一种螯合剂及利用其强化东南景天修复镉污染菜地的方法

摘要

本发明公开了一种螯合剂及利用其强化东南景天修复镉污染菜地的方法，该螯合剂包括黄腐酸钾和有机酸。本发明采用黄腐酸钾与有机酸联合强化，黄腐酸钾可以改善土壤结构和土壤环境，诱导土壤中多种有益菌群的形成，促进东南景天的生长；柠檬酸则可以增加土壤Cd的可溶性，促进东南景天对Cd的吸收和积累，同时在土壤中易降解，环境风险低；两种组分表现出很好的协同作用，显著提高了东南景天对土壤Cd的去除率，改善了单一施用有机酸对土壤环境带来的不利影响，且对减少农田土壤化肥使用量、缓解农田土壤重金属面源污染具有重大的实践意义。

说明书

技术领域

本发明涉及重金属污染农田土壤环境治理技术领域，更具体的说是涉及一种螯合剂及利用其强化东南景天修复镉污染菜地的方法。

背景技术

人类工农业活动如采矿、冶炼、肥料施用、污泥农用及污水灌溉等导致世界许多区域农田土壤出现不同程度的镉污染。2014年环境保护部和国土资源部联合公布的数据显示，我国土壤镉的点位超标率为7.0％，位于八大超标金属元素之首。农田土壤镉污染导致作物可食部镉累积，人体通过膳食摄入镉污染作物进而可能危害人体健康。蔬菜是人们日常饮食中必不可少的食物之一，其安全生产问题不容忽视。农田土壤镉污染引起的农产品安全问题已备受关注，在当前中国耕地资源紧缺背景下，如何保障中低浓度镉污染菜地土壤的安全利用是研究热点也是难点。

单纯的植物修复需要花费数十年的时间，而且要中断农业生产，这对人口众多，人均耕地面积较少的我国来说是不现实的。水稻是我国主要的粮食作物，占全国粮食种植面积的四分之一，其安全生产问题不容忽视。农田中的镉易被水稻吸收，运输并最终积累在稻米内，导致稻米镉超标等粮食安全问题。因此，开发一种简单高效，兼具经济和社会效益的稻田镉污染边生产边修复技术具有重要意义。

尽管近几十年来国内外学者已经通过物理、化学、生物和化学-生物联合等技术修复镉污染农田土壤，并取得一系列研究成果，但由于土壤本身的复杂性加之作物对生长环境的强烈依赖性等主要因素导致上述部分研究成果无法在真实环境或者大范围内应用。此外，农田生态系统极易受到环境和人为因素的影响，基于物理、化学及生物方法的镉生物有效性调控技术都无法持久，环境因子的波动很有可能会导致土壤镉形态的转变，从而影响作物镉吸收、累积过程。为此，如何实现Cd污染农田土壤修复目标并具有长期稳定效果是需要重点关注的方向。

植物提取，被认为是环境友好、有吸引力、美观、非侵入性、节能且具有成本效益的技术，是指利用超积累植物吸收污染土壤中的重金属并在地上部积累，收割植物地上部分从而达到去除污染物的目的。实施植物提取的前提条件是选择合适的对污染重金属有较强吸收能力的超积累植物。东南景天对Cd有很强的富集能力，但超积累植物通常因生物量低、生长比较慢、对根际环境中金属污染物活化能力弱等特点限制污染农田高效修复。而螯合剂可增加土壤重金属的可溶性，促进植物对重金属的吸收和积累，从而进一步提高植物对重金属的提取效率。有机酸能够通过螯合作用而使土壤固态重金属释放出来，增加其移动性。柠檬酸、苹果酸、聚天冬氨酸等作为重金属螯合剂均有报道，为此，小分子有机酸对污染元素在土壤中活动性的影响不容忽视。

但单一施加螯合剂常抑制植物生长，生物量减少，甚至死亡。黄腐酸钾是一种分子量相对较小、易被作物吸收利用的大分子有机化合物，具有高负载量及生理活性，富含微生物菌群和有机质，对植物具有保水、抗旱、生长调节作用，可以改善土壤结构和土壤环境，诱导土壤中多种有益菌群的形成，达到解磷、解钾、固氮的功效，促进农作物的生理代谢，促进根系发达、茎叶繁茂。目前，对于黄腐酸钾与低分子有机酸螯合诱导植物修复的研究的报道相对较少，两者配施对东南景天吸收和提取重金属的影响尚未可知。如何选择适宜的螯合剂强化植物提取是当前修复Cd污染菜地土壤急需解决的的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了螯合剂及利用其强化东南景天修复镉污染菜地的方法，通过筛选得到的螯合剂配方促进东南景天对土壤Cd的吸收，有效降低土壤Cd含量，进而降低农产品对重金属的吸收累积，实现农业的高效、安全和可持续发展。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螯合剂，所述螯合剂中包括黄腐酸钾和有机酸。

优选的，所述黄腐酸钾和有机酸的质量比为2:1。

优选的，所述有机酸包括柠檬酸、苹果酸和聚天冬氨酸中的一种或两种混合。

本发明的另一个目的在于提供上述螯合剂强化东南景天修复镉污染菜地的方法，包括以下步骤：

(1)菜地翻耕：种植东南景天前对待修复地进行翻耕、分垄及覆膜；

(2)育苗：将东南景天在大棚或温室中育苗至株高10-15cm；

(3)移栽：在秋冬季闲置待修复菜地上种植东南景天，株间距20-25cm；移栽后及时浇水；

(4)喷施螯合剂：在东南景天幼苗期向东南景天根部区域土壤中均匀喷施权利要求3中所述螯合剂；

(5)田间管理：根据田间水分情况，定期进行常规浇水灌溉。

(6)收割：于第二年菜地种植蔬菜前收获东南景天，将东南景天整株植株移除。

(7)重复步骤(1)～(6)，直至菜地土壤安全达标。

优选的，步骤(1)中所述待修复地中土壤Cd含量超标2.9-3.0倍。

优选的，步骤(1)中所述分垄为每垄地宽0.8-1.2m，垄间距为0.23-0.27m。

优选的，步骤(3)中所述种植东南景天为选用培育的8～10cm长的茎段扦插。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用黄腐酸钾与有机酸联合强化(黄腐酸钾：柠檬酸＝2:1时，强化东南景天修复效果最佳)，黄腐酸钾可以改善土壤结构和土壤环境，诱导土壤中多种有益菌群的形成，促进东南景天的生长；柠檬酸则可以增加土壤Cd的可溶性，促进东南景天对Cd的吸收和积累，同时在土壤中易降解，环境风险低；两种组分表现出很好的协同作用，显著提高了东南景天对土壤Cd的去除率，改善了单一施用有机酸对土壤环境带来的不利影响，且对减少农田土壤化肥使用量、缓解农田土壤重金属面源污染具有重大的实践意义。

2、本发明采用黄腐酸钾与有机酸(柠檬酸、苹果酸、聚天冬氨酸)为螯合剂,通过不同的螯合剂配方，联合强化东南景天对土壤Cd进行修复。然后对比处理前后土壤重金属形态及植物重金属含量等来分析其活化效果，以确定较优的螯合剂配方，可更好地防止其他意外的不良反馈情况发生。

3、本发明所采用的黄腐酸钾是一种绿色有机肥，主要以植物渣体为原料，经生物发酵而成，将其应用于重金属污染菜地的诱导性植物修复中，具有良好的经济效益和环境效益。

4、本发明作为一种绿色原位修复技术，与传统土壤治理方法相比，工程量小、技术管理简单，同时收获的东南景天移出菜地，不会造成二次污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中试验小区分布示意图；

图2为活化处理联合东南景天修复对土壤Cd含量的影响；

图3为活化处理下土壤Cd形态分布；

图4为不同处理下东南景天Cd含量，其中a为地上部分，b为地下部分；

图5为不同处理下东南景天地下部和地上部Cd富集系数，其中a为地上部分，b为地下部分；

图6为不同活化剂施加后土壤镉的去除率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种联合黄腐酸钾和有机酸强化东南景天修复镉污染菜地的方法，包括以下步骤：

(1)菜地翻耕：种植东南景天前对待修复地进行翻耕、分垄及覆膜；

(2)育苗：将东南景天在大棚或温室中育苗至株高10-15cm；

(3)移栽：在秋冬季闲置待修复菜地上种植东南景天，株间距20-25cm；移栽后及时浇水，以促进植株成活；

(4)喷施螯合剂：在东南景天幼苗期向东南景天根部区域土壤中均匀喷施螯合剂(黄腐酸钾和有机酸)；

(5)田间管理：根据田间水分情况，定期进行常规浇水灌溉。

(6)收割：于第二年菜地种植蔬菜前收获东南景天，将东南景天整株植株移除，有效去除土壤中的镉，使后作蔬果等农作物更少吸收镉。

大田示范基地为佛山市三水区白坭镇解放沙村3亩菜地，依据前期螯合剂施加16天后试验结果筛选6种效果较好的活化剂处理，实现东南景天对镉污染土壤的高效修复。配方见下表1。

表1螯合剂配方

大田试验小区分布示意图见图1，图1中：

(1)蓝色区域为垄间距，为灌溉管道铺设通道。

(2)本试验处理水平共计7个，除CK、T8、T9这3个处理仅2个重复外，其余处理均设3个重复，共计18个小区，采用完全随机法进行排列。

数据分析：

1)不同处理对土壤砷镉总量的影响

螯合剂联合东南景天修复试验地80天后采集各试验小区土壤进行分析，测定其Cd含量，结果图2所示。由图可知，除处理T8、T9外，其余处理较CK处理土壤Cd含量均呈下降趋势，且T3处理下土壤Cd含量较CK处理降幅最大，为0.658mg/kg，降幅达14.77％。

2)不同处理对土壤砷镉形态的影响

通过对活化处理联合东南景天修复80天后试验小区土壤Cd形态进行分析，土壤Cd形态分布结果如图3所示。结合图3来看，未处理土壤中Cd主要以潜在有效态(可交换态+碳酸盐结合态)和残渣态为主要赋存形态。不同活化处理后，土壤Cd形态变化不一，其中T3处理下土壤Cd形态变化最大，土壤Cd潜在有效态较对照组增加13％，而残渣态降幅达17％；其次为T6和T5处理，T6处理下土壤Cd潜在有效态较对照组增加13％，而残渣态降幅为10％；T5处理下土壤Cd潜在有效态较对照组增加9％，而残渣态降幅为11％。

3)不同处理对东南景天吸收累积砷镉的影响

对活化处理80天后东南景天地上部分(茎和羽叶)和地下部分(根系)进行分析，测定其中镉浓度，结果如图4所示。结合东南景天地上部和地下部Cd含量来看，各处理下东南景天地下部Cd含量明显高于地上部，说明根系吸收Cd能力要高于茎叶。除T6处理外，其余处理下东南景天地上部和地下部Cd含量均高于对照组，其中T1处理下地上部和地下部Cd含量均最高，分别为9.57mg/kg、15.13mg/kg，这一趋势与东南景天的长势情况则相反；其次为T3处理，其地上部Cd含量为9.12mg/kg，地下部Cd含量为13.52mg/kg，这一吸收情况可能与该处理下东南景天长势最优有关。

为反映不同处理下东南景天对Cd富集程度的高低，对东南景天地上部和地下部Cd的富集系数进行计算，结果如图5所示。由图可看出，活化处理下东南景天地上部和地下部Cd的富集系数均高于对照组。T1处理下东南景天地上部和地下部Cd的富集系数均最高，分别为12.87、22.32，与T1处理下东南景天地上部和地下部Cd含量结果一致；其次是T3和T5处理，且T3处理下东南景天地上部和地下部Cd的富集系数分别为12.21、18.23，T5处理下东南景天地上部和地下部Cd的富集系数分别为9.94、19.14。

4)以土壤总镉含量计算去除率

为了量化各活化处理联合东南景天对该试验地土壤镉的去除率，从土壤镉总量降低角度，根据以下计算公式进行初步计算：

其中，EXEF

M

M

经计算，该试验地活化剂施加80天后，不同处理下土壤Cd的去除率见图6。由图可知，不同处理下土壤Cd的平均去除率范围为17.60％～32.78％。

分析不同配比活化剂处理对Cd的去除效果，对Cd去除效果最好的活化剂配方为T3，平均去除率为32.78％。与第一季单纯种植东南景天相比，活化剂施加后镉的平均去除率由9.18％提升至32.78％，活化剂辅助东南景天提取镉是一种见效快、周期短、可广泛推广的镉污染农田高效修复模式。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。