一种镉污染农田土壤的植物修复方法与流程

本发明属于环境中重金属污染的植物修复技术领域，尤其涉及一种镉污染农田土壤的植物修复方法。

背景技术：

十字花科遏蓝菜属的遏蓝菜是目前公认的镉、锌超积累植物之一，但遏蓝菜为莲座状生长，生长速率很慢，生物量小，不适宜严重镉和锌污染土壤的修复。十字花科芸苔属植物印度芥菜是筛选出的另一种生长快、生物量大的累积镉植物。在同样条件下，它的生物量是遏蓝菜的10倍以上。尽管印度芥菜地上部的镉含量没有遏蓝菜高，但由于其生物量大，总吸镉量和对污染土壤的净化率远远高于遏蓝菜。然而印度芥菜有它的生长地域性，在中国的面积很小。

现已报道关于强化辅助植物修复镉污染土壤措施包括矿物硅肥、微生物菌剂、edta、ph、秸秆还田等，均能提高油菜对土壤中镉的吸收量，但矿物硅肥、微生物菌剂和edta价格相对昂贵，大面积镉污染农田施用成本较高；较低的ph能促进油菜对镉的吸收，但控制大田土壤的ph值操作困难，且易造成土壤酸化；秸秆还田是较为经济可行的方法，但秸秆还田量和均匀程度不易控制，量过大或不均匀易发生土壤微秸秆生物与作物幼苗争夺养分的矛盾，甚至出现黄苗、死苗、减产等现象，且极易引发病虫害。

综上所述，现有技术存在的问题是：筛选出的超积累镉植物生物量小，移除率低或种植面积小，来源受限。同时，辅助措施对土壤或植物存在一定影响或来源受限或价格昂贵或在大田中操作困难等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种镉污染农田土壤的植物修复方法。

本发明是这样实现的，一种镉污染农田土壤的植物修复方法包括以下步骤：

步骤一、种植高积累镉油菜品种：品种采用高积累镉油菜品种德油5号；所用高积累镉油菜品种是指地上部富集系数在1.5左右，且重金属cd污染浓度在30mg.kg^-1处理时，油菜体内cd积累量达到最大值平均为1648.54ug.plant^-1，随着cd处理浓度的增加，油菜体内cd积累量显著增加；

步骤二、对种子进行包衣和在初花期喷洒菌核净防治菌核病，在苗期根据田间杂草情况进行锄草，在苗期根据田间虫害情况进行菜青虫和蚜虫防治，在角果期根据田间虫害情况进行蚜虫防治；

步骤三、油菜整个生育期，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的70％-80％；

步骤四、油菜收获：油菜整个生育期田间持水量达到70％-80％，有利于地下部吸收的镉向地上部转移，适用于收获地上部；田间持水量为60％-80％时，油菜体内镉含量分布规律是叶＞茎＞根＞角果壳＞籽粒，田间持水量为50％-60％时，油菜体内镉含量分布规律是叶＞根＞茎＞角果壳＞籽粒。

进一步，在步骤一中，

当播种方式为免耕直播，则播种量为0.5kg/亩，每亩拌和30kg/亩尿素(46％n)进行撒施，三叶期间苗，五叶期定苗，留苗密度1万株/亩，后期根据油菜长势进行追肥(尿素)，播期为9月15日左右；

当播种方式为移栽，则9月中下旬集中撒播，待油菜三叶期时间苗，五叶期移栽(10月15日)，移栽密度为1万株/亩；移栽前亩施复合肥60kg，然后用90马力拖拉机翻耕1次，旋耕2次，旋耕深度10-15cm；

当播种方式为机械直播，则用2bs-2油菜精量播种机进行免耕直播施肥，播种量为0.2kg/亩，亩施复合肥60kg，播期为10月初。

进一步，在步骤一中，随着cd处理浓度的增加，油菜体内cd积累量显著增加；

当cd浓度为5mg.kg-1时，油菜吸cd量平均为424.76ug.plant-1；

当cd浓度为15mg.kg-1时，油菜吸cd量平均为866.67ug.plant-1；

当cd浓度为30mg.kg-1时，油菜吸cd量达到最大值平均为1648.54ug.plant-1。

进一步，在步骤二中，

初花期菌核病防治和角果期蚜虫防治采用无人机利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵，菌核病防治在油菜初花期每亩喷40％菌核净100克，蚜虫防治在油菜角果期每亩喷40％氧化乐果乳剂1000倍液。

进一步，在步骤三中，

当土壤cd浓度为5mg.kg-1时，田间持水量为50％-60％、60％-70％、70％-80％时对应的油菜单株吸镉量和移除率分别为268.58μg、421.29μg、584.41μg和7.37％、6.48％、11.69％，差异显著；

当土壤cd浓度为15mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％单株油菜吸镉量和移除率分别较田间持水量为60％-70％增加88.2％和87.97％，较田间持水量为50％-60％增加121.1％和85.24％；

当土壤cd浓度为30mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％单株油菜吸镉量和移除率分别较田间持水量为60％-70％增加75.1％和75.06％，较田间持水量为50％-60％增加89.6％和89.86％。

进一步，在步骤三中，

安装田间动力喷灌设备，电脑控制灌水。

进一步，在步骤四中，

先采用电动绿篱修剪机将油菜割倒摊晒，在利用油菜脱粒机进行脱粒，在回收油菜秸秆碎渣集中处理。

本发明的优点及积极效果为：

1)作用效果好。联合应用了高积累镉油菜品种和能促进油菜吸镉量的水分管理措施；高积累镉油菜品种本身具有高积累镉的特征(富集系数是低积累品种的7倍以上)，在此基础上，本发明结合使用了能促进油菜对镉吸收的水分管理措施(整个生育期保持土壤水分为田间持水量的70％-80％)，将二者结合起来，可以显著提高油菜对土壤镉的移除率。在cd浓度为5mg.kg-1的土壤中，单株移除率高达11.69％，是田间持水量为50％-70％时移除率的1.6倍以上。是同等条件下中积累镉品种半斤油(9.94％)和川油36(9.92％)的1.15倍以上。是超积累镉植物遏蓝菜单株移除率(0.6％)的19倍以上。

2)原料来源广泛，成本低廉，对土壤和植物无不良影响。本发明使用的油菜为我国主要油料作物，常年种植面积在667万hm²以上，而印度芥菜在我国种植面积很小，且印度芥菜种子价格(320元/斤)是油菜种子价格(20元/斤)的15倍以上，每亩节约180元(每亩用种量300g)；本发明使用的水分来源十分广泛，成本低廉，仅2-5元/m³，微生物菌剂和矿物硅肥20-45元/kg不等。同时，灌溉后不仅可以促进油菜对镉的吸收量，而且可以提高油菜水分、养分利用率，获得高产，可谓一举数得。

3)适用范围广。本发明提供的方法可以在大面积镉污染的农田中使用，同时现场使用方法简单，可以直接、快速、有效地降低我国农田土壤镉含量，适合于大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的不同土壤水分下油菜对镉的吸收量示意图；

图2是本发明实施例提供的不同土壤水分下油菜各器官镉含量分配比例；

图2中：a为高水下各器官镉含量分配比例；b为中水下各器官镉含量分配比例；c为低水下各器官镉含量分配比例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1)种植高积累镉油菜品种：品种采用高积累镉油菜品种德油5号。

当播种方式为免耕直播，则播种量为0.5kg/亩，每亩拌和30kg/亩尿素(46％n)进行撒施，三叶期间苗，五叶期定苗，留苗密度1万株/亩，后期根据油菜长势进行追肥(尿素)，播期为9月15日左右；

当播种方式为移栽，则9月中下旬集中撒播，待油菜三叶期时间苗，五叶期移栽(10月15日)，移栽密度为1万株/亩。

移栽前亩施复合肥60kg(美丰比利夫复合肥n-p2o5-k2o：15-15-15含低氯，总养分≥45％)，然后用90马力拖拉机翻耕1次，旋耕2次，旋耕深度10-15cm；当播种方式为机械直播，则用2bs-2油菜精量播种机进行免耕直播施肥，播种量为0.2kg/亩，亩施复合肥60kg(美丰比利夫复合肥n-p2o5-k2o：15-15-15含低氯，总养分≥45％)，播期为10月初。

所用高积累镉油菜品种是指地上部富集系数在1.5左右，且重金属cd污染浓度在30mg.kg-1处理时，油菜体内cd积累量达到最大值平均为1648.54ug.plant-1，随着cd处理浓度的增加，油菜体内cd积累量显著增加。当cd浓度为5mg.kg-1时，油菜吸cd量平均为424.76ug.plant-1；当cd浓度为15mg.kg-1时，油菜吸cd量平均为866.67ug.plant-1；当cd浓度为30mg.kg-1时，油菜吸cd量达到最大值平均为1648.54ug.plant-1；

2)田间水分管理：油菜整个生育期，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的70％-80％。

油菜整个生育期田间持水量保持在70％-80％油菜吸镉量和移除率较田间持水量为50％-70％显著提高。

当土壤cd浓度为5mg.kg-1时，田间持水量为50％-60％、60％-70％、70％-80％时对应的油菜单株吸镉量和移除率分别为268.58μg、421.29μg、584.41μg和7.37％、6.48％、11.69％，差异显著；

当土壤cd浓度为15mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％单株油菜吸镉量和移除率分别较田间持水量为60％-70％增加88.2％和87.97％，较田间持水量为50％-60％增加121.1％和85.24％；

当土壤cd浓度为30mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％单株油菜吸镉量和移除率分别较田间持水量为60％-70％增加75.1％和75.06％，较田间持水量为50％-60％增加89.6％和89.86％。

其他管理措施如下：

(1)对种子进行包衣和在初花期喷洒菌核净防治菌核病，在苗期根据田间杂草情况进行锄草，在苗期根据田间虫害情况进行菜青虫和蚜虫防治，在角果期根据田间虫害情况进行蚜虫防治。

(2)油菜收获：油菜整个生育期田间持水量达到70％-80％，有利于地下部吸收的镉向地上部转移，适用于收获地上部。田间持水量为60％-80％时，油菜体内镉含量分布规律是叶＞茎＞根＞角果壳＞籽粒，田间持水量为50％-60％时，油菜体内镉含量分布规律是叶＞根＞茎＞角果壳＞籽粒。

实施例1：大田试验

试验地点设在成都周边各市县，包括德阳、绵竹、广汉、什邡、彭州，采用实地调研各市县农田土壤镉污染情况，向农业管理部门及当地农户调研当地主要栽植的油菜品种，然后区别稻田和旱地根据油菜种植面积大小采用非均匀布点方法选取具有代表性的油菜农田作为采样区，即同时考虑地块的代表性与油菜品种的代表性(面积1000m²左右、历史栽培一致、土壤类型一致)。在每个采样区用梅花布点法取五点混合样，记录地理位置及油菜品种名称。取样在油菜成熟时进行(5月3日至5月15日)，采集土壤及该块田油菜植株地上部分。取地表0-15cm剖面土壤，沿剖面均匀切块，将五点样混合，带回实验室掰成碎块摊晾，室内自然风干后磨细；在调查地块随机取5株植株，遵循五点法原则，将植株沿地平面切断，取地上部分，每一取样地块装一袋，带回实验室，摊晾2-3d后脱粒，将籽粒与秸秆分离，籽粒继续摊晾，秸秆用烘箱烘干。

调查发现德阳、彭州均种植德油5号，且均为当地吸镉能力最强的品种，地上部富集系数分别达到2.05和1.64，也明显高于其他市县吸镉能力最强的品种，如广汉的蓉油7号(1.37)、绵竹的821(1.09)、什邡的德油4号(1.34)，是富集系数最小品种亚华油(0.23)的7倍以上，且籽粒镉含量平均仅为0.062mg/kg。根据2010年jecfa第73次会议建议镉的每月耐受摄入量(ptmi)暂定为25μg.kg-1，而油菜籽中的镉转移到菜籽油中的比例为2％～10％，德油5号籽粒镉含量以最大比例10％的量转移到菜籽油中，其量也仅为6.2μg.kg-1。《中国居民膳食指南》中建议一个人一天的食用油摄入量不宜超过0.025kg，即一个月不宜超过0.75kg。若食用含镉6.2μg.kg-1的食用油一个月，其镉摄入量为4.65μg.kg-1，远低于每月耐受摄入量，不存在消费风险，可放心食用。

实施例2：盆栽试验

试验地点设在四川省农业科学院新都试验园有防雨设施的网室中，采用盆栽模拟土壤cd污染的方法，将油菜幼苗移栽于添加cd的盆栽土壤中，供试土样为0-20cm的表层土，基本理化性质为ph6.14，全磷4.2mg/kg，有效磷2.8mg/kg，全钾0.0132g/kg，有效钾96.5mg/kg，全氮73.4mg/kg，有效氮42.9mg/kg，有机质8g/kg。盆栽使用直径35cm、高28cm，下底自带托盘的塑料盆，每盆盛过筛风干土10kg。氮肥使用尿素，磷肥使用磷酸二氢钾，各种肥料在油菜移栽前一次性施加，后期不再追肥。施加量分别为n0.1g/kg、p0.15g/kg、有机肥15g/kg，与供试土壤充分混匀。以分析纯cdso4作为污染试剂，用去离子水配成母液，再逐级稀释，分别按照土壤cd含量为0、5、15、30mg/kg的设计水平，喷洒到盆栽实验的土壤中，边喷边搅拌，保证cd的均匀分布，平衡4周后待用。本试验于2015年9月开始，移栽的油菜品种选择四川省广泛种植且经前期研究表明其吸cd能力较强的徳油5号，每盆1颗，3次重复。移入后，为保证油菜生长，充分灌水，苗期不做任何处理。2015年12月18日起，对油菜进行水分处理，分别设置高水(hw)、中水(mw)、低水(lw)3个处理，各个处理的水分控制标准依次为-田间持水量的70％-80％、60％-70％和50％-60％。生长过程中，收集落叶待测。油菜成熟后，收获植株，用蒸馏水洗净整个植株，晾干，将油菜各个器官(根、茎、叶、角果壳、籽粒)分开，70℃烘干至恒重，用电子天平称取各部分干质量，烘干样品粉碎过0.425mm筛，用于测定重金属cd含量。

不同土壤水分下油菜对镉的吸收量见图1。由图1可知，当土壤cd浓度为5mg.kg-1时，田间持水量为50％-60％、60％-70％、70％-80％时对应的油菜单株吸镉量分别为268.58μg、421.29μg、584.41μg，差异显著(p＜0.05)；当土壤cd浓度为15mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％较田间持水量为60％-70％增加88.2％，较田间持水量为50％-60％增加121.1％。当土壤cd浓度为30mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％较田间持水量为60％-70％增加75.1％，较田间持水量为50％-60％增加89.6％。

图2为不同土壤水分下油菜各器官镉含量分配比例。油菜整个生育期田间持水量达60％-80％，油菜体内镉含量分布规律是叶＞茎＞根＞角果壳＞籽粒，田间持水量为50％-60％时，油菜体内镉含量分布规律是叶＞根＞茎＞角果壳＞籽粒。

表1为不同土壤水分下单株油菜移除率。由表1可知，当土壤cd浓度为5mg.kg-1时，田间持水量为50％-60％、60％-70％、70％-80％时对应的单株油菜移除率为7.37％、6.48％、11.69％，差异显著；当土壤cd浓度为15mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％单株油菜移除率分别较田间持水量为60％-70％增加87.97％，较田间持水量为50％-60％增加85.24％；当土壤cd浓度为30mg.kg-1时，田间持水量为70％-80％单株油菜移除率较田间持水量为60％-70％增加75.06％，较田间持水量为50％-60％增加89.86％。

表1不同土壤水分处理下的单株移除率(％)

总的来看，由于受基因型控制，无论在任何处理中，高积累镉油菜品种德油5号镉积累量都显著高于其他品种，而通过水分调节后，德油5号吸镉量又显著提高。因此，通过水分管理措施可以显著提高油菜吸镉量，进而高效修复农田土壤镉污染。

本发明的实施不仅限于盆栽土壤，还可在cd污染农田中进行使用。在当今农田土壤cd污染问题越来越严重的形势下，将高积累镉油菜品种联合能促进油菜吸镉量的措施，具有很大的实际意义。

以上所述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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。