利用兩種作物輪作修復鎘汙染土壤的方法與流程
2023-06-28 08:32:21 1
本發明涉及土壤修復技術，尤其是涉及一種利用兩種作物輪作修復鎘汙染土壤的方法。
背景技術：
鎘是土壤中常見的汙染重金屬，也是我國土壤中最主要的汙染重金屬之一。汙染土壤中鎘的主要來源包括有色金屬開採和冶煉等。在未汙染土壤中，鎘的含量一般在0.1mg/kg左右，而有色金屬冶煉企業附近土壤中的鎘含量會達到未汙染土壤的幾十甚至幾百倍。
鎘並非是人體必需的營養元素。鎘如果通過呼吸、飲食等途徑進入人體，會對人體產生不良影響，如鎘會對呼吸道產生刺激，長期處於鎘汙染環境中會造成嗅覺喪失症、牙齦黃斑或漸成黃圈，鎘經呼吸進入體內被吸收後會積存於肝或腎臟，對肝臟或腎臟造成危害，尤以對腎臟損害最為明顯；鎘還可導致骨質疏鬆和軟化，過量攝入鎘會導致死亡。
土壤中鎘含量過高，會影響當地生態系統及居民身體健康。汙染土壤中的鎘易被植物吸收並在植物體中積累，因此，在鎘汙染土壤中種植水稻或小麥，稻米或小麥籽粒中的鎘含量易超標，從而造成食用者體內鎘含量積累，影響居民身體健康。同時，土壤鎘汙染也會影響水體質量、土壤微生物和植物生長。
鎘汙染土壤的修複方法有多種，從目前的實際應用來看，植物提取修復、換土等方法均有一定的應用。換土法適合於重金屬汙染程度大的土壤，但由於換出的土壤仍然需要處理，且挖走原土壤後形成的坑還需要用未汙染土壤填充，限制了換土法的應用。植物提取修復也是重金屬汙染土壤的修複方法之一，這種方法適合於植物有效性和移動性較高的重金屬，如鎘。植物提取修復的方法是將對重金屬吸收能力較強的植物種植在重金屬汙染土壤上，植物生長過程中吸收重金屬後，通過收穫並帶走植物體，達到降低土壤中重金屬含量的目的。植物提取修復採用類似於農業生產的方式修復汙染土壤，該方法對土壤性質無破壞，修復過程環境友好，但是缺點是修復速度慢，將汙染土壤變成潔淨土壤或使汙染土壤中的重金屬含量達標需要幾年甚至幾十年之久。
目前已經發現了幾種對土壤中鎘有較強吸收能力的植物，如伴礦景天（sedumplumbizincicola）、鬼針草（bidenspilosal.）、油菜（brassicacampestrisl.）等。伴礦景天是一種發現於浙江省汙染區的植物，對土壤中的鎘有很強的積累能力。在汙染土壤中生長時，其地上部鎘含量可達到土壤鎘含量的十倍甚至更高。然而，伴礦景天在北方土壤中種植時，7月前後易出現腐爛死苗現象，此時如不及時收穫將會導致修復失敗，由於植物是在形成種子前死亡的，因此不能獲得種子進行繁殖；由於地上部腐爛，也不能利用扦插的方法進行繁殖。
鬼針草對汙染土壤中的鎘也具有一定的富集能力，汙染土壤中生長的鬼針草地上部鎘含量可達到土壤鎘含量（均為乾重含量）的4倍左右。雖然鬼針草對土壤鎘的吸收能力不如伴礦景天，但鬼針草可在北方鎘汙染土壤中正常生長，形成種子，從而進行第二季種植。因此，與伴礦景天相比，鬼針草更適合用於北方鎘汙染土壤的修復。
油菜是中國的主要農作物之一，在我國北方普遍種植。研究發現，油菜對汙染土壤中鎘的吸收能力雖低於鬼針草，但在鎘汙染土壤中種植油菜時，鎘主要富集於油菜根部，其次是莖和角果皮，油菜種子中的鎘含量最低。進一步研究表明，從油菜籽中提取的菜籽油鎘含量遠低於油菜籽中的鎘含量。按人們日常攝入量不存在消費風險，可放心食用。
由於重金屬汙染土壤的修復費用較高，因此，設法降低汙染土壤修復成本或者增加修復期間土地收益對於汙染土壤的修復具有重要意義。
目前有採用油菜和油葵輪作、油菜和花生輪作進行重金屬汙染土壤修復的報導。由於鎘汙染土壤的鎘含量一般在1-5mg/kg之間，因此，在鎘汙染土壤中種植花生或向日葵，籽粒中的鎘含量有可能會達到0.5mg/kg以上，而0.5mg/kg是國家標準《食品中汙染物限量》（gb2762-2012)中對花生的鎘限量值。花生和向日葵雖然可作為油料作物用於生產食用油，但也可以直接食用，當花生和向日葵種子直接食用時，其中較高的鎘含量會具有很大的風險。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種利用兩種作物輪作修復鎘汙染土壤的方法，該方法非常適合我國北方地區對鎘汙染土壤的修復處理，並對農民有一定的經濟收入。
為實現上述目的，本發明可採取下述技術方案：
本發明所述的利用兩種作物輪作修復鎘汙染土壤的方法，包括在鎘汙染土壤中依次種植鬼針草和油菜，所述鬼針草和油菜的輪作種植方法為：
第一步，於當年6月初在鎘汙染土壤中種植鬼針草，並與9月底將鬼針草收穫；
第二步，於當年10月初在收穫鬼針草的土壤中種植油菜，並與第二年5月底將油菜收穫；
第三步，於第二年6月初繼續在收穫油菜後的土壤中種植鬼針草，如此循環種植這兩種作物，形成鬼針草和油菜輪作的種植體系。
本發明的優點在於利用鬼針草和油菜的輪作種植，可持續對鎘汙染土壤進行修復，由於兩種植物均能對土壤中的鎘有一定的吸收和富集能力，鬼針草和油菜的地上部用來吸收土壤中鎘，同時收穫的油菜籽還可用於榨取食用菜籽油，既能達到降低土壤中鎘含量的目的，又增加了土地收益，給農民帶來一定的經濟收入，一舉兩得。與現有的將花生或向日葵作為修復植物相比，採用鬼針草作為修復植物，不僅對土壤中鎘的去除能力強，也不存在植物中吸收的重金屬進入食物鏈的風險。同時修復過程中對土壤性質無不良影響，且修複方法簡單、易掌握，因此非常適合我國北方不適合種植伴礦景天植物的鎘汙染土壤的修復。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明所述的輪作種植方法做更加詳細的論述。
選擇河南省濟源市郊因鉛冶鍊形成的某鎘汙染土壤區域作為項目區域。項目區土地面積為400m2（寬10m，長40m）。試驗從2015年6月開始，測定表明，項目區0~20cm土壤中全鎘平均含量為2.60mg/kg。
1、將項目區分為4個小區，小區長和寬均為10m，即每個小區的面積為100m2。
2、2015年6月3日種植鬼針草。在每個小區內，按間隔20cm開溝，溝的深度約為5cm，根據墒情在溝內適當灌水，之後將鬼針草種子均勻地撒入溝中，覆土並壓實。種子平均用量為1.20g/m2。在鬼針草生長早期及時人工除去雜草，以促進鬼針草幼苗的生長。期間根據土壤墒情適時灌水，一般每25~35天灌水一次。2015年9月28-30日收穫鬼針草。收穫時，在每個小區內選擇3個有代表性區域採樣，每個區域長為2m、寬為2m。收穫時用鐮刀將採樣區域鬼針草貼近地面割下，稱重，之後運到晾曬場晾曬。同時，分別從以上樣品中每個取出1份樣品，重量約1kg，依次用自來水和蒸餾水洗滌乾淨後稱重，之後烘乾，稱重，粉碎，測定鬼針草全鎘含量，同時根據兩次重量計算含水量。根據鬼針草鮮重產量和含水量計算各小區鬼針草乾重產量，並計算鬼針草對土壤鎘的吸收量。
3、在項目區撒施尿素、普通過磷酸鈣和硫酸鉀，尿素和普通過磷酸鈣用量均為20kg，硫酸鉀用量為4kg。之後對項目區土地利用拖拉機進行翻耕，重新劃分為4個小區（小區長和寬均為10m），小區分界仍同上次。於2015年10月2日在項目區種植油菜（品種為新早821），種子用量為400g/（667m2）。種植方法為開溝條播，溝深度約5cm，行距為60cm。2016年3月和4月各灌溉一次。2016年5月27日收穫油菜。收穫時，在每個小區內選擇3個有代表性區域採樣，每個區域長為2m、寬為2m。收穫時用鐮刀將採樣區域油菜小心地貼近地面割下，手工將油菜莢剝開，收集油菜種子。從每份油菜秸稈中取約1kg作為樣品。分別將植株和油菜籽稱重，之後將植株和油菜籽洗淨，烘乾，稱重。將以上樣品粉碎後混合均勻，測定植物體和油菜鎘含量。根據以上數據計算油菜秸稈和油菜籽產量、油菜秸稈的重金屬吸收量。
4、在項目區撒施尿素、普通過磷酸鈣和硫酸鉀，尿素和普通過磷酸鈣用量均為20kg，硫酸鉀用量為4kg。之後對項目區土地進行翻耕，劃分小區，重新種植鬼針草。
5、測定結果
（1）鬼針草產量和重金屬含量
4個小區鬼針草產量（乾重）分別為0.993×104、1.16×104、1.10×104和1.02×104kg/hm2，平均值為1.07×104kg/hm2，標準差為0.0750×104。4個小區鬼針草地上部鎘含量分別為10.2、9.99、9.61、9.98mg/kg，平均值為9.95mg/kg，標準差為0.251。鬼針草地上部鎘吸收量分別為102、116、106和102g/hm2，平均值為106g/hm2，標準差為6.59。
4個小區的油菜地上部（不含籽粒）產量分別為1.75×104、1.84×104、1.83×104和1.98×104kg/hm2，平均值為1.85×104kg/hm2，標準差為0.0968×104。4個小區油菜地上部鎘含量分別為2.16、2.04、2.24和2.02mg/kg，平均值為2.11mg/kg，標準差為0.104。油菜地上部鎘吸收量分別為37.7、37.6、41.3和40.0g/hm2，平均值為39.1g/hm2，標準差為1.82。
因此，以上4個小區在種植1季鬼針草和1季油菜後，植物體從土壤中帶走的鎘總量平均為145.1g/hm2。假設植物吸收的鎘全部來自0-20cm、且土壤容重為1300kg/m3，則1hm2面積、厚度為20cm的土壤中鎘含量為6760g，種植以上兩種植物各1季後，植物吸收的鎘佔土壤鎘的比例為2.15%。
4個小區油菜籽粒的平均產量（乾重）分別為0.476×104、0.553×104、0.518×104和0.464×104kg/hm2，平均值為0.503×104kg/hm2，標準差為0.0408×104。油菜籽中鎘含量的變化範圍為0.213-0.259mg/kg，平均值為0.233mg/kg，標準差為0.0461。
因此，通過以上一年的修復，可以降低土壤0-20cm土層鎘2.15%，同時生產出產量為0.503×104kg/hm2、籽粒鎘含量為0.233mg/kg的油菜籽，取得一定的經濟收入。