一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法
【專利摘要】一種利用菊苣?油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法，該方法是將菊苣和油葵按其自然生長期以菊苣?油葵輪作模式種植在重金屬復合污染的土壤中，進行常規栽培。菊苣和油葵在鎘污染土壤中均能夠正常地生長，沒有出現明顯的毒害癥狀，不影響菊苣和油葵的產量；而且因其地上部分生物量大，能夠吸收積累大量的多種重金屬，特別是對于重金屬鎘在植株中的含量明顯高于土壤本底值，達到了富集的水平。采用本方法栽培較簡單，管理費低，其中油葵有很高的食用價值和藥用價值，菊苣有較高的蛋白質和飼用價值，經過簡單處理后又能避免重金屬重新進入食物鏈，可以在治理污染的同時得到較高的經濟收入。
【專利說明】
一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及污染環境的植物修復技術，具體涉及一種利用菊苣-油葵輪作模式修 復土壤重金屬鎘污染的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著環境質量的惡化和對農藝化學品日益增長的依懶性，土壤重金屬污染問題已 經成為世界各地關注的熱點注。據估計，目前中國受污染的耕地面積近2000萬hm 2,約占耕 地面積的1/5,農田污灌面積已達130多萬hm2。每年因土地污染而減少的糧食產量高達1000 萬噸，直接經濟損失達100多億元。
[0003]在法國北部，由于20世紀的冶金工業的高速發展，土壤遭到了嚴重的重金屬污染。 據美國環境保護局統計，由美國政府直接管理的礦山、企業等導致的污染點就有19000處， 其中含有重金屬污染的占38%。美國東南部地區牧草生產中，由于長期大量施用禽糞，導致 Cu、Zn在土壤中大量積累。
[0004] 據報道，中國受污染的耕地面積達2000萬hm2,約占耕地總面積的1/5,其中重金屬 污染(主要是Pb、Zn、鎘）約占污染面積的30%-40%。農業部1995年對我國污灌區的調查顯 示，全國有140萬hm 2的污灌面積，遭受重金屬污染的土地面積占污灌區總面積的64.8%，其 中8.4%、9.7%、46.7%的面積分別受到重金屬的重度、中度和輕度污染。土壤受到重金屬 污染后，會危害植物生長。高濃度重金屬污染會導致植物葉綠素含量與光合速率下降，超氧 化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)的活性下降，細胞膜被破壞，種子發 芽率降低，生長遲緩，產量降低，葉片黃化，花期推遲，根系受到抑制，嚴重時植株死亡。
[0005] 目前國內外都在對重金屬污染土壤的修復技術進行研究。由于植物修復技術具有 永久的治理效果、低廉的治理成本、簡易的后期處理等優點，使其成為重金屬污染治理的研 究熱點。而該技術對重金屬修復效果的關鍵在于修復植物品種的選擇和改良措施的應用。
[0006] 因而加強對污染土壤生態修復的相關研究，進一步充實、完善污染生態修復的理 論內容，建立起污染生態修復的理論框架，應是目前的首要任務。
【發明內容】
[0007] 本發明目的在于，針對上述現有技術的不足，提供一種利用菊苣-油葵輪作模式修 復土壤重金屬鎘污染的方法，以解決現有重金屬污染土壤修復技術中植物存在的季節限 制、生長緩慢、地上部分生物量低、吸收積累重金屬總量少、不具有較好的經濟效益、實際應 用綜合效果不大等問題。
[0008] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:一種利用菊苣-油葵輪作模式修 復土壤重金屬鎘污染的方法，該方法是將菊苣和油葵按照其自然生長期以菊苣-油葵輪作 模式種植在重金屬復合污染土壤中，進行常規栽培，通過菊苣和油葵在自然生長過程中對 重金屬鎘的吸收富集能力從而去除土壤中過量的重金屬鎘。
[0009] 上述種植在重金屬復合污染土壤中的菊苣和油葵是兩種對重金屬有超耐性的植 物，對重金屬有超強的富集能力。
[0010]上述菊苣和油葵在重金屬復合污染地區進行野外大田種植，選擇土層深松的適應 土地，進行常規的耕地、施肥，將菊苣和油葵以菊苣-油葵輪作模式直播在污染土壤中，做好 苗期防凍措施，后續的病蟲害管理，以及田間墑情管理，適時地追肥。
[0011]上述在重金屬復合污染土壤中種植的菊苣和油葵，能從土壤中吸收大量的重金 屬，隨著植物的生長，地上部分生物量的加大，菊苣和油葵對重金屬積累的總量也隨之增 加。于前一年9月種植菊苣，于第二年5月初菊苣收割以后，5-8月種植油葵（品種分別是 GlOl、G104和矮大頭，生育期為90天），油葵收割后繼續于9月種植菊苣，進行菊苣-油葵輪 作，能有效降低土壤中重金屬的含量，修復污染土壤并獲得收益。
[0012] 上述菊苣和油葵在重金屬復合污染土壤中均正常生長，按照高產田塊的管理方式 去管理，畝產菊苣鮮草1.5萬公斤，折合干草2200公斤，油葵畝產300-450公斤。
[0013] 本發明中的菊苣適口性好，利用率高，豬馬牛、雞鴨鵝均喜食。每年可刈割4-6次， 畝產鮮草1.5萬公斤，折合干草2200公斤。本發明中的油葵，別名太陽花，為一年生草本植 物，是菊科油葵屬，高1-3米，莖直立，粗壯。耐旱，能產果實葵花籽，世界各地均有栽培。經試 驗表明，菊苣和油葵對多種重金屬都有很強的耐性和富集能力。本發明充分利用菊苣和油 葵對重金屬的這一富集特性，將其種植在重金屬復合污染的地區，吸收積累土壤中的重金 屬，尤其是重金屬鎘，而且因其地上部分生物量大，能夠吸收積累大量的多種重金屬，特別 是對于重金屬鎘在植株中的含量明顯高于土壤本底值，達到了富集的水平。如此，當菊苣和 油葵成熟后通過收割加工地上部分來提取土壤中的重金屬，從而達到降低污染土壤中重金 屬鎘含量的目的。通過對收獲物的后加工處理，可以生產出合格的葵花籽油（見ZL 201310711898.9)和菊苣飼用蛋白。
[0014] 本發明的有益效果是:發明人通過試驗研究發現，菊苣和油葵對多種重金屬尤其 是重金屬鎘具有顯著的富集特性，能在重金屬復合污染的土壤中正常生長。本發明正是利 用菊苣和油葵對重金屬的這一耐性和富集特征，將其直接種植于重金屬復合污染的地區， 通過對成熟植株的挖采和處理，以達到修復重金屬復合污染土壤的目的。由于菊苣和油葵 對土壤的適應性強，生長旺盛，地上部分發達，生物量大，抗旱能力強，生長范圍較廣，栽培 較簡單，管理費低，通過對收獲物的后加工處理可以獲得較高價值的資源，可以在治理污染 的同時得到一定的經濟收入，實現邊修復、邊利用的目的。因此，本發明為土壤重金屬復合 污染的植物修復技術開發了新的植物資源品種和修復方法，利用重金屬污染土壤的種植產 生經濟效益，無論從生態學角度，還是從經濟學角度都將具有重要的現實意義。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明實例中菊苣-油葵種植模式對鎘單株提取總量分析圖。
[0016] 圖2為本發明實例中菊苣-油葵種植模式對土壤鎘修復效果分析圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合【具體實施方式】對本發明做進一步詳細描述。但不應將此理解為本發明上 述主題的范圍僅限于下述實施列。
[0018] 實施例1污染礦區土壤修復試驗
[0019]試驗地點為湖南郴州礦區受重金屬污染的農田，該農田土壤為重金屬鎘濃度為 1.44mg/kg，其中有效態鎘含量為0.73mg/kg。
[0020] 具體作法為:將菊苣和油葵(油葵品種為GlOl、G104和矮大頭，菊苣品種為將軍菊 苣)按其自然生長期以菊苣-油葵輪作模式在重金屬復合污染地區進行野外大田種植，選擇 土層深松的適應土地，進行常規的耕地、施肥，將菊苣和油葵直播在污染土壤中，做好苗期 防凍措施、后續的病蟲害管理、以及田間墑情管理，并適時地追肥。
[0021] 取樣是于第二年油葵收割后。供試土壤采集于上述郴州礦區重金屬污染農田種植 菊苣和油葵地，田間無水。采樣深度為0~30cm。采用多點取樣，混合土樣由3個以上分布點 樣品組成。土壤樣品取回后，將土塊壓碎，除去殘根、雜物，鋪成薄層，經常翻動;在陰涼、潔 凈、無污染處自然風干;風干土樣用有機玻璃棒或木棒壓碎，過80目尼龍篩，用微波消解法 測本底值。農田采回的菊苣和油葵植物樣品，先用自來水將植株表面的泥土徹底清洗干凈， 不能殘留一點土壤;再把植株體的各個部位分離開，菊苣分為根和葉，油葵分為根、莖、葉、 花和果實；用去離子水將植物各部位清洗3遍，瀝干水分后裝入信封袋，放入烘箱內；先在 105°C殺青2小時，然后調至60°C烘48小時。烘好的植物干樣用粉碎機粉碎后用實物樣品消 解方法處理，根據樣品中重金屬濃度和儀器最低檢測限用ICP-OES測定樣品中重金屬濃度。 [0022]試驗結果如下：
[0023]由下表1可知，在菊苣-油葵輪作模式中，菊苣對重金屬鎘的積累效果非常明顯，苗 期鎘含量為9.34mg/kg，富集系數為6.03。成熟期根部和地上部分鎘含量分別為20.51mg/kg 和23.67mg/kg，且地上部分含量高于根部；富集系數分別為13.23和15.27。于5月初菊苣收 割后輪作油葵，在生長期及成熟期分別采樣分析，結果表明，隨著時間增長，油葵體內各部 位鎘含量呈遞增趨勢，成熟期各部位鎘含量都在生長期的1.45倍以上。成熟期鎘含量最高 的部位為根、葉和果肉，鎘含量分別為5.57mg/kg、3.72mg/kg和3.18mg/kg。本試驗中油葵對 鎘的吸收能力不如菊苣，可能與土壤有效態鎘含量及生長環境有關。本試驗表明，油葵秸桿 的生物量較大，對鎘的吸附能力顯著。因此菊苣-油葵輪作模式可用于Pb和鎘復合污染土壤 的植物修復。
[0024]表1菊苣和油葵的生物量(干重)及鎘濃度、富集系數(單位:mg/kg)
[0025]
[0026] 由圖1可知，在菊苣-油葵輪作模式中，兩種作物對鎘的提取量都非常大。其中，油 葵對鎘的單株提取效果好于菊苣，但由于油葵地上部分生物量大，株平均高度達175cm，因 此油葵的鎘提取總量很大。
[0027]由圖2可知，菊苣-油葵輪作模式對土壤鎘污染的修復效果非常明顯。其中土壤鎘 總量本底值為1.44mg/kg，修復后鎘總量降低為1.16mg/kg，修復效率為18.71 %。修復前土 壤鎘有效態含量為〇.73mg/kg，修復后有效態鎘含量降低為0.58mg/kg，修復效率為 20.55%。驗證了菊苣-油葵輪作模式對土壤重金屬鎘的提取能力，表明菊苣-油葵輪作模式 對土壤鎘污染的巨大修復潛力。
[0028]經濟效益:菊苣葉葉叢期粗蛋白含量22.87%，初花期粗蛋白含量為14.73%，平均 17%，粗蛋白質畝產量達250公斤。初花期含粗脂肪2.1 %，粗纖維30.6%。氨基酸含量豐富， 葉叢期9種必需氨基酸含量高于苜蓿草粉，維生素、胡蘿卜素、鈣含量豐富。菊苣適口性好，利 用率高，豬馬牛、雞鴨鵝均喜食。每年可刈割4-6次，畝產鮮草1.5萬公斤，折合干草2200公 斤。葵花油出油率高，而且不飽和脂肪酸的含量遠遠高于大豆油、菜籽油、花生油、棉籽油， 被稱為"保健營養油"。油葵生育期短，油葵適應性很強，可粗耕粗種，一般春播100-110天， 夏播85-90天，且播期長，從3月下旬到7月中下旬均可播種;油葵平均畝產300-450公斤。 [0029]綜合以上結果表明：
[0030] (1)本種植模式中的菊苣和油葵都有對重金屬鎘良好的吸收積累能力。其中菊苣 地上部分對鎘的單株提取能力和油葵相當，油葵單株總提取量大于菊苣。
[0031] (2)本種植模式對土壤重金屬鎘的實際修復效果理想。
[0032] (3)綜合分析菊苣-油葵種植模式，菊苣提取重金屬鎘的效果沒有油葵好，但再生 力強，利用時間長，一年可割4-6次，畝產可達1.5萬多公斤，且耐旱力強，對土壤要求不嚴， 各類地質均可種植;而油葵長勢非常好好，地上部分生物量很大，能夠帶走的重金屬量也很 大，其種子含油量極高，可炒食，亦可榨油，為重要的油料作物。經過重金屬脫毒處理后可以 達到食品安全的標準，且經濟效益很高。因此，采用菊苣-油葵種植模式在重金屬鎘修復和 經濟效益方面均能取得令人矚目的效果。
【主權項】
1. 一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法，其特征在于:該方法是 將菊苣和油葵按照其自然生長期以菊苣-油葵輪作模式種植在重金屬復合污染土壤中，進 行常規栽培，通過菊苣和油葵在自然生長過程中對重金屬鎘的吸收富集能力從而去除土壤 中過量的重金屬鎘。2. 如權利要求1所述的一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法，其 特征在于:所述菊苣-油葵輪作模式是指菊苣于前一年9月種植;菊苣連續收割以后，于第二 年5-8月種植油葵，油葵收割后于9月繼續種植菊苣，按此順序重復操作。3. 如權利要求2所述的一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法，其 特征在于:所述油葵的品種為G10UG104和矮大頭;菊苣品種為將軍菊苣。4. 如權利要求2所述的一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法，其 特征在于:所述菊苣和油葵在重金屬復合污染土壤中均正常生長，按照高產田塊的管理方 式去管理，菊苣畝產1.5萬公斤，油葵畝產300-450公斤。5. 如權利要求2所述的一種利用菊苣-油葵輪作模式修復土壤重金屬鎘污染的方法，其 特征在于:所述菊苣地上部分對鎘的單株提取能力和油葵地上部分相當，但油葵單株總提 取量大于菊苣。
【文檔編號】B09C1/10GK105921511SQ201610303900
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】曾清如, 楊洋, 陳璘涵
【申請人】湖南農業大學