CN110624950A - 利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：⑴在镉全量为0.3~0.9 mg/kg、有效镉含量为0.1~0.4 mg/kg的粤东地区农田中，按10：1的面积比例将其划分为A、B两块农田，并在两块田之间构筑田埂；⑵在A农田中按照9寸×9寸的株距种植经过镉含量小于0.3 mg/kg的土壤进行育秧的百香139水稻；待水稻收获后，将地表秸秆清除，用旋转取样器将水稻根部土壤取出，放至B农田中；循环往复若干次，直到完全修复A农田；⑶在B农田中种植东南景天，循环往复若干次，直到完全修复B农田。本发明安全、高效，在修复土壤的同时给农民带来收益，实现了边生产边修复的目的，有效保障污染土壤修复和利用的可持续性。

Description

利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及土壤污染植物修复技术领域，尤其涉及利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

土壤是人类赖以生存的物质基础．然而，近年来经济社会的快速发展造成我国土壤镉污染问题十分严重，其主要来源于工业“三废”的排放以及农业上污水灌溉、污泥和化肥的不合理利用等。当前我国受重金属污染的耕地面积约2000×10⁴ hm²，每年受重金属污染的粮食多达1200×10⁴ t，经济损失至少达200×10⁸元。镉（Cd）是毒性最强的重金属元素之一，具有代谢难降解性和高积累性，极易被植物体吸收，导致在植物体内大量积累，并通过食物链进入人体，危害人类健康。因此如何利用或修复镉污染农田，实现对镉污染农田的可持续利用是当前亟需解决的问题。

农田重金属污染的修复技术一直是国内外研究的热点和难点。目前对农田土壤重金属污染修复技术主要包括物理、化学、生物、农业生态和联合修复技术等。虽然研究人员提出了不同的物理法、化学法、生物法和多种技术联合法等对镉污染农田进行修复和利用，但是由于物理法和化学法往往具有修复成本较高、对土壤植被破坏性较大、二次污染严重等问题，制约了其在大面积镉污染农田中的应用，因此，具有修复成本低、环境友好、无二次污染、对土壤结构不产生破坏等优点的植物修复技术受到了越来越多的重视。

虽然土壤改良剂能有效降低土壤中重金属的移动能力和生物有效性，减少作物对重金属的积累。但由于被钝化的重金属还留在土壤中，在一定的外界条件下会释放到土壤环境中，具有潜在风险。

应用于土壤修复的植物因其具有远超普通植物对重金属的吸收富集能力而被称为超富集植物，已经有研究的超富集植物有500多种，而Cd超富集植物已达到20余种。这些超富集植物虽然具有极强的重金属吸附能力，但因其各自的生物特性同样也具有不易种植与推广的劣势，在实际应用中受到一定程度的限制。

由于我国珠三角地区重金属污染农田主要以种植水稻为主，这些农田地势低洼，容易积水，众多超富集植物不适宜在这种情况下生长，限制了其修复重金属污染农田的能力。以东南景天为主的超累积作物主要应用于修复矿山重金属污染，在修复农田过程中由于受到镉胁迫较小，修复效率不高。同时，东南景天主要以无性繁殖为主，不具备推广优势。水稻是一种镉高积累作物，而关于水稻的研究集中于筛选稻米镉含量低、稳定性好的水稻品种，因此关于应用水稻作为高累积植物修复重金属农田的研究并不多见。

目前，对于污染面积大、修复成本高的镉污染农田，缺少切实可行的技术，并且关于镉污染农田的农民利益与食品安全的矛盾也没有合理的解决办法。因此，开展重金属污染农田的高效植物修复模式研究具有重要的科学价值和现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种安全、高效的利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法。

为解决上述问题，本发明所述的利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

⑴在镉全量为0.3~0.9 mg/kg、有效镉含量为0.1~0.4 mg/kg的粤东地区农田中，按10：1的面积比例将其划分为A、B两块农田，并在两块田之间构筑田埂；

⑵在所述A农田中按照9寸×9寸的株距种植经过镉含量小于0.3 mg/kg的土壤进行育秧的百香139水稻；待水稻收获后，将地表秸秆清除，用旋转取样器将水稻根部土壤取出，放至所述B农田中；循环往复若干次，直到完全修复所述A农田；

⑶在所述B农田中种植东南景天，循环往复若干次，直到完全修复所述B农田。

所述步骤⑴中田埂的宽度为0.4m，高度为0.3m，且田埂两侧用防渗膜隔离，深度为0.5 m。

所述步骤⑵中旋转取样器的内径为5 cm，取样深度为15 cm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明充分考虑两种植物在不同镉胁迫条件下富集能力的强弱，在农田中制造污染梯度，使两种植物的吸附能力大大提高，产生“1+1＞2”的效果，不但提高了植物修复效率，而且缩短了修复时间。

2、本发明中的水稻适宜在高温多雨的粤东地区生长，而从水稻田中挖出的土壤堆放至种植东南景天的田中，增加了该田中的土层厚度，使该田在雨季容易排水，进而避免东南景天因雨水过多而死亡。同时两块田之间的防渗膜可以防止因渗滤引起的土壤扩散带来的二次污染。因此，该梯度修复模式适合粤东地区及珠三角地区重金属污染土壤修复。

3、本发明所选用的百香139水稻在轻度及轻微镉污染农田（镉全量为0.3~0.9 mg/kg，有效镉含量为0.1~0.4 mg/kg）中具有高富集能力，在我国珠三角地区具有广泛的种植，当地农民具有丰富的水稻种植经验，东南景天也是植物修复技术中的主要镉吸附植物，因此该修复模式在珠三角地区容易推广，容易被大众接受，适用于大面积污染修复。

4、本发明应用吸附重金属能力强的水稻作为修复植物，来修复重金属污染农田，成熟的稻谷进入能源产业链，用于生产工业乙醇，不进入食物链，水稻秸秆用于垃圾焚烧发电。清除农田地表作物后，用旋转取样器将水稻根部土壤挖出，放至另一块田，因水稻根系的吸附作用，该土壤中重金属含量高，故采用东南景天作为吸附植物。东南景天生长期结束后，地上部分清除用于垃圾焚烧发电。

5、本发明采用“水稻+东南景天”梯度修复模式，在修复土壤的同时给农民带来收益，实现了边生产边修复的目的，有效保障污染土壤修复和利用的可持续性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的水稻根系图。

具体实施方式

利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

⑴在镉全量为0.3~0.9 mg/kg、有效镉含量为0.1~0.4 mg/kg的粤东地区农田中，按10：1的面积比例将其划分为A、B两块农田，并在两块田之间构筑田埂。田埂的宽度为0.4m，高度为0.3m，且田埂两侧用防渗膜隔离，深度为0.5 m，以避免两块田之间串水。

⑵在A农田中按照9寸×9寸的株距种植经过镉含量小于0.3 mg/kg的土壤进行育秧的百香139水稻，以便吸附农田表层土壤中的镉元素。水稻种植期间，最大限度地增加晒田的时间，可以增加水稻对镉的富集。待水稻收获后，将地表秸秆清除，用内径为5 cm、取样深度为15 cm的旋转取样器将水稻根部土壤取出，放至B农田中。循环往复若干次，直到完全修复A农田。

生长期间中可适量增加化肥来促进水稻生长，增加水稻的地上生物量和镉富集量。由于水稻生长周期为100天左右，在根部土壤中富集的重金属因水稻停止生长而未能进入植株及稻谷中，因此使用旋转取样器将水稻根部土壤取出，放至B农田。A农田种植水稻时株距为9×9（寸），以及旋转取样器内径为5cm，取样深度为15cm，充分考虑到水稻的根系分布特征。经过实际测量，水稻根系随土壤深度增加而减少，0~15cm集中了水稻95%以上根系（参见图1）。

⑶在B农田中种植东南景天，吸附农田中的镉元素。种植东南景天，浇水不宜过多，要尽量保持土壤的透气性。循环往复若干次，直到完全修复B农田。

该方法主要应用于轻微、轻度的重金属镉污染农田，中度及重度污染农田不建议应用。

应用实例

试验地点位于广东省汕头市潮阳区贵屿镇（东经116°14′40″-117°19′35″，北纬23°02′33″-23°38′50″），属亚热带海洋性气候。温和湿润，阳光充足，雨水充沛，无霜期长，受海洋性气候影响，夏季气温高而无酷暑，冬季时间短而无严寒。土壤以赤红壤为主，表层已经人工耕作熟化为水稻土。

从上世纪80年代末和90年代初，贵屿镇就开始拆解废旧电器。直到2012年，电子垃圾产业对贵屿镇造成的环境污染等问题开始受到官方重视。2013年，贵屿镇颁布《汕头市贵屿地区电子废物污染综合整治方案》并建立循环经济产业园，所有企业搬进集中处理场内或被取缔，集中处理场内将采取统一管理和统一治污。在此之前，重金属回收过程中产生大量的酸洗和残渣，直接排放至当地河流，造成河流严重污染，当地居民生活用水只能靠邻近区域供应，但是当地的农田土壤依赖于当地河流地表水进行灌溉。长期以来，该区域的农田土壤受到不同程度的污染。

根据当地农田中不同污染情况和水稻种植情况，采用五点取样法，对该污染区的土壤和水稻进行采样，带回试验室进行下一步处理和分析。

不同水稻对土壤中镉的吸附情况如表1所示，有效镉即能够被植物吸收利用的镉，三种水稻中的镉含量都超过国家标准值（0.2 mg/kg），即为“镉大米”，在土壤有效镉相近的情况下，三种水稻对有效镉的富集能力表现为百香139>深优9516>特优524。因此选用百香139作为“水稻+东南景天”梯度修复模式中的高累积水稻。

表1 不同水稻对土壤中镉的富集情况

表2 百香139在不同镉污染情况下的富集情况

百香139在不同镉污染情况下的富集情况如表2所示，同一种水稻在不同污染情况下的富集情况存在显著差异，表现为轻微污染>轻度污染>中度污染>重度污染，因此“水稻+东南景天”梯度修复模式应用于轻微和轻度镉污染农田中具有高修复效率，不建议用于中度和重度污染的农田。

修复效率计算：

在轻度及轻微污染农田中，百香139水稻对有效镉的富集系数大约为2.1~3.4，土壤全镉含量为0.3~0.9 mg/kg，有效镉的含量为0.15~0.5 mg/kg，重金属主要集中在土壤表层0~0.2 m深度，每亩农田0~0.2 m土壤的质量约为150吨，其中有效镉含量约为15~75 g。水稻稻谷中镉含量为0.32~1.70 mg/kg，每季每亩稻谷产量约为500kg，则每亩稻谷中可富集0.16~0.85g镉，水稻收获期地上部分吸收的镉分布表现为：茎叶占90%，稻谷占10%（王一志，湘中稻田土壤镉有效性及水稻镉积累的影响因素初步研究[D]. 湖南师范大学,2017），每亩水稻地上部分可富集1.6~8.5g镉；水稻根系镉含量为地上部分的100倍（朱智伟, 陈铭学, 牟仁祥. 水稻镉代谢与控制研究进展[J]. 中国农业科学, 2014, 47(18):3633-3640.），而水稻根系质量约为稻谷的10%左右（蔡昆争, 骆世明, 段舜山. 水稻根系的空间分布及其与产量的关系[J]. 华南农业大学学报, 2003, 24(3):1-4.），每亩水稻地下部分可富集16~85g镉。理论上使用该方法，一季水稻即可将农田有效镉完全吸完，因考虑诸多不确定因素，如天气、灌溉水等，为了确保水稻将农田中的镉吸收完，水稻种植需要四季。

Claims (3)

1.利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

⑴在镉全量为0.3~0.9 mg/kg、有效镉含量为0.1~0.4 mg/kg的粤东地区农田中，按10：1的面积比例将其划分为A、B两块农田，并在两块田之间构筑田埂；

⑵在所述A农田中按照9寸×9寸的株距种植经过镉含量小于0.3 mg/kg的土壤进行育秧的百香139水稻；待水稻收获后，将地表秸秆清除，用旋转取样器将水稻根部土壤取出，放至所述B农田中；循环往复若干次，直到完全修复所述A农田；

⑶在所述B农田中种植东南景天，循环往复若干次，直到完全修复所述B农田。

2.如权利要求1所述的利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤⑴中田埂的宽度为0.4m，高度为0.3m，且田埂两侧用防渗膜隔离，深度为0.5 m。

3.如权利要求1所述的利用水稻和东南景天吸附梯度修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤⑵中旋转取样器的内径为5 cm，取样深度为15 cm。