作：采用上述步骤(二)的方法进行种植；

(2)油菜单作：试验田块中仅种植油菜，油菜种植管理方法与步骤中(二)的方法一致；

(3)东南景天间单作：试验田块中仅种植东南景天，东南景天种植管理方法与步骤中(二)的方法一致。

三、土壤和植物中重金属含量的检测方法

土壤样品的采集：采样深度为0～20cm，采用五点取样法，获得混合土样。土壤样品取回后，将大土块敲碎，除去残根、杂物，铺成薄薄一层，置于阴凉无风、洁净无污染处自然风干。风干后的土样，用擀面杖压碎并磨细，过20目和100目的尼龙筛，用于土壤基本理化性质以及土壤重金属全量的测定。

修复前和修复后，对待修复土壤的土壤样品均进行采集。

植物样品的采集：作物成熟后，所有的植物样品先用自来水将残留在植株表面的泥土彻底清洗干净；再把植株体各个部位用剪刀分离开，油菜分为根、地上部和籽粒，东南景天分为根和地上部；用去离子水将分离好的植株各个部位清洗3遍，沥干水分后装入信封袋，放入烘箱中；先在 105℃杀青1个小时，然后调至65℃烘至恒重。烘好的植物样品，用万分之一天平称其干重并记录数据；然后用万能粉碎机将植物干样粉碎，采用 HNO₃/H₂O₂(5:1,v/v)消化，电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定镉的浓度。

四、试验结果分析：

结果如图1和表2、表3所示。

表2成熟期油菜各部位及东南景天的镉浓度

由图1可知，试点A中，油菜单作籽粒产量为2527.98kg/ha,东南景天单作产量(干重)为3024.84kg/ha，而在实施例1的修复模式中，油菜与东南景天间套作下，油菜籽粒产量为2798.24kg/ha，东南景天产量(干重)为3215.78kg/ha；在试点B中，油菜单作籽粒产量为2745.56kg/ha,东南景天单作产量(干重)为4298.17kg/ha，而在本修复模式中，油菜与东南景天间套作下，油菜籽粒产量为2966.63kg/ha，东南景天产量(干重) 为4360.65kg/ha；试点C中，油菜单作籽粒产量为2883.64kg/ha,东南景天单作产量(干重)为3252.32kg/ha，而在实施例1的修复模式中，油菜与东南景天间套作下，油菜籽粒产量为3000.35kg/ha，东南景天产量(干重)为3516.87kg/ha。

由表2可知，试点A中，油菜单作下籽粒Cd浓度为0.110mg/kg，地上部Cd浓度为0.728mg/kg，东南景天单作Cd浓度为42.483mg/kg，而在本修复模式中，油菜与东南景天间套作下，油菜籽粒Cd浓度为0.102 mg/kg，地上部Cd浓度为0.986mg/kg，东南景天Cd浓度为63.918mg/kg；在试点B中，油菜单作籽粒Cd浓度为0.176mg/kg，地上部Cd浓度为1.011 mg/kg，东南景天单作Cd浓度为157.315mg/kg，而在本修复模式中，油菜与东南景天间套作下，油菜籽粒Cd浓度为0.185mg/kg，地上部Cd浓度为0.951mg/kg，东南景天Cd浓度为176.827mg/kg；试点C中，油菜单作籽粒Cd浓度为0.185mg/kg，地上部Cd浓度为0.951mg/kg，东南景天单作Cd浓度为105.647mg/kg，而在本修复模式中，油菜与东南景天间套作下，油菜籽粒Cd浓度为0.053mg/kg，地上部Cd浓度为0.470mg/kg，东南景天Cd浓度为125.932mg/kg。

表3油菜-东南景天间套作种植模式对土壤镉修复效果分析表

由表3所知，本实施例1修复模式对浙北地区、浙西地区以及浙东地区镉轻度污染土壤的修复效果都比较明显。

其中，试点A，油菜单作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.460 mg/kg，修复后镉全量降低为0.394mg/kg，修复效率为14.3％；东南景天单作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.486mg/kg，修复后镉全量降低为0.387mg/kg，修复效率为20.3％；油菜与东南景天间套作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.501mg/kg，修复后镉全量降低为0.405 mg/kg，修复效率为19.2％。

试点B，油菜单作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.806mg/kg，修复后镉全量降低为0.696mg/kg，修复效率为13.6％；东南景天单作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.821mg/kg，修复后镉全量降低为0.647 mg/kg，修复效率为21.2％；油菜与东南景天间套作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.844mg/kg，修复后镉全量降低为0.680mg/kg，修复效率为19.4％。

试点C，油菜单作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.313mg/kg，修复后镉全量降低为0.245mg/kg，修复效率为14.8％；东南景天单作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.496mg/kg，修复后镉全量降低为0.394 mg/kg，修复效率为20.6％；油菜与东南景天间套作种植模式下，土壤镉全量的本底值为0.367mg/kg，修复后镉全量降低为0.298mg/kg，修复效率为18.8％。

实施例1修复模式下，三个试点的油菜籽粒镉含量分别为0.102mg/ kg，0.126mg/kg，0.053mg/kg，均低于国家食品卫生安全标准的规定(油菜籽粒＜0.2mg/kg)，表明实施例1修复模式可以在保障作物安全生产的同时完成浙北地区、浙西地区以及浙东地区镉轻度污染土壤的植物修复。

以上列举的仅是本发明的具体实例；本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形；本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用油菜-东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法，其特征在于，包括：

内生菌I发酵液的制备方法为：将供试的内生菌I接种于无菌LB液体培养基中，于30℃、200转每分钟发酵罐条件下培养24h，后用无菌水稀释发酵液至OD值为1.0左右，制成浓度为1×10⁸CFU/mL的细菌悬浮液；

抽薹期时，重金属活化剂的施用量为1.5～2.5L/亩，开花期时，重金属活化剂的施用量为2.5～3.5L/亩；

所述强化修复剂的主要成分为内生菌II的发酵液，所述内生菌II为乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)Sasm3 CGMCC NO.7334；

内生菌II发酵液的制备方法为：将供试的内生菌II接种于无菌LB液体培养基中，于30℃、200转每分钟发酵罐条件下培养24h，后用无菌水稀释发酵液至OD值为1.0左右，制成浓度为1×10⁸CFU/mL的细菌悬浮液；

苗期时，强化修复剂的施用量为0.5～1.5L/亩，快速生长期时，每月喷施一次强化修复剂，每次施用量为1.5～2.5L/亩；

(5)在第二年度的5～6月，收获油菜植株和东南景天植株；

所述油菜的品种为绿生1号。

2.如权利要求1所述的利用油菜-东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法，其特征在于，所述的镉中度污染农田土壤中，镉含量为0.3～0.9mg/kg。

3.如权利要求1所述的利用油菜-东南景天间套作强化提取修复镉中轻度污染农田的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，油菜和东南景天采用垄沟种植模式；

其中，相邻两行油菜之间的行距为30～40cm，株距为15～30cm，每2～3行油菜形成一个油菜带；

相邻两行东南景天之间的行距为8～10cm，株距为8～10cm，每5-6行东南景天形成一个东南景天带；

油菜行与东南景天行之间的行距为30～50cm。