CN110465545B

CN110465545B - 利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法

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Publication number: CN110465545B
Application number: CN201910797866.2A
Authority: CN
Inventors: 黎华寿; 康智明; 周梦雅; 秦俊豪; 李智鸣
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-08-27
Also published as: CN110465545A

Abstract

本发明公开了一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法。包括以下步骤：将南瓜和籽粒苋间作种植于受镉和砷污染的农田土壤中，南瓜和籽粒苋的间作株行数比例为1∶2～3；修复期间，田间保持湿润状态，土壤含水量保持在58％～80％；每公顷土壤施用复合肥250～550kg以及有机肥5500～7500kg；南瓜成熟后，同时收割南瓜和籽粒苋，收获南瓜果实；并将南瓜的根、茎、叶和籽粒苋全株移出稻田，进行卫生填埋或作为园林堆肥原料，从而将重金属移出农田。本发明南瓜可稳产或增产，且食用南瓜果实中镉砷含量均低于国家食品安全标准，同时也促进籽粒苋高效提取镉和砷，实现边生产边修复。

Description

利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法

技术领域

本发明属于重金属污染土壤治理技术领域。具体地，涉及一种利用低累积作物和高累积重金属植物间作种植技术，治理和修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法；更具体地，涉及一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法。

背景技术

随着我国工、农业的快速发展，大量的重金属镉、砷、铅等通过矿山开采、污泥农用、污水灌溉、大气沉降、雨水冲刷和地表径流等途径进入农田土壤环境中，危害农田土壤环境生态系统，对农产品的质量安全存在污染风险，人类身体健康也存在较大健康风险。现行的土壤污染修复技术主要有物理修复、化学修复和植物修复等，其中植物修复技术具有成本低廉、操作简单、可同步改善土壤环境质量等优点，但也存在超富集植物生物量较小、修复时间长等不足，限制了植物修复的推广应用。间作技术在农业生产中的应用历史悠久，此技术通过植物根系和地上部形态结构的互补作用能促进植物对土壤养分等的有效利用，进一步使植物的产量增加。用低累积作物和高累积植物间作，达到提高超富集植物的生物量以及对重金属的吸收效果。因而从生态适应性角度考虑水分、光照、热量(积温)和重金属对复合种植体系中植物的影响，按照生态位原理，利用植物多样性配置农田复合作物群落，强化重金属污染土壤修复，为实现“边修复边生产”提供了一条新途径。其中巧妙利用植物生态适应性与农田周年光温气候资源的对接，选择生态适宜的高积累(超富集)植物品种进行间套与轮作，特别是在农田不太适合主栽作物生物的条件下，轮作种植生长势强、生物量较大的高、低累积重金属的填闲作物，对提高修复效率并收获安全作物具有重要现实意义。

现有研究表明，一方面，不同作物的相互作用、不同群落构建、不同生境等均对污染物重金属镉的吸附作用不同，同时也在很大程度上影响作物的生长；另一方面，在不同的栽培方式下，土壤中水分含量和状态、pH值、有机质、氧化还原状况等均发生变化，从而影响重金属的生物有效性和迁移转化规律。因此，应根据不同的目的选择适当的植物形成间作种植模式，并对相关的农业措施如施肥、种植密度等进行研究，以期获得最佳的修复效果和经济收益。

籽粒苋(Amaranthus mangostanus L.)是一种生物量大且生产迅速的镉高富集一年生草本植物，是一种潜在的修复耕地镉污染的材料。南瓜(Pumpkin)是人们日常生活中经常食用的瓜类蔬菜，近年来更因其特殊的营养保健作用而倍受青睐，但目前对其镉的吸收积累特性研究较少，同时利用苋菜和南瓜间作修复耕地土壤重金属镉污染的研究尚未见报道。因此，如何在中低浓度镉砷复合污染的农田土壤中，实现低累积南瓜品种基本稳产，且南瓜果实中镉砷含量符合国家标准，并同时达到籽粒苋高效去除土壤重金属的目标，对保障我国粮食安全和人民健康具有重要意义。

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，提供一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法，旨在既能实现中低浓度镉砷复合污染农田土壤原位修复的同时，又能够保证南瓜稳产且其果实中镉砷含量符合国家标准，并提高籽粒苋去除土壤镉砷重金属的效率，保障农产品安全。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法，所述镉含量为0.35～0.85mg/kg，砷含量为54.20～132.00mg/kg；具体包括以下步骤：

S1.选择镉含量为0.35～0.85mg/kg、砷含量为54.20～132.00mg/kg的受镉砷复合污染的农田土壤，晾干土壤后，对农田土壤进行翻耕，将南瓜和籽粒苋采用直播或移栽种植方式进行栽培；

S2.将南瓜和籽粒苋间作种植于受镉和砷污染的农田土壤中，南瓜和籽粒苋的间作株行数比例为1∶2～3，即1行南瓜间作2～3行籽粒苋；

S3.南瓜成熟(优选播种110～120天)后，同时收割南瓜和籽粒苋，收获南瓜果实；并将南瓜的根、茎、叶和籽粒苋全株移出稻田，进行卫生填埋或作为园林堆肥原料，从而将重金属移出农田。

本发明尤其适用于养分较充分的园土和稻田轮作的边生产边修复。

本发明在镉砷复合污染农田将生长势强生物量较大的蔓生南瓜和直立生长的籽粒苋进行间作种植，利用南瓜和籽粒苋间作复合种植体系中分布广泛的发达根系与地表覆盖绿叶蒸腾作用，提高了植物修复的效率，使南瓜稳产或略有增产，南瓜果实中镉和砷含量远低于国家食品安全标准。在农田土壤镉和砷含量分别为0.45mg/kg和78.80mg/kg的实施典型案例中，南瓜与籽粒苋间作与常规南瓜单作、籽粒苋单作相比较，南瓜单株产量差异不显著，分别为2.40kg和2.42kg；而籽粒苋单株产量从0.15kg，增加至0.26kg，增产73.33％；南瓜果实中镉含量为0.003mg/kg，远低于0.05mg/kg国家标准；南瓜果实中砷含量未检出，远低于0.5mg/kg国家标准；同时通过将收割的含重金属较多的籽粒苋全株和南瓜根、茎、叶等植株移出农田，并进行卫生填埋或作为园林堆肥原料，可将植物提取的重金属镉和砷同时移出农田。本发明在中低浓度镉砷复合污染的冬季闲置农田中，间作种植南瓜和籽粒苋可达到边生产边修复效果，是一种绿色环保的镉砷复合污染修复技术，可以保证国家粮食安全和人民生命安全，具备一定的推广价值。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤S1中，所述翻耕的深度为15～20cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，南瓜的株距为90～100cm，行距90～100cm；籽粒苋的株距为20～30cm，行距为20～30cm。如此，能够较好地促进南瓜和籽粒苋的生长，相互不影响，使籽粒苋高效富集镉和砷，同时南瓜增产或稳产、且南瓜果实中镉和砷富集量低。可以理解，间作种植的具体方式不限于此，可根据地形的需要进行调整。例如，所述南瓜的株距可以为90cm、91cm、92cm、93cm、94cm、95cm、96cm、97cm、98cm、99cm、100cm，所述南瓜的行距可以为90cm、91cm、92cm、93cm、94cm、95cm、96cm、97cm、98cm、99cm、100cm。所述籽粒苋的株距可以为20cm、21cm、22cm、23cm、24cm、25cm、26cm、27cm、28cm、29cm、30cm，所述籽粒苋的行距可以为20cm、21cm、22cm、23cm、24cm、25cm、26cm、27cm、28cm、29cm、30cm。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，每行南瓜与相邻的一行籽粒苋的间距为25～35cm。如此，既能够较好的促进籽粒苋高效富集镉和砷，同时也可避免南瓜和籽粒苋出现严重的养分竞争，南瓜和籽粒苋的生长状况均较好。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤S2修复期间，田间保持湿润状态，土壤含水量保持在58％～80％；每公顷土壤施用复合肥250～550kg以及有机肥5500～7500kg；按质量份数计算，所述复合肥中各有效成分的比例为N∶P2O5∶K2O＝12～16∶14～18∶11～16。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，土壤的含水量保持在60％～70％。在南瓜和籽粒苋的生长过程中，需要保证合适的水分，水分过多过少都不利于南瓜和籽粒苋的生长。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述南瓜和籽粒苋播种15～25天后进行定苗或移栽。

更进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述南瓜和籽粒苋播种20天后进行定苗或移栽。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，每公顷土壤施用所述复合肥300～500kg，有机肥6000～7000kg。通过施肥的优化使南瓜的生长更好。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，按质量份数计算，所述复合肥中各有效成分的比例为N∶P₂O₅∶K₂O＝15∶15∶15。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述南瓜的品种为香芋南瓜、丹红南瓜或粤蜜小南瓜等其他南瓜均可。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述籽粒苋的品种为美国籽粒苋。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述镉含量为0.45～0.75mg/kg，砷含量为78.80～128.00mg/kg。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、与镉污染农田土壤的传统治理方法相比，本发明充分利用热带地区周年的光热资源见缝插针进行轮作间种，也可在其它地区利用酷暑或初冬季不适合种植主栽作物较短暂的农田闲置季节，通过科学合理的间作种植生育期短、生长势强、生物量较大的镉砷低累积早熟中熟南瓜品种与镉砷高富集的籽粒苋品种，既能实现低累积南瓜品种基本稳产且果实镉砷含量符合国家标准，并同时达到籽粒苋高效去除土壤重金属的目标，对保障我国食品安全和人民健康具有重要意义。

2、本发明涉及的南瓜和籽粒苋间作，在不破坏农田生态环境和现有种植功能前提下，实现中低浓度镉砷复合污染农田土壤的原位修复，同时不影响正常的南瓜生产和农民创收。

3、本发明通过轮作间作填闲作物实现农田充分利用，达到土地资源和光热资源的有效利用，在修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的同时，避免了农田闲置抛荒和资源浪费。

4、本发明操作简单、成本低廉、农民认可程度高，不破坏土壤理化性质，无二次污染，是一种应用范围广、投入低、易操作的“边修复边生产技术”。

5、本发明解决了中低浓度镉砷复合污染农田土壤修复与农业生产两者难以兼顾的问题，具有良好的环境效益、经济效益和社会效益，具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明利用南瓜与籽粒苋间作修复镉砷复合污染农田土壤的种植情况。

图2为本发明利用南瓜与籽粒苋间作修复镉砷复合污染农田土壤的种植情况。

图3为本发明利用南瓜与籽粒苋间作修复镉砷复合污染农田土壤的种植情况。

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1一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法

如图1所示，在地处亚热带地区的韶关市翁源县塘心村的中低浓度镉砷复合污染稻田，进行南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染稻田土壤的试验。该地区受大宝山矿区矿山重金属污水长期影响成为镉砷复合污染土壤，经多点取样检测，试验田土壤镉含量为0.45mg/kg，砷含量为78.80mg/kg。试验田原为水稻田，2018年种植早稻，在早稻收获后于2018年7月清理稻草并晾干土壤后，对农田土壤进行翻耕，翻耕深度为15～20cm，整地成畦，疏通排水沟系统，然后于2018年8月开始试验，进行轮作南瓜与籽粒苋间作种植。

1、具体修复方法

主要包括以下步骤：

(1)大田直播定苗：南瓜和籽粒苋均通过挖穴直播定苗进行种植，其中南瓜每穴播3粒，定苗1株；籽粒苋每穴播20粒，定苗1～2株；

(2)间作农田中，相同条件下分为3个实验小区，分别同时进行南瓜单作、籽粒苋单作和南瓜-籽粒苋间作试验；其中，南瓜单作植株之间株距为90cm、行距100cm；籽粒苋单作植株之间株距为20cm、行距30cm；而南瓜-籽粒苋间作中，南瓜株距为90cm、南瓜行距100cm，籽粒苋株距为20cm、行距30cm，相邻南瓜株行间连栽间作2行的籽粒苋；

(3)修复期间，田间保持湿润状态，土壤含水量保持在60％～70％；该稻田土壤每公顷施用复合肥(N∶P₂O₅∶K₂O＝15∶15∶15)复合肥300kg，有机肥6000kg；

(4)南瓜播种110～120天后，同时收割南瓜和籽粒苋，收获南瓜果实，并将南瓜根、茎、叶和籽粒苋全株移出稻田，进行卫生填埋或作为园林堆肥原料，从而可将重金属移出稻田。

2、具体修复效果

对单作和间作的不同种植方式进行了作物生物量和产量的测产，并测定了收获时植株各部分的主要重金属含量。单作和间作的主要实验结果比较如表1、表2和表3。

表1不同种植模式下南瓜经济产量与籽粒苋生物量

表2南瓜和籽粒苋不同部位镉含量

注：所有数据均为均值±标准差(n＝3)，*表示不同种植方式间显著性差异(p<0.05)。下同。

表3南瓜和籽粒苋不同部位砷含量

注：“-”表示未检出。

由表1、表2和表3可知，本实施例在被镉砷复合污染的农田土壤中，将南瓜和籽粒苋采取间作的方式同时种植，南瓜可稳产或略有增产，果实含镉量(0.003mg/kg)和含砷量(未检出)均远低于国家食品安全标准(GB 2762-2017)，同时土地当量比(LER)为1.30，说明该间作系统具有较高的产量效益，即在中低浓度镉砷复合污染土壤中间作南瓜和籽粒苋可达到生产边修复效果。同时，在间作模式下镉和砷总提取量分别为2805mg/hm²和1385mg/hm²，以及间作系统镉重金属当量比(MRER)为1.52，砷重金属当量比(MRER)为1.22，说明该间作系统具有较高的重金属镉砷的提取修复效益，最后通过将收割的南瓜根、茎、叶和籽粒苋全株移出稻田，进行卫生填埋、作为园林堆肥原料或作为生物质能的原料，从而可将植物提取的重金属镉砷移出稻田。

实施例2一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法

如图2和图3所示，在地处亚热带地区的韶关市翁源县塘心村的中低浓度镉砷复合污染稻田，进行南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染稻田土壤的试验。该地区受大宝山矿区矿山重金属污水长期影响成为镉砷复合污染土壤，经多点取样检测，试验田土壤镉含量为0.75mg/kg，砷含量为128.0mg/kg。试验田原为水稻田，在早稻收获后，清理稻草并晾干土壤后，对农田土壤进行翻耕，翻耕深度为15～20cm，整地成畦，疏通排水沟系统，然后开始试验，进行轮作南瓜与籽粒苋间作种植。

1、具体修复方法

主要包括以下步骤：

(1)大田直播定苗：南瓜和籽粒苋均通过挖穴直播定苗进行种植，其中南瓜每穴播3粒，定苗1株；籽粒苋每穴播5-10粒，定苗1～2株；

(2)间作农田中，相同条件下分为3个实验小区，分别同时进行南瓜单作、籽粒苋单作和南瓜-籽粒苋间作试验；其中，南瓜单作植株之间株距为100cm、行距90cm；籽粒苋单作植株之间株距为30cm、行距20cm；而南瓜-籽粒苋间作中，南瓜株距为100cm、南瓜行距90cm，籽粒苋株距为30cm、行距20cm，相邻南瓜株行间连栽间作3行的籽粒苋；

(3)修复期间，田间保持湿润状态，土壤含水量保持在70％～80％；该稻田土壤每公顷施用复合肥(N∶P₂O₅∶K₂O＝12∶14∶11)复合肥500kg，有机肥7000kg；

(4)南瓜播种110～120天后，同时收割南瓜和籽粒苋，收获南瓜果实；并将南瓜根、茎、叶和籽粒苋全株移出稻田卫生填埋或作园林堆肥原料，从而将重金属移出稻田。

2、结果

修复后，南瓜可稳产或略增产约1％，果实含镉量(0.004mg/kg)和含砷量(未检出)均远低于国家食品安全标准(GB 2762-2017)，同时土地当量比(LER)为1.32；同时，在间作模式下镉和砷总提取量分别为2810mg/hm²和1389mg/hm²，以及间作系统镉重金属当量比(MRER)为1.55，砷重金属当量比(MRER)为1.26。

实施例3一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法

在地处亚热带地区的韶关市翁源县塘心村的中低浓度镉砷复合污染稻田，进行南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染稻田土壤的试验。该地区受大宝山矿区矿山重金属污水长期影响成为镉砷复合污染土壤，经多点取样检测，试验田土壤镉含量为0.85mg/kg，砷含量为132.0mg/kg。试验田原为水稻田，在早稻收获后，清理稻草并晾干土壤后，对农田土壤进行翻耕，翻耕深度为15～20cm，整地成畦，疏通排水沟系统，然后开始试验，进行轮作南瓜与籽粒苋间作种植。

1、具体修复方法

主要包括以下步骤：

(1)大田直播定苗：南瓜和籽粒苋均通过挖穴直播定苗进行种植，其中南瓜每穴播3粒，定苗1株；籽粒苋每穴播10粒，定苗1～2株；

(2)间作农田中，相同条件下分为3个实验小区，分别同时进行南瓜单作、籽粒苋单作和南瓜-籽粒苋间作试验；其中，南瓜单作植株之间株距为95cm、行距95cm；籽粒苋单作植株之间株距为25cm、行距25cm；而南瓜-籽粒苋间作中，南瓜株距为95cm、南瓜行距95cm，籽粒苋株距为25cm、行距25cm，相邻南瓜行间连载间作3行的籽粒苋；

(3)修复期间，田间保持湿润状态，土壤含水量保持在70％～80％；该稻田土壤每公顷施用复合肥(N∶P₂O₅∶K₂O＝15∶18∶16)复合肥300kg，有机肥6000kg；

2、结果

修复后，南瓜可稳产或略增产约0.8％，果实含镉量(0.005mg/kg)和含砷量(未检出)均远低于国家食品安全标准(GB 2762-2017)，本实施例在不破坏农田生态环境和现有种植功能前提下，实现中低浓度镉砷复合污染农田土壤的原位修复，同时不影响正常的南瓜生产和农民创收。

对比例1木薯与籽粒苋间作修复

在地处亚热带地区的韶关市仁化县董塘村的金属复合污染农田，进行木薯与籽粒苋间作修复重金属复合污染稻田土壤的试验。种植规格等操作管理同实施例1，仅是将南瓜换成高累积重金属的木薯。结果发现木薯与籽粒苋均是高秆的阳生作物，两者间作相互争光争肥现象严重，作物生物量和经济产量均比单作时下降，修复效果低于南瓜和籽粒苋。

对比例2水稻旱作与籽粒苋间种修复

在实施案例1的相同地点相邻地块的中低浓度镉砷复合污染稻田，进行了低累积水稻品种旱作与籽粒苋间作同步修复中低浓度镉砷复合污染稻田土壤的试验。种植品种为低累积水稻品种株两优75、美国籽粒苋，两种作物的株行距规格为株距20cm与行距25cm，按水稻与籽粒苋间作行比例为4：2的比例进行，栽培过程中控制田间为湿润的符合水稻旱作栽培条件，其它条件按常规作物栽培要求。结果发现由于水稻喜湿润水分条件而籽粒苋喜欢干旱透气的土壤条件，在水稻旱作与籽粒苋间种修复的体系中，尽管两种作物都能生长，但与常规种植的水田水稻及旱地籽粒苋比较，生物量和经济产量下降十分明显，提取修复重金属的效果低于南瓜和籽粒苋间作模式。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用南瓜与籽粒苋间作修复中低浓度镉砷复合污染农田土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3.南瓜成熟后，同时收割南瓜和籽粒苋，收获南瓜果实；并将南瓜的根、茎、叶和籽粒苋全株移出稻田，进行卫生填埋或作为园林堆肥原料，从而将重金属移出农田；

南瓜的株距为90～100cm，行距90～100cm；籽粒苋的株距为20～30cm，行距为20～30cm；

每行南瓜与相邻的一行籽粒苋的间距为25～35cm；

步骤S2修复期间，田间保持湿润状态，土壤含水量保持在58％～80％；每公顷土壤施用复合肥250～550kg以及有机肥5500～7500kg；按质量份数计算，所述复合肥中各有效成分的比例为N∶P₂O₅∶K₂O＝12～16∶14～18∶11～16。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土壤含水量保持在60％～70％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每公顷土壤施用所述复合肥300～500kg，有机肥6000～7000kg。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，按质量份数计算，所述复合肥中各有效成分的比例为N∶P₂O₅∶K₂O＝15∶15∶15。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述南瓜的品种为香芋南瓜、丹红南瓜或粤蜜小南瓜。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述籽粒苋的品种为重金属超富集植物品种美国籽粒苋。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镉含量为0.45～0.75mg/kg，砷含量为78.80～128.00mg/kg。