CN111408618B - 一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土壤修复技术领域，提出了一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，包括A、用浸种液浸泡龙葵种子；B、采用间作的方式播种玉米种子和龙葵种子，龙葵开花后，对玉米和龙葵施用强化肥；C、玉米的籽粒成熟后，同时收获玉米和龙葵；所述的浸种液包括质量组分比为3：(0.5‑1)：(1.5‑2.8)：2：10：(45‑70)的普鲁兰多糖、植酸酶、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水。本发明解决了龙葵生物量不大，对于土壤中重金属污染物的吸收效率不够高，和玉米间作时，不能保证玉米的品质和经济效益的问题。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，涉及一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方 法。
背景技术
植物修复作为一种新型环保修复技术，具有费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水 的二次污染、能起到美化环境的作用、易于为社会所以所接受等优点。但由于植物修复技术 还存在缺点，导致至今仍难以得到广泛地应用，主要包括：一是植物修复周期较长，修复效 率低。植物修复的效果和速度决定于单位面积的生物产量和地上部的重金属浓度，超富集植 物虽然富集能力较强但一般都具有生物量较小、生长缓慢等特点，而高生物量的植物虽然地 上部生物量较大但体内的重金属浓度并不高，所以导致修复效率低；二是植物修复经济效益 低。由于大部分修复植物不能进入食物链，又不能生产经济价值较高的重金属，因此污染土 地不能产生经济效益，而且修复后植物的处置还需要大量的投入，严重制约了其推广和应用。
龙葵(Solanumnigrum L.)是一种常见的农田杂草，具有较强的抗逆境能力，较强的争光、 争水和争肥的能力，营养生长迅速、繁殖能力强。现在的研究表明，龙葵对镉具有较强的吸 收能力，可以作为超积累植物用于对镉污染农田的植物修复。但是现有的采用龙葵修复镉污 染土壤的技术种植工艺复杂，投入的人力物力较高，同时采用龙葵与其他作物间作，也难以 确保粮食安全生产，保证一定的粮食产量，满足农户对经济效益的需求。
发明内容
本发明提出一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，解决了龙葵生物量不 大，对于土壤中重金属污染物的吸收效率不够高，和玉米间作时，不能保证玉米的品质和经 济效益的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法， 包括如下步骤：
A、用浸种液浸泡龙葵种子；
B、采用间作的方式播种玉米种子和龙葵种子，龙葵开花后，对玉米和龙葵施用强化肥；
C、玉米的籽粒成熟后，同时收获玉米和龙葵；
所述的浸种液包括质量组分比为3：(0.5-1)：(1.5-2.8)：2：10：(45-70)的普鲁兰多糖、 植酸酶、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水。
进一步地，所述的步骤C收获玉米和龙葵后，将收获的龙葵收集焚烧或填埋处理。
进一步地，所述的步骤B播种前，对土地进行整地，每亩施三元素复合肥40-50kg作底 肥，耕翻25～35cm。
进一步地，所述的步骤A浸泡的温度为23-28℃，浸泡时间5-12h。
进一步地，所述的间作包括如下步骤：首先种植玉米，玉米预留行宽为70-90cm，玉米 株距为20-30cm，待玉米出苗5-10天后即进行龙葵播种。
进一步地，所述的龙葵播种采用穴播的方式进行种植，穴距为20-30cm，每穴留苗1-3 株。
进一步地，所述的强化肥包括质量组分比为(10-15)：7：(0.1-0.5)：(0.5-1)：15：20的 植酸、羟基乙酸、硫酸锰、钼酸铵、牛粪、草木灰。
进一步地，所述的强化肥施用量为10-20kg/亩。
进一步地，按质量份数计，所述的三元素复合肥中氮元素、磷元素、钾元素的摩尔比为 1：0.3：1.5。
本发明的工作原理及有益效果为：通过采用玉米和龙葵间作的方式实现边生产边修复镉 污染土壤，通过对龙葵种子的浸泡处理和开花期时对作物施用强化肥，可显著提高龙葵吸收 镉的效率，增大生物量，降低玉米中的镉含量。
1、本发明中，植酸酶与普鲁兰多糖、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙之间协同，共同减弱了镉 对种子生长的胁迫，促进龙葵种子尽快萌发，提高发芽率，健康生长。
2、本发明中，硫酸锰和钼酸铵单独使用不如两者结合起来使用好，两者结合起来提高了 龙葵对镉的吸收效率，减少镉在龙葵茎秆中的沉积分布，从而有效阻断了镉离子向玉米籽粒 运动。
3、本发明中，经过试验发现，包含赤霉素的浸泡液浸泡处理龙葵种子后，提高了强化肥 中的硫酸锰的利用率，进而提高龙葵对镉的吸收效率，经检测，实施例1龙葵籽粒中隔含量 为0.5mg/kg，对比试验5中龙葵籽粒含量为0.1mg/kg，实施例1龙葵籽粒提取率为对比试验 3籽粒提取率的5倍。
4、强化肥中，植酸具有螯合金属离子的作用，将植物所需的元素钙、钴、钼携带到植物 体内，提高植物对养分的利用率，试验发现，当硫酸锰、钼酸铵的质量比不在1：(1-5)范围 内，随着硫酸锰含量的提高，玉米中的镉含量提高，只有在硫酸锰的含量和钼酸铵的含量相 同，或者硫酸锰的含量比钼酸铵的含量低时，玉米中的镉含量才会有效降低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明玉米和龙葵间作修复土壤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。
本发明下述实施例田间试验在冀北山区矿区周边镉污染农田进行，该地区主要种植作物 品种为谷子，周边农户种植谷子平均亩产为175-200kg，谷子中镉的平均含量可达0.754mg/kg， 超过食品相关标准3倍，对当地群众的身体健康造成严重危险。该地区矿产资源丰富，矿区 周边耕地土壤重金属镉污染严重，属于暖温带大陆性季风气候，多年平均气温为9.4℃，多年 平均降雨量为662.5mm，年平均日照时数2825小时，无霜期164.6天。其中下述三元素复合 肥中氮元素、磷元素、钾元素的摩尔比为1：0.3：1.5，氮元素采用尿素，磷元素采用磷酸钙， 钾元素采用氯化钾。
该地土壤为棕壤砂土，土壤的理化性质见表1，其中玉米选用品种明玉2号(由葫芦岛 市龙湾新区明玉科研所选育的高产品种)，全生育期131天；龙葵为野生龙葵。
表1供试土壤的理化性质
实施例1
选取0.5亩耕地作为示范田，做三次重复试验，首先于温度25℃，用浸种液浸泡龙葵种 子，8h后取出晾干；浸种液由质量组分比为3：0.8：2：2：10：60的普鲁兰多糖、植酸酶、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水直接混合得到；
播种前，对土地进行整地，每亩施三元素复合肥45kg作底肥，耕翻30cm；
播种时，首先种植玉米，玉米预留行宽为80cm，玉米株距为25cm，待玉米出苗8天后即进行龙葵播种，龙葵播种采用穴播的方式进行种植，穴距为25cm，每穴留苗2株；
野生龙葵开花后，对玉米和野生龙葵施用15kg/亩强化肥，所述的强化肥包括质量组分比 为12：7：0.4：0.8：15：20的植酸、羟基乙酸、硫酸锰、钼酸铵、牛粪、草木灰；期间的田间管理保持土壤含水量为田间最大持水量的55％，生长期间依照当地正常的田间管理，及时 中耕除草、间苗；
玉米籽粒成熟后，同时收获玉米和龙葵；将收获的龙葵植株茎、叶、果实收集焚烧或填 埋。
同时实施例1试验设置7个对比处理，每个对比处理重复3次：
对比试验1：与上述实施例1的区别在于种子浸泡液的组成：质量组分比为3：2：2：10： 60的普鲁兰多糖、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水，其他田间处理操作均相同。
对比试验2：与上述实施例1的区别在于种子浸泡液的组成：质量组分比为0.8：60的植 酸酶、无菌水，其他田间处理操作均相同。
对比试验3：与上述实施例1的区别在于强化肥的组成：质量组分比为12：7：0.8：15： 20的植酸、羟基乙酸、钼酸铵、牛粪、草木灰，其他田间处理操作均相同。
对比试验4：与上述实施例1的区别在于强化肥的组成：质量组分比为12：7：0.4：15： 20的植酸、羟基乙酸、硫酸锰、牛粪、草木灰，其他田间处理操作均相同。
对比试验5：与上述实施例1的区别在于种子浸泡液的组成：质量组分比为3：0.8：2： 10：60的普鲁兰多糖、植酸酶、碳酸钠、硝酸钙、无菌水，强化肥的组成：质量组分比为12：7：0.8：15：20的植酸、羟基乙酸、钼酸铵、牛粪、草木灰，其他田间处理操作均相同。
对比试验6：与上述实施例1的区别在于强化肥的组成：质量组分比为12：7：1：0.8：15：20的植酸、羟基乙酸、硫酸锰、钼酸铵、牛粪、草木灰，其他田间处理操作均相同。
对比试验7：将玉米种子和野生龙葵种子直接同时种于污染土壤中，玉米种植密度为2 株/m2，野生龙葵种植密度为8株/m2；待玉米种子长出3-5片真叶后按2株/m2进行间苗，野 生龙葵种子播种后待长出4片真叶后按8株/m2进行间苗；根据土壤缺水情况，定期浇自来水， 生长期间每1-2天进行浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70％；尿素后期分两次追加， 分别在玉米拔节期和大喇叭口期施加，两次的施加量均为0.05g N/kg，植保措施与当地正常 生产一致，玉米、野生龙葵同时收获，生长期满收获两种植物的地上、地下部分。
实施例2
选取0.5亩耕地作为示范田，做三次重复试验，首先于温度23℃，用浸种液浸泡龙葵种 子，12h后取出晾干；所述的浸种液由质量组分比为3：0.5：2.8：2：10：45的普鲁兰多糖、 植酸酶、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水直接混合得到；
播种前，对土地进行整地，每亩施三元素复合肥50kg作底肥，耕翻25cm；
播种时，首先种植玉米，玉米预留行宽为70cm，玉米株距为30cm，待玉米出苗5天后即进行龙葵播种，龙葵播种采用穴播的方式进行种植，穴距为30cm，每穴留苗1株；
野生龙葵开花后，对玉米和野生龙葵施用20kg/亩强化肥，所述的强化肥包括质量组分比 为10：7：0.5：0.5：15：20的植酸、羟基乙酸、硫酸锰、钼酸铵、牛粪、草木灰；期间的田间管理保持土壤含水量为田间最大持水量的60％，及时中耕除草、间苗；
玉米籽粒成熟后，同时收获玉米和龙葵；将收获的龙葵植株茎、叶、果实收集焚烧或填 埋。
实施例3
选取0.5亩耕地作为示范田，做三次重复试验，首先于温度28℃，用浸种液浸泡龙葵种 子，5h后取出晾干；所述的浸种液由质量组分比为3：1：1.5：2：10：70的普鲁兰多糖、植酸酶、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水直接混合得到；
播种前，对土地进行整地，每亩施三元素复合肥40kg作底肥，耕翻35cm；
播种时，首先种植玉米，玉米预留行宽为90cm，玉米株距为20m，待玉米出苗10天后即进行龙葵播种，龙葵播种采用穴播的方式进行种植，穴距为20cm，每穴留苗3株；
野生龙葵开花后，对玉米和野生龙葵施用10kg/亩强化肥，所述的强化肥包括质量组分比 为15：7：0.1：1：15：20的植酸、羟基乙酸、硫酸锰、钼酸铵、牛粪、草木灰；期间的田间管理保持土壤含水量为田间最大持水量的50％，及时中耕除草、间苗；
玉米籽粒成熟后，同时收获玉米和龙葵；将收获的龙葵植株茎、叶、果实收集焚烧或填 埋。
实施例4：本实施例与实施例1的区别在于，浸种液的制备方法包括以下步骤：
将普鲁兰多糖加入无菌水中，搅拌得到普鲁兰多糖水溶液；
将赤霉素用其1.5倍体积的乙醇溶解，得到赤霉素的乙醇溶液；其中乙醇的体积分数为 75％；
将赤霉素的乙醇溶液逐滴滴加到普鲁兰多糖水溶液中，搅拌使乙醇挥发，得到初混液；
向初混液中加入植酸酶、碳酸钠、硝酸钙，混合均匀，得到浸种液。
检测修复效果
玉米和龙葵成熟后，首先在示范田内选取10个均匀分布的点位，分别对龙葵地上部镉含 量、地下部镉含量、生物量和玉米秸秆、玉米籽粒的镉含量采集进行检测，并进行测产。将 玉米分成茎、叶、籽粒3部分，龙葵分为地上部分和地下部分，按照GB5009.15-2014规定的 方法测定镉含量。
检测结果如表1所示。
表1玉米和龙葵间作修复效果
由上表1可知，对比试验1相比较于实施例1，龙葵的地上部分镉含量吸收的减少0.32 mg/kg，地下部分镉含量增加0.07mg/kg，生物量也减少186.6kg/亩，玉米中镉含量增加，产 量减少，这是因为对比试验1中种子浸泡液组成中未包含植酸酶，而植酸酶与普鲁兰多糖、 赤霉素、碳酸钠、硝酸钙之间相互作用，共同减弱镉对龙葵种子生长的胁迫，促进种子尽快 萌发，提高发芽率，健康生长，实施例1龙葵种子发芽率90％，对比试验1龙葵种子发芽率 78％，对比试验2龙葵种子发芽率70％，并且实施例1相较于对比试验1龙葵种子可尽早萌 发5-7天，相较于对比试验2龙葵种子可尽早萌发10-12天，尽早的进入开花期3-5天。
与实施例1相比，实施例4的龙葵的地上部分镉含量吸收增加11.7％，地下部分镉含量 减少7.84％，生物量增加7.22％，玉米中镉含量减少43.13％，产量增加10.24％，实施例4的 浸种液制备方法不是直接混合，而是先将赤霉素的乙醇溶液逐滴滴加到普鲁兰多糖水溶液中， 去除乙醇后再加入植酸酶、碳酸钠、硝酸钙得到，说明浸种液的制备中先将赤霉素的乙醇溶 液逐滴滴加到普鲁兰多糖水溶液中，去除乙醇后再加入植酸酶、碳酸钠、硝酸钙的方法使得 得到的浸种液中赤霉素、普鲁兰多糖、碳酸钠、硝酸钙与植酸酶相互配伍的作用更好的发挥 出来，进一步减弱了镉对龙葵种子生长的胁迫，促进种子尽快萌发，提高发芽率，健康生长 的功效。
对比试验3中强化肥组成中未包括硫酸锰，对比试验4中强化肥组成中未包括钼酸铵， 与实施例1相比，可知硫酸锰和钼酸铵单独使用不如两者结合起来使用好，两者结合起来可 以提高龙葵对镉的吸收效率，减少镉在茎秆中的沉积分布，从而有效阻断镉离子向玉米籽粒 运动。
对比试验5中浸泡液组成中未包含赤霉素，强化肥组成中未包括硫酸锰，与实施例1相 比，镉修复效果明显降低，可见经过赤霉素处理的浸泡液浸泡种子后，提高了强化肥中的硫 酸锰的利用率，进而提高龙葵对镉的吸收效率，经检测，实施例1龙葵籽粒中隔含量为0.5mg/kg，对比试验5中龙葵籽粒含量为0.1mg/kg，实施例1龙葵籽粒提取率为对比试验5籽粒提取率的5倍，可见经过赤霉素处理的浸泡液浸泡种子后，预料不到的提高了龙葵籽粒的镉提取率。
对比试验6中强化肥的组成中硫酸锰、钼酸铵的质量比为1.25：1，本发明的强化肥中， 植酸具有螯合金属离子的作用，将植物所需的元素钙、钴、钼携带到植物体内，提高植物对 养分的利用率，与实施例1相比可知，试验发现，当硫酸锰、钼酸铵的质量比不在1：(1-5) 范围内，随着硫酸锰含量的提高，玉米中的镉含量提高，只有在硫酸锰的含量比钼酸铵的含 量相当或者提高一定范围时，玉米中的镉含量才会有效降低。
对比试验7中未对种子进行浸泡处理，也未施用强化肥，因此龙葵种子较实施例1种子 较晚萌发5天，进入开花期晚3天，龙葵籽粒中镉含量仅为0.05mg/kg，而实施例1龙葵籽粒 含量为0.5mg/kg。
实地调查表明，当地主栽作物谷子平均亩产为175-200kg，按照谷子收购价格4.6元/kg， 每亩产生的经济效益为805-920元；由实施例2可知，采用玉米、龙葵间作的种植方式，玉 米平均亩产为540.27-551.45kg，按照玉米收购价格1.816元/kg，每亩产生的经济效益为 981.13-1001.43元，玉米、龙葵间作种植方式与当地传统种植方式产生的经济效益相当。
由表1可知，在土壤镉含量为1.61mg/kg，玉米、龙葵间作的情况下，玉米秸秆可以满足 现行《饲料卫生标准》(GB13078-2017)中镉限量1mg/kg的要求，可作为牛羊饲料；玉米籽 粒可以满足现行《食品安全国家标注食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中镉限量0.1mg/kg 的要求，可正常收获，并获得了可观玉米的产量；龙葵的转运系数为1.19，土壤镉提取量约 为0.5g/亩。
可见，本发明采用玉米和龙葵间作的植物修复技术，替代原来的种植方式，不仅可以降 低土壤中镉等重金属含量，而且可保证粮食安全生产，确保一定的粮食产量，带来较高的经 济效益，有利于长期修复的推广，切实可行，并且土地资源利用率高，无二次污染。
经过本发明实施例4玉米和龙葵间作的植物修复方法连续修复3年后，再种植谷子，期 间田间管理依据当地谷子的常规管理，收获的谷子平均亩产为257-300kg，谷子中镉的平均含 量0.16mg/kg，相比修复前的谷子，平均亩产提高了28.5％-71.4％，镉含量降低了78.8％，可 见本发明间作植物修复技术有效的降低了土壤中的镉含量。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、用浸种液浸泡龙葵种子；
B、采用间作的方式播种玉米种子和龙葵种子，龙葵开花后，对玉米和龙葵施用强化肥；
C、玉米的籽粒成熟后，同时收获玉米和龙葵；
所述的浸种液包括质量组分比为3：（0.5-1）：（1.5-2.8）：2：10：（45-70）的普鲁兰多糖、植酸酶、赤霉素、碳酸钠、硝酸钙、无菌水；
所述浸种液的制备方法包括以下步骤：
将普鲁兰多糖加入无菌水中，搅拌得到普鲁兰多糖水溶液；
将赤霉素用其1.5倍体积的乙醇溶解，得到赤霉素的乙醇溶液；其中乙醇的体积分数为75%；
将赤霉素的乙醇溶液逐滴滴加到普鲁兰多糖水溶液中，搅拌使乙醇挥发，得到初混液；
向初混液中加入植酸酶、碳酸钠、硝酸钙，混合均匀，得到浸种液。
2.根据权利要求1所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的步骤C收获玉米和龙葵后，将收获的龙葵收集焚烧或填埋处理。
3.根据权利要求1所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的步骤B播种前，对土地进行整地，每亩施三元素复合肥40-50kg作底肥，耕翻25~35cm。
4.根据权利要求1所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的步骤A浸泡的温度为23-28℃，浸泡时间5-12h。
5.根据权利要求1所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的步骤B间作包括如下步骤：首先种植玉米，玉米预留行宽为70-90cm，玉米株距为20-30cm，待玉米出苗5-10天后即进行龙葵播种。
6.根据权利要求5所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的龙葵播种采用穴播的方式进行种植，穴距为20-30cm，每穴留苗1-3株。
7.根据权利要求1所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的强化肥包括质量组分比为（10-15）：7：（0.1-0.5）：（0.5-1）：15：20的植酸、羟基乙酸、硫酸锰、钼酸铵、牛粪、草木灰。
8.根据权利要求1所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的强化肥施用量为10-20kg/亩。
9.根据权利要求3所述的一种利用龙葵与玉米间作植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于，所述的三元素复合肥中氮元素、磷元素、钾元素的摩尔比为1：0.3：1.5。
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