CN115228921B - 一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，步骤是：1)稻田准备：施入腐熟有机肥作底肥；2)调节土壤pH值：测定土壤pH值；3)生态型选择：选用生长在洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼生态型；4)育苗材料准备：从野外采集水蓼的地下根茎；5)扦插直栽育苗：按行距开浅条沟，将浸泡过生根粉的根茎段按株距沿沟壁斜向上摆放，芽体向上，边摆边覆土；6)水分管理；7)水蓼地上部分收获；8)收割后田间管理：从土壤中移除更多的镉；9)收获物无害化处理：燃烧后的灰分按固废集中处置。方法易行，操作简便，成本低，易于操作和管理，重金属移除效率较高，满足了中国南方地区轻中度镉污染稻田土壤修复与治理的需要。

Description

一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法

技术领域

本发明属于农业环境保育与修复技术领域，更具体涉及一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，适用于中国南方轻中度镉污染稻田土壤修复中，通过种植对镉高富集的植物水蓼，吸收、萃取土壤中的镉，使土壤中的镉含量降到安全生产范围以内，是降低稻田土壤中镉污染的绿色环保、容易操作和管理的有效方法。

背景技术

2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的超标率为16.1％，其中轻微、轻度和中度污染点位比例分别为11.2％，2.3％和1.5％。污染类型以无机型为主，超标点位数占全部超标点位的82.8％。在所有无机污染物中，镉超标率最高，超标点位达到7.0％。在镉污染土壤上生长的农作物镉含量经常会超标，特别在中国南方地区，大米镉超标问题比较严重，危害农产品安全和人体健康，已引起社会密切关注。

目前所发展的土壤修复技术有客土法、电动修复等物理修复技术，淋滤法、化学固定等化学修复技术以及通过微生物、植物、动物等进行的生物修复技术。其中，植物修复不仅可以原位实施，并且成本低，绿色环保等，是一种应用潜力巨大的修复技术。目前中国所发现的镉累积植物有香根草、东南景天、天蓝遏蓝菜、美洲商陆等20多种植物。但存在生物量低、对生长条件要求比较苛刻等问题，如东南景天多对镉具有较强的富集能力，但不耐高温，在南方地区不能越夏，因而难以在南方地区大范围应用。此外，当前发现的镉积累植物多为中生、旱生植物，在土壤水分过饱和的稻田土壤难以生长，限制了在南方稻作区推广应用。

水蓼(Polygonum hydropiper L.)，别名辣蓼、辣蓼草等，在中国大部分地区都有分布，生河滩、水沟边、湖滨等湿地生境。水蓼适应水涨水落的水陆交错带环境，具有“水陆两栖”的特性，是洞庭湖湿地的优势植物群落类型之一。水蓼茎直立，多分枝，高40-70厘米，总状花序呈穗状，瘦果卵形，包在宿存的花被内，花期7-8月。在《中国植物志》以及地方志的描述中，水蓼为一年生草本，但在洞庭湖湿地，由于长期适应季节性淹水的湿地生境，水蓼产生十分发达的地下根状茎，水蓼的地上部分(茎、叶)在冬季枯死，以地下根状茎越冬，翌年春季萌发形成地上分株。

经中国专利网和相关论文网站检索，发现目前已有一些关于利用水蓼修复重金属污染土壤和水体的报道。于方明等在“一种肠杆菌—水蓼联合修复锰污染土壤的方法”[CN201910566006.8]中提到采用耐锰肠杆菌强化促进水蓼对土壤中锰的富集，可以快速高效的对受到锰污染的土壤进行修复，但对镉污染土壤是否有效尚不清晰。葛依立等通过盆栽实验表明，水蓼对水溶液中的镉具有较强的富集和耐受能力，在2mg/L的外源镉处理下，水蓼根、茎和叶的镉含量分别达到134、47和48mg/kg[葛依立,等.2020.湿地植物水蓼(Polygnonum hydropiper L.)对镉的富集特征及生理响应.生态毒理学报15(20)：190-200.]，表明水蓼具有修复镉污染水体的潜力，但对镉污染土壤的修复效果不得而知。因此，建立一种适用于南方地区稻田镉污染土壤的植物修复方法显得极为重要和迫切。

发明内容

针对当前重金属污染土壤修复成本高、稳定性差、生态风险高等技术难点，本发明的目的是在于提供了一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，方法易行，操作简便，易于操作和管理，重金属移除效率较高，满足了中国南方地区轻中度镉污染稻田土壤修复与治理的需要。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其步骤是：

1)稻田准备：每亩施入1.0-1.5吨腐熟有机肥作底肥。将土与肥耙匀耕平后，灌水，使土壤水分达到田间持水量。

所述的腐熟有机肥，为市售的商品有机肥，有机质含量≥45％；总氮磷钾含量≥5.0％。

2)调节土壤pH值：测定土壤pH值，通过施用生石灰(pH<5.5时)或柠檬酸(pH>6.5时)调节土壤pH值至6.0左右。

所述的生石灰，为市售的商品生石灰，CaO含量90％以上；

所述的柠檬酸，为市售商品一水柠檬酸，纯度99.5％。

3)生态型选择：选用生长在洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼生态型。

所述的生态型，指同一物种的不同类群长期生活在不同生态环境产生趋异适应，成为遗传上有差异的、适应不同生态环境的类群。生长在洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼，长期适应频繁的淹水环境，形成了依靠根茎进行营养繁殖的特性；而生长在其他区域的水蓼多依靠种子进行有性繁殖。

4)育苗材料准备：从野外采集水蓼的地下根茎，用剪刀将长的根茎剪成长度为3-5cm的根茎段，每个根茎段有一个完整的节间和一个腋芽，用2g/L的生根粉溶液浸泡1.5－2.5小时，取出备用。

所述的生根粉成分是90％的萘乙酸原粉；

所述的生根粉溶液是将2g生根粉溶解于1L自来水中，得到2g/L的生根粉溶液；

5)扦插直栽育苗：按30cm左右的行距开浅条沟，将浸泡过生根粉的根茎段按30cm左右株距沿沟壁斜向上摆放，芽体向上，边摆边覆土，填平条沟。覆土厚度1cm左右。浇水以使土壤含水量饱和但不积水为宜。同时，做好遮荫工作。一般7天后萌芽生根，并发出新叶。

6)水分管理：水蓼为湿地植物，生长期应保持田间湿润或或保持1-2cm浅水层。

7)水蓼地上部分收获：在水蓼生长旺盛期，茎秆下部约1/4叶片开始变黄脱落时，距离地面5-8cm收割水蓼茎秆，并将田间枯枝残叶一并移出稻田。

8)收割后田间管理：水蓼具有很强的再生能力。第一茬水蓼收割后，应及时浇水、除草，每亩施用复合肥20-25kg，促进下茬水蓼生长，增加水蓼收割茬数，以从土壤中移除更多的镉。

所述的再生指植物体因受伤或生理上分离而失掉组织或器官后，恢复或复制失去部分的现象。水蓼的枝条(茎叶)切断后，会通过茎或根茎上的芽重新萌发形成地上植株。

所述的复合肥，为市售的商品复合肥，总养分≥45，氮、磷、钾含量分别为15％，15％，15％。

9)收获物无害化处理：将收获后的水蓼茎叶及枯落物进行自然干燥，至含水率16％以下(质量)；将干燥后的原料制成生物质燃料颗粒，燃烧后的灰分按固废集中处置。

通过上述九个步骤的技术措施：特别是第2步使土壤中的镉活化，提高了有效态镉含量，有利于水蓼吸收和积累镉，水蓼在土壤pH值等于6左右时，对镉的吸收能力最强(见实施例2)；第3步解决了水蓼生态型选择问题，发明人在对洞庭湖湿地的长期研究中发现，分布在低海拔区域的水蓼适应浅水环境，并形成了依靠根茎芽进行繁殖的特性，适应在稻田浅水环境中生长，并且不需要每年种植，节省了劳动力；第4步和第5步解决了植物修复用工的问题，无需育苗、移栽等环节，节省劳力，并且相对于种子播种育苗，营养繁殖苗生长快速；第8步解决了修复植物的持续利用难题，一次种植，可以多次(4－6次)收获，节省了人力物力；第9步解决了富集重金属的植物在大田里腐烂分解，茎叶吸收积累的镉再次回到土壤中的问题。

通过以上步骤在南方轻中度镉污染稻田建立了一种绿色环保、适用范围广、容易操作和管理的修复轻中度镉污染稻田土壤的方法。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)容易操作和管理。水蓼为多年生植物，除第一年种苗和用工成本稍高外，不需要每年种植，且对水肥要求不高。

(2)水蓼为湿地植物，在稻田环境中生长良好。相比东南景天、生物质高粱等修复技术模式，不需要将水田改成旱田，不改变稻田的土壤环境，有利于在修复完成后继续种植水稻。

(3)重金属移除效率较高，试验结果表明在镉含量0.33mg/kg的土壤上，水蓼茎叶干重可达278.2公斤/亩，茎叶镉含量为6.82mg/kg，按每年收获2次计算，每亩水蓼每年可移除3.79g镉(见实施例1)。

具体实施方式

下面申请人将结合在耕地重金属污染长期定位观测试验中心站(湖南省北山镇)利用水蓼进行镉污染稻田土壤修复的实例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。

实施例1：

该实施例在耕地重金属污染长期定位观测试验中心站(湖南省北山镇)试验田进行，一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其步骤是：

(1)稻田准备：将收割后的稻田每亩施入1.0吨腐熟有机肥作底肥。将土与肥耙匀耕平后，灌水，使土壤水分达到田间持水量。

2)调节土壤pH值：该试验田土壤呈酸性，土壤pH值在5.1左右，通过施用生石灰调节土壤pH值至6.0左右。

3)生态型选择：选用生长在岳阳市君山区洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼生态型，将地下根茎挖出，保湿，运送到位于长沙县北山镇的耕地重金属污染长期定位观测试验中心站。

4)育苗材料准备：用剪刀将长的根茎剪成长度为3或4或5cm的根茎段，每个根茎段有一个完整的节间和一个腋芽，用2g/L的生根粉溶液浸泡1.5或2或2.5小时，取出备用。

5)扦插直栽育苗：按30cm左右的行距开浅条沟，将浸泡过生根粉的根茎段按30cm左右株距沿沟壁斜向上摆放，芽体向上，边摆边覆土，填平条沟。覆土1cm左右。浇水以使土壤含水量饱和但不积水为宜，待吸干后再浇水一次。同时，采用遮阳网进行遮荫。水蓼萌芽抽出新叶后，撤掉遮阳网。

6)水分管理：生长期保持田间湿润或浅水状态。当表层2cm左右土壤比较干燥或水蓼叶片出现轻微萎蔫时，浇水使土壤水分饱和或保持1或2cm浅水层。

7)水蓼地上部分收获：在水蓼生长旺盛期，茎秆下部约1/4叶片开始变黄脱落时，距离地面5cm左右收割水蓼茎秆，并将田间枯枝残叶一并移出稻田。

8)收割后田间管理：第一茬水蓼收割后，浇水、除草，每亩施用复合肥20或22或24或25kg，促进水蓼再生生长。

9)收获物无害化处理：将收获后的水蓼茎叶及枯落物进行自然干燥，至含水率16％以下(质量)；将干燥后的原料制成生物质燃料颗粒，燃烧后的灰分按固废集中处置。

一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法的大田试验结果如附表1和附表2所示。其结果表明，在长沙县北山镇轻中度污染稻田(土壤镉含量平均为0.33mg/kg)，水蓼的茎叶干重可达到278.2kg/亩，茎叶镉含量达6.82mg/kg，根镉含量1.24mg/kg。通过对水蓼地上茎叶的移除，单次可从轻中度污染稻田土壤移除1.89g镉。更为重要的是水蓼茎叶的富集系数可达31.4，转运系数可达6.98，可以通过强大的转运能力将根系吸收的镉转运到植物的地上部分，并富集在茎叶中。通过一年的水蓼修复，土壤全镉含量从0.33mg/kg下降到0.22mg/kg，修复效果显著。

附表1.长沙县北山镇水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤大田试验(2.4亩)水蓼的生物量和镉富集特征

附表2.长沙县北山镇水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤大田试验(2.4亩)水蓼对土壤的减量修复效果

实施例2：

该实施例在耕地重金属污染长期定位观测试验中心站(湖南省北山镇)玻璃温室进行，一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其步骤是：

1)土壤准备：从长沙县北山镇荣合桥社区欧塘村镉污染稻田取表层耕作土壤，晾干，用木锤锤碎后，装盆，每盆装土约8kg；

2)调节土壤pH：经测定，欧塘稻田土壤的pH值为5.8；每盆加4.8g生石灰调节pH值到7左右，或每盆加入12g一水柠檬酸调节pH值到5左右；每个处理4次重复；

3)生态型选择：选用生长在岳阳市君山区洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼生态型，将地下根茎挖出，保湿，运送到位于长沙县北山镇的耕地重金属污染长期定位观测试验中心站；

4)苗床准备：将泥炭土和河沙按体积比1:1比例混合，铺到育苗床上，厚度约15cm，浇一次透水；

5)扦插育苗：用剪刀将长的根茎剪成长度为3或4或5cm的根茎段，每个根茎段有一个完整的节间和一个腋芽，用2g/L的生根粉溶液浸泡1.5或2.5小时，取出备用。按20cm左右的行距开浅条沟，将浸泡过生根粉的根茎段按10cm左右株距沿沟壁斜向上摆放，芽体向上，覆盖1cm左右的培养基质。浇水以保持培养基质湿润而不积水为宜。

6)移栽：幼苗达到15公分，8或9或10片叶，根茎上长出新根，将植株从基质中挖出，移栽到栽培盆中。

7)水分管理：将栽培盆放到水箱中，水箱内水位与栽培盆的土壤表面保持齐平，即对植物来说是0cm水位。

8)收获：在水蓼茎秆下部约1/4叶片开始变黄脱落时，将植株从栽培盆中挖出。实验时间共83天。在实验室内将水蓼用去离子水冲洗干净，分成根、茎和叶3部分，分别烘干，称重，粉粹后制样。

9)实验室测定：在中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室，采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定植物各部分的镉含量。

一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法的实验结果如附表3所示，其结果表明水蓼在土壤pH值为6.0左右时，水蓼的茎、叶和根的镉含量最高，分别达到8.87，4.98和3.03mg/kg；转运系数最高，达到4.70；茎、叶和根的富集系数最高，分别为17.33，9.67和5.90；土壤全镉含量从0.66mg/kg下降到0.52mg/kg。

附表3.不同土壤pH条件下水蓼的生长和镉富集特征

附表4.不同土壤pH条件下，水蓼修复后的土壤镉含量变化

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Claims (5)

1.一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其特征在于，其步骤是：

1)稻田准备：每亩施入1.0-1.5吨腐熟有机肥作底肥，将土与肥耙匀耕平后，灌水，使土壤水分达到田间持水量；

2)调节土壤pH值：测定土壤pH值，通过施用生石灰：pH<5.5或柠檬酸pH>6.5，调节土壤pH值至6.0；

3)生态型选择：选用生长在洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼生态型；

所述的生态型，指同一物种的不同类群长期生活在不同生态环境产生趋异适应，生长在洞庭湖湿地低海拔区域的水蓼；

4)育苗材料准备：从野外采集水蓼的地下根茎，用剪刀将长的根茎剪成长度为3-5cm的根茎段，每个根茎段有一个节间和一个腋芽，用2g/L的生根粉溶液浸泡1.5－2.5小时，取出备用；

5)扦插直栽育苗：按30cm的行距开浅条沟，将浸泡过生根粉的根茎段按30cm株距沿沟壁斜向上摆放，芽体向上，边摆边覆土，填平条沟，覆土厚度1cm，浇水使土壤含水量饱和，吸干后再浇水一次，7天后萌芽生根，发出新叶；

6)水分管理：水蓼为湿地植物，生长期应保持田间湿润或1-2cm浅水层；

7)水蓼地上部分收获：在水蓼生长旺盛期，茎秆下部1/4叶片开始变黄脱落，距离地面5-8cm收割水蓼茎秆，将田间枯枝残叶一并移出稻田；

8)收割后田间管理：水蓼具有很强的再生能力，第一茬水蓼收割后，及时浇水、除草，每亩施用复合肥20-25kg，促进第二茬生长，从土壤中移除更多的镉；

9)收获物无害化处理：将收获后的水蓼茎叶及枯落物进行自然干燥，至含水率16％以下；将干燥后的原料制成生物质燃料颗粒，燃烧后的灰分按固废集中处置。

2.根据权利要求1所述的一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其特征在于：所述的腐熟有机肥，有机质含量≥45％；总氮磷钾含量≥5.0％。

3.根据权利要求1所述的一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其特征在于：所述的生石灰，CaO含量90％；所述的柠檬酸纯度99.5％。

4.根据权利要求1所述的一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其特征在于：所述的生根粉成分是90％的萘乙酸原粉；所述的生根粉溶液是将2g生根粉溶解于1L自来水中，得到2g/L的生根粉溶液。

5.根据权利要求1所述的一种利用水蓼修复轻中度镉污染稻田土壤的方法，其特征在于：所述的复合肥总养分≥45，氮、磷、钾含量分别为15％，15％，15％。