CN110434162A

CN110434162A - 一种利用杞柳修复镉污染土壤的方法

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Publication number: CN110434162A
Application number: CN201910830619.8A
Authority: CN
Inventors: 诸葛玉平; 尹泽润; 娄燕宏; 晁赢; 尚晓阳; 王会; 潘红; 杨全刚
Original assignee: Shandong Agricultural University
Current assignee: Shandong Agricultural University
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2039-09-04
Also published as: CN110434162B

Abstract

本发明公开了一种利用杞柳修复镉污染土壤的方法，本发明利用杞柳大青叶这一品种生长速率快、一年扦插多年收割的生长特性，通过土壤添加活性炭和喷施亚精胺协同施用的方式，促进杞柳在镉污染土壤的扦插繁殖及根系建成、提高杞柳对镉的转运富集能力，从而实现镉污染土壤的生态修复。明确了活性炭与亚精胺两种处理对镉胁迫下杞柳的影响，探明了亚精胺对于增强杞柳耐镉性和活性炭吸附固定土壤镉的效果。采用本发明收割后的杞柳柳条可作为柳编材料，在实现生态效益的同时，还可以创造一定的经济效益。

Description

一种利用杞柳修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，尤其涉及一种利用杞柳修复镉污染土壤的方法。

背景技术

随着工业的发展和农业现代化，土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重的环境问题。据统计，我国受重金属污染的耕地面积达10％，共约1.5亿亩，每年因重金属污染的粮食高达1200万吨，直接经济损失超过200亿元。镉是土壤中常见的有毒重金属，主要来源于汽车尾气、矿业的开采、冶炼、农药和化肥的过度施用等。镉是生物毒性最强的重金属元素之一，尽管镉不是植物必须的元素，但由于镉与很多二价金属离子如锌、铁、钙等具有一定的相似性，因此镉很容易被植物吸收，而一旦进入植物体，镉可能会替代许多酶的活性中心或与蛋白质中的巯基结合，从而改变生物大分子的结构，破坏植物体内酶系统，危害植物的生长，而且严重威胁人类的健康。例如长期食用镉污染的“镉米”会患骨痛症，引起高血压，并影响机体酶系统和生育力。同样，土壤中过量的镉不仅对植物生长严重影响，而且能通过生物富集作用累积于农作物或动物体内，从而给人类的健康带来很大威胁。

植物修复是近年来从生物修复中逐渐发展应用的一种利用绿色植物对土壤中特定重金属污染元素进行吸附、转移、清除的修复方式。植物修复可有效降低或消除土壤重金属污染的危害(封功能等,2008)。当前，被应用于土壤重金属污染修复的植物分为两种：(1)超富集植物；(2)对重金属污染具有较强耐受性和较高富集特性且生长迅速的高生物量植物。但当前发现的超富集植物多为一年生的草本植物，生物量较小。同时，当前的超富集植物修复技术主要为修复土壤污染实现生态效益，难以创造经济价值。因此，寻找兼具生态与经济效益的镉污染土壤植物修复材料则成为了当前的研究热点。其中，杞柳(Salixintegra)为柳属灌木，又名簸箕柳，灌木柳，俗称白柳条或柳条，是柳编织品的重要原料，具有适应性强、易繁殖、生长迅速等优点，在我国广泛栽培，具有重要的经济价值。其品种较多，比较优良的品种有一支笔、大红头、大青叶、绒柳等，其共同特点是萌发再生力很强、产量高、柳条柔韧、根系发达，是防风固沙，护坡固堤、防止水土流失的优良树种。

因此，探讨杞柳修复镉污染土壤的潜力，对于丰富用于植物修复的植物种类具有重要的意义。但是，在镉胁迫下，杞柳生长受到镉的抑制作用而影响其修复效果，同时，作为依靠扦插繁殖的植物，其根系建成是影响其扦插成活的重要因素。因此，研究如何增强杞柳苗扦插后的根系建成与构型，增强杞柳对镉胁迫的耐受性及富集特性，对挖掘杞柳修复镉污染土壤的潜力具有重要意义。而目前用于修复重金属污染土壤的杞柳品种多为微山湖、一支笔和大红头，使用大青叶进行修复重金属污染土壤的方法还未见报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明提供一种杞柳大青叶修复镉污染土壤的方法。在修复土壤的同时创造经济效益，实现一年扦插多年收割，通过土壤添加活性炭和喷施亚精胺协同施用的方式，促进杞柳在镉污染土壤的扦插繁殖及根系建成、提高杞柳对镉的转运富集能力，从而有效解决土壤被重金属污染的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种利用杞柳修复镉污染土壤的方法，包括以下步骤：

(1)向待修复的镉污染土壤中添加2.5～2.8t/hm²活性炭；平整翻耕镉污染土壤并施肥；

(2)3月下旬到4月中旬制备扦插条；扦插在步骤(1)处理后的土壤中，行距为15～25cm，株距为3～8cm，扦插深度为扦插条的70～80％；

(3)待步骤(2)扦插的柳条长出嫩叶后，配置0.8mmol·L^-1亚精胺溶液进行叶面喷施，喷施时间为6～8天，每天喷施一次，喷施量为4500L～5500L/hm²。

优选的，步骤(1)中，所述活性炭的添加量为2.65t/hm²；所述活性炭为煤质粉状活性炭。

优选的，步骤(1)中，所述肥料为有机肥和磷酸二铵；所述有机肥的添加量为60～75t/hm²；所述磷酸二铵的添加量为450～600kg/hm²。

优选的，步骤(2)中，所述扦插的杞柳品种为大青叶。

优选的，所述扦插条的制备方法为：剪取杞柳顶端柳条，去掉顶部嫩芽剪成平口，柳条下端剪成马蹄状斜口，剪好的柳条下端浸泡于水中2～3天，每天换水；在扦插前将柳条浸泡在生根粉溶液中12～24小时。

优选的，所述杞柳顶端柳条的长度为15～20cm；所述顶部嫩芽的长度为1～3cm；

优选的，所述马蹄斜口的长度为1～2cm，马蹄斜口的倾斜角度为40～50°。

优选的，所述生根粉溶液为ABT生根粉与水混合而成；所述生根粉溶液的浓度为40～60mg·Kg^-1；

更为优选的，所述生根粉溶液的浓度为50mg·Kg^-1。

优选的，步骤(3)中，所述嫩叶的长度为2～3cm。

优选的，所述方法还包括待柳条生长成熟之后，沿地面上部5～10cm剪下柳条，剩余部分继续浇水施肥，直至下次收割；将收割后的杞柳的木质部与表皮分开，对表皮、叶片进行镉的回收提取以及土壤修复完毕后对根系部分进行镉的回收提取，木质部用来作为柳编材料进行艺术品编制。

本发明的有益效果为：

(1)采用本发明的方法，用于镉污染土壤修复的杞柳可以一年扦插多年收割，省去每年种植的人力物力；

(2)本发明在杞柳收割后，可以用柳条编制工艺品，具有很大的经济价值；

(3)本发明通过施用活性炭和亚精胺协同作用来促进杞柳修复镉污染土壤，效果显著。

附图说明

图1为镉胁迫下各个时期不同处理的杞柳各器官镉分配。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过实施例与试验例，对本方案进行阐述。本发明实施例与试验例中所用的未进行具体说明试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。

实施例1：

(1)整地施肥：将要进行修复的地面进行平整翻耕，在翻耕土壤前，向土壤中添加活性炭2.65t/hm²。翻耕深度20cm，施用有机肥60t/hm²，磷酸二铵600kg/hm²。

(2)进行扦插：剪取大青叶顶端柳条17cm，去掉顶部嫩芽2cm剪成平口，柳条下端剪成40°马蹄状斜口，长度2cm，剪好的杞柳柳条下端浸泡于水中，可浸泡2天，每天换水。在扦插前浸泡在50mg·kg^-1的生根粉溶液中16小时。扦插在土壤中，保持行距20cm、株距5cm，扦插深度为柳条的70％，扦插时浇透水，保证杞柳根部水分充足。

(3)田间管理：在扦插柳苗之后，要注意清除田间杂草，同时根据土壤状况及时浇水。等待扦插完成，柳条长出嫩叶之后，配置0.8mmol·L^-1的亚精胺溶液进行叶面喷施，喷施量为4500L/hm²，连续喷施7天。

(4)收割：待柳条生长成熟之后，沿地面上部5cm剪下柳条，剩余部分继续浇水施肥，直至下次收割；将收割后的杞柳的木质部与表皮分开，对表皮、叶片进行镉的回收提取以及土壤修复完毕后对根系部分进行镉的回收提取，木质部用来作为柳编材料进行艺术品编制。

实施例2：

(1)整地施肥：将要进行修复的地面进行平整翻耕，在翻耕土壤前，向土壤中添加活性炭2.65t/hm²。翻耕深度20cm，施用有机肥75t/hm²，磷酸二铵450kg/hm²。

(2)进行扦插：剪取大青叶顶端柳条17cm，去掉顶部嫩芽2cm剪成平口，柳条下端剪成50°马蹄状斜口，长度2cm，剪好的杞柳柳条下端浸泡于水中，可浸泡3天，每天换水。在扦插前浸泡在50mg·kg^-1的生根粉溶液中24小时。扦插在土壤中，保持行距20cm、株距5cm，扦插深度为柳条的75％，扦插时浇透水，保证杞柳根部水分充足。

(4)收割：待柳条生长成熟之后，沿地面上部10cm剪下柳条，剩余部分继续浇水施肥，直至下次收割；将收割后的杞柳的木质部与表皮分开，对表皮、叶片进行镉的回收提取以及土壤修复完毕后对根系部分进行镉的回收提取，木质部用来作为柳编材料进行艺术品编制。

试验例

1)试验地点与时间

供试土壤为棕壤，取自山东农业大学资源与环境学院实验站，土壤pH值(水土比2.5:1)为7.45，有机质含量19.42g·kg^-1，全氮1.08g·kg^-1，碱解氮92.37mg·kg^-1，有效磷35.85mg·kg^-1，速效钾109.71mg·kg^-1，镉含量0.15mg·kg^-1。通过添加CdCl₂(分析纯)模拟土壤镉污染，根据前期预试验结果，使土壤Cd²⁺浓度为24.50mg·kg^-1并混匀，平衡14天后用于试验。

2)试验设计

采用盆栽试验，单独使用活性炭和亚精胺、协同使用亚精胺与活性炭，亚精胺与活性炭施用量见表1，将活性炭与土壤充分混匀后，选取长势一致的杞柳苗栽入盆中，每棵杞柳每天喷施5mL亚精胺溶液，连续喷施7天，对照处理喷施清水，处理结束后每天继续浇水保证杞柳生长，共培养90天，分别于30天，60天，90天时取出植株与土壤样品进行检测，收集根系上附着的土壤，然后清洗植株根系，浸泡于20mmol·L^-1EDTANa溶液中30分钟，用双蒸水洗净以去除螯合附着在根系表面的Cd²⁺，洗净后的样品用于检测生物量等各项指标。根系上收集的土壤风干后，研磨过0.23mm筛，测定其中Cd含量。

活性炭用量说明：本发明在大田试验中活性炭的添加量为2.65t/hm²，大田栽种杞柳大青叶时翻耕深度一般为20cm，土壤的平均容重为2.65g/cm³；由此换算出来每公斤土壤中活性炭的添加量为0.5g，即土壤中活性炭的添加浓度为0.5g/Kg。为了方便试验进行并获得合理的试验数据，本发明选用盆栽试验。由于盆栽土壤的面积非常小，如果活性炭按2.65t/hm²的用量添加进盆栽土壤，既不实际也不方便计算用量。所以采用称量盆栽土壤的重量，按照土壤中活性炭的添加浓度为0.5g/Kg来添加活性炭。

表1亚精胺与活性炭施用量

3)检测方法：

A)生物量及相对生长率的测定：

分别于处理开始前和处理结束后整株称重获取始末生物量，并计算相对生长率。处理结束整株称重后，把植株按照木质部、表皮、叶片、根系分别称重得到各部位生物量。

B)根系构型的测定：

把根系放入根系扫描仪EpsonV700的玻璃槽中，注入1cm深的去离子水使根系充分散开，必要时为避免根系重叠交叉使用镊子调整散开，扫描获取图像，将图像导入WinRHIZO根系分析系统中进行分析。

C)生理指标的测定：

准确称取0.1g叶片(根系)置于预冷处理的研钵中，用液氮研磨后，加入0.9mL生理盐水转移到离心管中，4℃离心10min，收集上清液用于生理指标的测定。

H₂O₂含量测定：采用过氧化氢检测试剂盒(A064-1)进行检测；

GSH含量测定：采用谷胱甘肽检测试剂盒(A006-1)进行检测；

产生超氧阴离子活力单位测定：采用抗超氧阴离子检测试剂盒(A052)进行检测；

SOD活力测定：采用超氧化物歧化酶测试盒(A001-2)进行检测。

以上所有试剂盒均购自中国南京建成生物工程研究所，所有操作均严格按照试剂盒说明书进行。

D)镉的相关试验参数的测定：

将根系、叶片、表皮、木质部分别置于105℃杀青30min，80℃烘干至恒重磨碎过筛。分别称取烘干样品(根系0.1g、叶片0.2g、表皮0.2g、木质部0.2g)置放于石墨坩埚中在马福炉490℃下灰化50min。将灰化好的材料，加入15mL混合酸(V(HClO₄):V(HNO₃)＝1:4)，转移至消煮管中消煮至澄清，定容至50mL容量瓶中待测。

土样采用湿法消解进行样品消煮。准确称取样品0.2～0.5g于50mL聚四氟乙烯坩埚中，用少量水润湿，加入10mL盐酸，放置一晚进行冷消化。在电热板上130℃加热1h。待土壤初步分解后，取下稍冷，加入5mL硝酸，5mL高氯酸，放在电热板上继续加热，15分钟后，加入3mL氢氟酸，加盖在220～260℃之间，加热1小时左右，开盖。加热至冒浓厚白烟，加盖，使黑色有机碳化物分解。至黑色有机碳化物分解后，开盖，驱赶酸至白色烟雾减少，杯内是透明可流动的膏状物。取下稍冷，用双蒸水冲洗坩埚和内壁，加1mL硝酸，利用余温温热至硝酸挥发尽。取下冷却后，将溶液转移至50mL容量瓶中，用水定容后，定量滤纸慢速过滤，转移至离心管待测。均用原子吸收仪测定溶液中镉浓度，计算各器官镉浓度、镉含量、镉富集总量、去除率、转移系数、富集系数。

去除率(％)＝植株吸收富集的Cd含量/处理前营养液(土壤)中的Cd含量×100％；

富集系数＝植株富集Cd浓度/营养液(土壤)中Cd浓度；

转移系数＝植株地上部Cd浓度/植株地下部Cd浓度。

4)结果分析

ⅰ)处理对杞柳生长的影响

通过杞柳不同时期的生物量(表2)可以看出，单独添加活性炭(AC)和亚精胺(SP)处理均显著大于对照处理(CK)，而AC处理的效果较SP处理要更好，由此可知，对于缓解杞柳所受镉胁迫，促进其生长作用受活性炭影响更大。同时添加活性炭与亚精胺协同处理(CS)，在不同时期杞柳的生物量均大于CK、AC和SP，可见对于缓解杞柳生长所受镉胁迫，CS处理具有更好的缓解效果。

表2不同时期各处理杞柳生物量

ⅱ)杞柳各器官对不同处理的响应

表3各时期不同处理杞柳各器官生物量

由表3可以看出，活性炭与亚精胺协同作用下，杞柳不同器官的生物量以叶片和根系最高，而叶片略高于根系。根据不同时期的生物量可以看出，CS处理要高于CK、SP和AC处理，对于缓解杞柳所受镉胁迫，CS处理更能促进杞柳各个器官的生长。

ⅲ)不同处理对镉胁迫下杞柳根系构型的影响

表4各时期不同处理的杞柳根系构型

由表4可以看出，所有根系构型指标在各个时期均在活性炭和亚精胺协同作用下产生上升。在30d时，AC处理下的分形维数、节点数、分叉数大于SP处理；而在60d时，AC处理的分形维数、连接数、节点数大于SP处理；到90d时，AC处理仅分形维数与连接数大于SP处理，节点数、根尖数、分叉数、交叉数则小于SP处理。由此可见，AC处理较SP处理对促进杞柳根系构型具有更好的效果。而CS处理在各个时期均显著大于AC、SP处理，说明CS处理更有利于杞柳根系生长发育。

ⅳ)不同处理对镉胁迫下杞柳生理活性的影响

由表5可知，AC、SP处理在30d、60d时显著降低了杞柳叶片中的H₂O₂含量，90d时AC、SP处理与CK对照差异不显著，但CS处理始终显著低于CK对照；同时AC、SP处理显著提高了30d、60d时杞柳叶片中谷胱甘肽含量，但90d时，SP处理显著大于AC与CK对照，且AC处理与CK对照无显著差异，而CS处理在30、60、90d时显著大于CK；CS与SP处理的产生超氧阴离子活力单位也受诱导显著降低，但AC处理在30d时与CK无显著差异，在60、90d时低于CK；30d与90d时，CS与SP处理的超氧化物歧化酶活性显著高于CK，但AC处理与CK始终无显著差异。以上数据表明CS处理对镉胁迫下杞柳生理活性的作用最佳。

表5各时期不同处理杞柳生理活性

V)不同措施对土壤镉污染修复的影响

协同处理显著增强了杞柳对镉污染土壤的修复能力，显著增加各个时期的转移系数与去除率(表5)，分别提高转移系数43.48％(30d)、106.12％(60d)、141.07％(90d)；且CS处理下的杞柳镉的富集系数在30d、60d时也大于CK对照；而在90d时，CS处理的去除率达到最高水平(4.10％)。

表6各时期不同处理杞柳富集特性

试验结果表明，协同处理下的杞柳生物量，较亚精胺处理与活性炭处理进一步提高，活性炭与亚精胺均可增加镉胁迫下杞柳的生物量，活性炭的作用机制在于固定土壤中的Cd²⁺，从而降低杞柳所受镉胁迫，增加其生物量；在同时使用两种物质时，活性炭因处理前直接添加进土壤中，首先吸附土壤Cd²⁺，降低了杞柳所处环境中的土壤镉浓度，因此施用亚精胺对提高杞柳生物量、促进根系构型的效果有所下降。尽管单独使用亚精胺处理下的富集系数、转运系数与去除率也较高，但由于镉胁迫对植物生长的抑制作用，降低了杞柳扦插存活与生长发育，影响了亚精胺处理的修复效果，不利于杞柳修复镉污染土壤的广泛应用，而协同处理在60d后的去除率始终最高，一方面由于亚精胺对杞柳生理活性的诱导作用，另一方面活性炭也有效促进了杞柳生长发育，提高杞柳的扦插存活生物量，促进了杞柳对镉污染土壤的修复效果。综上可知，协同处理更有利于镉污染土壤的修复。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims

1.一种利用杞柳修复镉污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)待步骤(2)扦插的柳条长出嫩叶后，配置0.8mmol/L亚精胺溶液进行叶面喷施，喷施时间为6～8天，每天喷施一次，喷施量为4500L～5500L/hm²。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述活性炭的添加量为2.65t/hm²；所述活性炭为煤质粉状活性炭。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述肥料为有机肥和磷酸二铵；所述有机肥的添加量为60～75t/hm²；所述磷酸二铵的添加量为450～600kg/hm²。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述扦插的杞柳品种为大青叶。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述扦插条的制备方法为：剪取杞柳顶端柳条，去掉顶部嫩芽剪成平口，柳条下端剪成马蹄状斜口，剪好的柳条下端浸泡于水中2～3天，每天换水；在扦插前将柳条浸泡在生根粉溶液中12～24小时。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述杞柳顶端柳条的长度为15～20cm；所述顶部嫩芽的长度为1～3cm。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述马蹄斜口的长度为1～2cm，马蹄斜口的倾斜角度为40～50°。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述生根粉溶液为ABT生根粉与水混合而成；所述生根粉溶液的浓度为40～60mg/Kg；优选的，所述生根粉溶液的浓度为50mg/Kg。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述嫩叶的长度为2～3cm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：待柳条生长成熟之后，沿地面上部5～10cm剪下柳条，剩余部分继续浇水施肥，直至下次收割；将收割后的杞柳的木质部与表皮分开，对表皮、叶片进行镉的回收提取；

或者，土壤修复完毕后对杞柳根系部分进行镉的回收提取，木质部用来作为柳编材料进行艺术品编制。