CN114713624B - 促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法，该方法向自然风干的铜镉复合污染土壤中施入作为基肥的氮肥和钾肥同时施入磷肥；将蓖麻种子依次置于乙醇溶液和灭菌蒸馏水中浸泡，然后将蓖麻种子播种于混合土中培养；当蓖麻种子长出两片叶之日起20‑30天后，向土壤中施入乙二胺二琥珀酸溶液，继续种植直至收获。本发明通过磷肥和EDDS共同作用，促进蓖麻对铜、镉的吸收，一方面磷肥可缓解重金属胁迫，促进植物生长，促进重金属向地上部的转运，另一方面，EDDS活化土壤铜和镉，增加了根系对铜和镉的吸收，增加地上部金属浓度。磷肥和EDDS共施，增加了植物地上部生物量和铜镉浓度，增强植物修复效率。操作简单易行，缩短了修复时间。
Description
技术领域
本发明涉及土壤重金属污染植物修复领域，具体涉及一种促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法。
背景技术
近年来，由于频繁的工、农业活动，土壤重金属污染引起了社会的持续关注。而采矿活动导致的农田土壤污染，给人类健康和生态环境带来了潜在的威胁。铜矿的开采导致矿区周边土壤中铜的含量超过农田土壤标准(文献1夏家淇.土壤环境质量标准详解[M].北京:中国环境科学出版社,1996.)，且常伴随着其他重金属的污染如镉、砷、铅等。据全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤总的点位超标率为16.1％；其中重金属镉、铜的点位超标率分别为7.0％和2.1％，因此，开展铜、镉复合污染土壤治理技术研究，对于确保农产品质量和环境安全有重要意义。
传统的土壤重金属污染修复技术有填埋、稀释、淋洗、物理分离和化学法等，这些方法存在工作量大、费时、经济效益不高且降低土壤肥力等不足。而近年兴起的植物修复技术被列为极有前途的重金属污染治理技术，具有成本低、去除彻底、操作简单、无二次污染等特点。植物修复是利用重金属富集能力较强的植物来吸收一种或几种重金属并转运至地上部。已发现的铜超积累植物有矮石蕊、海州香薷、鸭跖草等，镉超积累植物有宝山堇菜、遏蓝菜、芥菜等。但它们普遍生物量小，生长缓慢，吸收积累铜、镉量有限，且收获物经济价值不高。因此，生物量大、生长迅速、具经济价值且对重金属有较高耐性和富集能力的植物，在植物修复中有较好的应用前景。
蓖麻(Ricinus communis L.)是一种重要的油料作物，主要种植在半干旱、热带和温热带气候条件下，具有生物量大、经济价值高、根系发达、耐贫瘠等特点。研究表明，蓖麻对镉(文献2 Ruiz Olivares A,Carrillo-González R,González-Chávez M D C A,etal.Potential of castor bean(Ricinus communis L.)for phytoremediation of minetailings and oil production[J].J Environ Manage,2013,114:316-323.)、铜(文献3Zhou X P,Wang S L,Liu Y H,et al.Coupling phytoremediation efficiency anddetoxification to assess the role of P in the Cu tolerant Ricinus communis L[J].Chemosphere,2020,247:1-8.)等重金属有较高的耐性、富集和转运能力。研究表明，采自铜矿区的蓖麻对Cu具有较强的耐性和较高的积累能力，且种仁含油量高达70％，经济效益可观(文献4康薇.湖北铜绿山古铜矿野生蓖麻重金属含量研究[J].湖北理工学院学报,2009,25(001):36-40)。因此，合理利用蓖麻资源为铜矿区重金属污染农田修复提供了一种可行的途径。植物地上部生物量和重金属浓度是影响植物修复效率的主要因素。在重金属胁迫下，如何促进植物生长及对重金属的吸收与转运是提高植物修复效率的关键。
植物修复技术的强化方法主要有水肥管理，添加植物促生剂，添加内生细菌以及螯合剂，如乙二胺二琥珀酸(EDDS)，柠檬酸(CA)和草酸(OA)等。施肥是一种重要的农业措施，既可以改变土壤的理化性质，提高土壤肥力，又可以促进植物的生长。磷肥不但能增加植物生物量，而且还能提高植物对重金属富集量。研究表明，施磷增强了生长在重金属污染土壤中蓖麻叶片的抗氧化能力，缓解重金属对植物的胁迫，增加植物对铜的吸收和富集，提高蓖麻对铜的修复效率(文献5姚诗源,郭光光,周修佩,等.氮、磷肥对蓖麻吸收积累矿区土壤铜的影响[J].植物营养与肥料学报,2018,24(4):1068-1076)。螯合剂强化植物修复重金属的原理是扰动污染物在土壤液相和固相之间的平衡。当螯合剂加入到土壤后能与土壤中的重金属络合而增加重金属的移动性，进而促进植物的富集，更重要的是增强重金属向植物地上部的转移。螯合剂乙二胺二琥珀酸(EDDS)是EDTA的同分异构体，较EDTA具有毒性小、易降解、络合重金属能力强，能有效活化土壤Cu、Cd，可增加重金属的移动性，促进植物对重金属的吸收。螯合剂强化植物修复铜和镉污染土壤已被证明：如申请号为：201710140099.9的中国发明专利公开了一种联合乙二胺二琥珀酸与荻修复镉污染土壤的方法；如申请号为：201410048591.X的中国发明专利公开了一种提高铜污染土壤的植物修复效果的方法，但存在污染元素单一、非自然污染土壤或者植物生物量小等问题。当前的研究主要基于单一重金属污染，用单一强化剂来提升植物对重金属污染土壤的修复，大多数螯合剂促进植物对重金属的积累，但对植物的生长存在毒害。而对于复合污染土壤中，既促进植物生长，又增加植物对重金属吸收与转运的研究还较少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法，该方法通过添加磷肥和乙二胺二琥珀酸(EDDS)，可提高土壤肥力、促进蓖麻生长、降低重金属对植物的胁迫、增加土壤重金属移动性、促进植物对重金属的吸收与转运、提高蓖麻对污染土壤中铜和镉的修复效率。
为实现上述目的，本发明设计一种促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法，包括以下步骤：
1)向自然风干的铜镉复合污染土壤中施入作为基肥的氮肥和钾肥；同时施入磷肥；放置多天并且期间保持土壤质量含水量为25～30％，得到试验土，其中，磷肥(以P2O5计)的施入量为100-300mg/kg土；
2)选取颗粒饱满、大小均匀一致、表面光滑的蓖麻种子，自然风干后保存，备用；
3)将蓖麻种子依次置于乙醇溶液和灭菌蒸馏水中浸泡，然后将蓖麻种子播种于混合土中培养；
4)当蓖麻种子长出两片叶之日起20-30天后，向土壤中乙二胺二琥珀酸溶液，继续种植直至收获。
进一步地，所述步骤1)中，磷肥为过磷酸钙，磷肥的施入量为100-300mg/kg土。
再进一步地，所述步骤1)中，N肥的施肥量为100mg/kg土，钾肥(以K2O计)的施肥量为100mg/kg土。
再进一步地，所述步骤2)中，蓖麻种子采集于湖北省黄石大冶铜绿山的蓖麻种子。
再进一步地，所述步骤3)中，乙醇溶液的体积分数为75％且蓖麻种子在乙醇溶液中浸泡时间为20～40s；蓖麻种子在灭菌蒸馏水浸泡20～30h。
再进一步地，其特征在于：所述步骤3)中，乙二胺二琥珀酸溶液的浓度为200～300mmol/L，乙二胺二琥珀酸溶液施加量为10-20mL/kg土。
本发明的有益效果：
1、本发明所采用的蓖麻是一种经济作物，具有生物量大、根系发达、耐贫瘠且对多种重金属具有较高的耐性和富集能力。用蓖麻修复重金属污染土壤，不会通过食物链对人体产生危害、不会引起二次污染，不破坏土壤结构，同时具有较大的经济价值。
2、本发明采用的螯合剂乙二胺二琥珀酸(EDDS)，具有高的生物降解性，低毒性，可与土壤中重金属形成复合物，与铜形成稳定的螯合物，增强植物吸收金属的能力；可直接与弱结合态金属组分络合，促进金属从土壤释放到溶液中，并以较慢的速度促进强结合态金属组分的释放，增加重金属的移动性和有效性。
3、本发明的方法，在铜镉复合污染农田土壤中，通过磷肥和EDDS共同作用，促进蓖麻对铜、镉的吸收，一方面磷肥可缓解重金属胁迫，促进植物生长，促进重金属向地上部的转运，另一方面，EDDS活化土壤铜和镉，增加了根系的吸收，增加地上部金属浓度。磷肥和EDDS共施，同时增加了植物地上部生物量和铜镉浓度，增强植物修复效率。操作简单易行，缩短了修复时间。
附图说明
图1为添加磷肥和EDDS后蓖麻叶片(a)和根(b)丙二醛的变化图；
图2为添加磷肥和EDDS对蓖麻地上部(a)和地下部(b)生物量的影响图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
下述实施例中，供试的铜镉复合污染土壤为湖北大冶某矿区旁农田土壤，其中，土壤的pH为7.7，土壤中有机质19.7g/kg，总磷含量0.70g/kg，总铜、镉含量分别为380.6mg/kg和1.02mg/kg；
选用的蓖麻品种为湖北省大冶铜绿山矿区的野生蓖麻。
实施例1
一种促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法，包括以下步骤：
1)将自然风干的铜镉复合污染土壤装入塑料盆(盆底部放置塑料袋，防止土壤随水流失)中，施入作为基肥的尿素和氯化钾；同时施入过磷酸钙；放置2周并且期间保持土壤质量含水量为25～30％，得到试验土，其中，氮肥和钾肥的施入量为100mg/kg土；磷肥的施入量为100mg/kg土；
2)选取颗粒饱满、大小均匀一致、表面光滑的蓖麻种子，自然风干后保存，备用；
3)将蓖麻种子先置于体积分数为75％的乙醇溶液浸泡30s，然后置于灭菌蒸馏水中浸泡24h，然后将蓖麻种子播种于上述混合土中培养；其中，每盆6颗种子，维持土壤质量含水量在25～30％，温度25℃，每天8h光照；
4)待蓖麻长出两片叶后间苗，每盆留3株，种植30天后，向土壤中施入乙二胺二琥珀酸溶液，继续种植30天收获，其中，乙二胺二琥珀酸溶液浓度为250mmol/L，pH为7.7，乙二胺二琥珀酸溶液的添加量为10mL/kg土。
实施例2
本实施例的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
乙二胺二琥珀酸溶液的添加量为20mL/kg土。
实施例3
本实施例的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
磷肥的添加量为300mg/kg土。
实施例4
本实施例的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：
磷肥的添加量为300mg/kg土，乙二胺二琥珀酸溶液的添加量为20mL/kg土。
对比例1
一种植物修复铜、镉复合污染土壤的方法，包括以下步骤：
1)将自然风干的铜镉复合污染土壤装入无渗漏塑料盆中，施入作为基肥的尿素和氯化钾；放置2周并且期间保持土壤质量含水量为25～30％，得到混合土，其中，氮肥和钾肥的施入量为100mg/kg土；
2)选取颗粒饱满、大小均匀一致、表面光滑的蓖麻种子，自然风干后保存，备用；
3)将蓖麻种子先置于体积分数为75％的乙醇溶液浸泡30s，然后置于灭菌蒸馏水中浸泡24h，然后将蓖麻种子播种于上述试验土中培养；其中，每盆6颗种子，维持土壤质量含水量为25～30％，温度25℃，每天8小时光照；
4)待蓖麻长出两片叶后间苗，每盆留3株，种植60天后收获。
对比例2
一种植物修复铜、镉复合污染土壤的方法，包括以下步骤：
1)将自然风干的铜镉复合污染土壤装入无渗漏塑料盆中，施入作为基肥的尿素和氯化钾；放置2周并且期间保持土壤质量含水量为25～30％，得到混合土，其中，氮肥和钾肥的施入量为100mg/kg土；磷肥的施入量为100mg/kg土；
2)选取颗粒饱满、大小均匀一致、表面光滑的蓖麻种子，自然风干后保存，备用；
3)将蓖麻种子先置于体积分数为75％的乙醇溶液浸泡30s，然后置于灭菌蒸馏水中浸泡24h，然后将蓖麻种子播种于上述试验土中培养；其中，每盆6颗种子，维持质量含水量为25～30％，温度25℃，每天8小时光照；
4)待蓖麻长出两片叶后间苗，每盆留3株，种植60天后收获。
对比例3
本实施例的方法与对比例2基本相同，不同之处在于：
磷肥的施入量为300mg/kg土。
对比例4
一种植物修复铜、镉复合污染土壤的方法，包括以下步骤：
1)将自然风干的铜镉复合污染土壤装入无渗漏塑料盆中，施入作为基肥的尿素和氯化钾；放置2周并且期间保持质量含水量为25～30％，得到混合土，其中，氮肥和钾肥的施入量为100mg/kg土
2)选取颗粒饱满、大小均匀一致、表面光滑的蓖麻种子，自然风干后保存，备用；
3)将蓖麻种子先置于体积分数为75％的乙醇溶液浸泡30s，然后置于灭菌蒸馏水中浸泡24h，然后将蓖麻种子播种于上述试验土中培养；其中，每盆6颗种子，维持土壤质量含水量为25～30％，温度25℃，每天8小时光照；
4)待蓖麻长出两片叶后间苗，每盆留3株，种植30天后，向土壤中施入乙二胺二琥珀酸溶液，继续种植30天收获，其中，乙二胺二琥珀酸溶液浓度为250mmol/L，pH为7.7，乙二胺二琥珀酸溶液的添加量为10mL/kg土。
对比例5
本实施例的方法与对比例4基本相同，不同之处在于：
乙二胺二琥珀酸溶液的添加量为20mL/kg土。
植株生理指标和重金属含量的测定
上述实施例1～4和对比例1～5收获得到蓖麻植株，按每盆1株作为鲜样用于生理指标的测定，另2株作为干样，洗净后按地上部和地下部分开，烘干至恒重称重，用于重金属含量的测定；结果如下：
由图1可知，添加磷肥能显著降低蓖麻叶片丙二醛含量，降低了重金属对蓖麻叶片的胁迫，磷与EDDS共同作用时进一步缓解了植物胁迫，实施例3与对比例1相比，叶片MDA降低了29.5％。而添加EDDS却增加了蓖麻根系丙二醛含量，可能是由于EDDS直接接触根系和根系高浓度重金属造成的。
由图2可以看出，施用磷肥能促进蓖麻的生长，增加地上部和地下部生物量。当施P2O5量为300mg/kg时对蓖麻生长的促进更明显。对比例3、实施例3和实施例4地上部生物量比对比例1增加了36.0-38.5％。由于重金属和EDDS对蓖麻根系的胁迫，添加EDDS降低了根系干物质量，但在添加P2O5量为300mg/kg时，在一定程度上缓解了根系干物质量的降低，实施例3与对比例4、实施例4与对比例5相比，根系干重分别增加了65.7％和67.6％。因此，施磷有利于缓解胁迫，促进蓖麻生长，增加生物量。
从表1可以看出，添加EDDS能有效促进蓖麻地上部和地下部对铜的吸收。而单施磷肥对蓖麻地上部铜含量影响不大。施用EDDS处理中，地上部铜含量是对比例1的3.88-14.3倍。施磷量为100mg P2O5/kg和2.5mmol/kg时，蓖麻地上部铜含量有最大值达105mg/kg。添加EDDS能显著增加根和地上部的生物富集系数，但未显著增加铜的转运系数。磷与EDDS共同作用时促进了根部铜向地上部的转运，各实施例与对比例1相比增加了111-488％。
表1添加磷肥和EDDS对蓖麻地上部(a)和地下部(b)吸收铜的变化
表2添加磷肥和EDDS对蓖麻地上部(a)和地下部(b)吸收镉的变化
由表2可以看出，施磷可促进蓖麻地上部对镉的吸收，磷与EDDS共同作用时进一步增加了蓖麻地上部镉浓度，是对比例1的1.23-1.47倍。施磷却降低了蓖麻地下部镉含量和生物富集系数，而只施EDDS的影响不显著。单施磷和磷与EDDS共存时均显著增加了蓖麻茎生物富集系数，增加了地上部对镉的吸收。单施EDDS对蓖麻镉转运系数影响不大，但当施磷量为300mg P2O5/kg时，促进镉从根向地上部的转移，而磷与EDDS共施时进一步促进了镉向地上部的转运，实施例4镉转运系数比对比例3增加了114％。
表3修复后蓖麻不同部位铜富集量
由表3可以看出，添加EDDS显著增加了地上部对铜的富集，对比例4和对比例5与对比例1相比增加了310-331％。而磷与EDDS共同作用时更有利于地上部对铜的富集，实施例2地上部铜富集量达740ug/盆，是对比例4和对比例5的3.02和2.87倍。施EDDS能显著增加地下部铜富集量，而磷与EDDS共同作用时，增加效果降低，但仍高于对比例1处理，原因是施磷促进了地下部铜向地上部转运(图1)。总之，磷与EDDS共同作用时更有利于地上部对铜的富集，增加了蓖麻对铜的修复效率。
表4修复后蓖麻不同部位镉富集量
由表4可知，地上部镉富集量随着施磷量的增加而增加，且300mg P2O5/kg与EDDS共同作用时进一步增加了地上部镉富集量，实施例3和实施例4地上部镉富集量与对比例1相比增加了69.6％和91.3％，实施例4与对比例3相比增加了15.6％。磷和EDDS均降低了根部镉富集量。因此，磷与EDDS共同作用时，更有利于提高蓖麻修复铜镉复合污染土壤。
综上表明，在铜镉复合污染土壤上，施用磷肥缓解了重金属对蓖麻的胁迫，提高了蓖麻生物量，地上部最为明显，促进了蓖麻地上部对铜、镉的富集。EDDS显著增加了蓖麻地上部铜含量和铜富集量，提高了蓖麻对铜的修复效率。磷与EDDS共同作用时，进一步增加了植物对铜和镉的修复效率，一方面磷显著促进了蓖麻的生长，缓解了植物胁迫，另一方面EDDS增加地上部铜、镉含量，促进重金属向地上部的转运，促进地上部对重金属的富集。实施例3和实施例4既增加了蓖麻生物量，又增加了地上部铜和镉浓度；实施例2虽未增加蓖麻生物量，但极显著增加了地上部铜和镉浓度。因此，本发明中，施磷量为100mg P2O5/kg且添加5.0mmol/kg EDDS时(实施例2)，地上部铜富集量是对比例1的12.4倍，更有利于去除土壤中的铜；而施P2O5量为300mg/kg时，添加5.0mmol/kg EDDS(实施例4)更有利于地上部对镉的富集，可见，本发明是一种有效的去除土壤铜、镉的方法。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (1)
1.一种促进经济作物蓖麻修复铜和镉复合污染土壤的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)向自然风干的铜镉复合污染土壤中施入作为基肥的氮肥和钾肥，且N肥的施肥量为100mg/kg土，钾肥的施肥量为100mg/kg土；同时施入过磷酸钙，过磷酸钙的施入量为100-300mg/kg土；放置多天并且期间保持土壤质量含水量为25～30％，得到试验土；
2)采集于湖北省黄石大冶铜绿山的蓖麻种子，选取颗粒饱满、大小均匀一致、表面光滑的蓖麻种子，自然风干后保存，备用；
3)将蓖麻种子依次置于体积分数为75％的乙醇溶液中浸泡时间为20～40s和灭菌蒸馏水中浸泡20～30h，然后将蓖麻种子播种于试验土中培养；
4)当蓖麻种子长出两片叶之日起20-30天后，向土壤中施加乙二胺二琥珀酸溶液，继续种植直至收获，其中，乙二胺二琥珀酸溶液的浓度为200～300mmol/L，乙二胺二琥珀酸溶液施加量为10-20mL/kg土。
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