提高少花龙葵修复果园镉污染土壤能力的方法

摘要

本发明公开了一种提高少花龙葵修复果园镉污染土壤能力的方法，属于环境重金属污染的修复领域，包括以下步骤：采用直接移栽或者种子直接撒播方式将矿山生态型少花龙葵种于镉污染果园土壤中，待矿山生态型少花龙葵进入快速生长期后，叶面喷施1～20umol/L的脱落酸溶液；喷施至少30天后，对矿山生态型少花龙葵的地上部分进行收割。本发明是一种成本低、可操作性强、环境友好且有效的提高富集植物修复果园重金属镉污染的方法。

说明书

技术领域

本发明属于环境重金属污染的修复领域，尤其涉及修复果园镉污染土壤的方法。

背景技术

随着近年来工业污染、农田灌溉、农用物资等因素造成镉污染问题日趋严重。我国镉污染土壤面积已达20万平方公里，占总耕地面积的1/6。作为一种新兴和环保的修复方法，植物修复正在逐渐兴起，植物修复就是利用特定植物对特定重金属的远超普通植物的富集能力，将重金属又土壤富集于植物内，最终将植物收割即可将重金属从土壤中脱离。

少花龙葵(Solanum photeinocarpum)为一年生茄科植物，高可达1米，是一种常见果园杂草，已知对镉具有较强的富集能力。

但遗憾的是，其只是一种潜在的镉超富集植物，因为其转运系数离1还比较远(评价超富集植物的重要指标，即地上部分的镉富集能力超过地下部分，因为通常收割都是只收割地上部分，如果同时也收割地下部分，虽然能够最充分地移除镉，但由于工作量大为增加，难以具备现实修复意义)。

而且，在高浓度镉污染条件下，少花龙葵对镉的富集能力还进一步下降。

因此如何提高少花龙葵对果园镉土壤污染修复能力是现有技术长久以来渴望解决却没有解决的问题。

发明内容

本发明实例的目的在于提供提高少花龙葵修复果园镉污染土壤能力的方法，旨在进一步提高少花龙葵修复果园镉污染土壤的能力。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提高少花龙葵修复果园镉污染土壤能力的方法，包括以下步骤：

采用直接移栽或者种子直接撒播方式将矿山生态型少花龙葵种于镉污染果园土壤中，待矿山生态型少花龙葵进入快速生长期后，叶面喷施1～20umol/L的脱落酸溶液；喷施至少30天后，对矿山生态型少花龙葵的地上部分进行收割。

作为选择，所述脱落酸溶液浓度为20umol/L。

作为进一步选择，采用直接移栽方式准备植物幼苗的方法如下：

自然条件下，将收集到的矿山生态型少花龙葵幼苗直接移植在镉污染果园土壤中，控制密度为15×15cm。

作为另一进一步选择，种子直播方式准备幼苗的方法如下：

在自然条件下，将收集到的矿山生态型少花龙葵种子播种于镉污染果园土壤中，幼苗长出后匀苗，密度控制在15×15cm。

上述方案中，所述矿山生态型少花龙葵是指来源或生长于矿区的少花龙葵。所述快速生长期通常在种植一个月后，少花龙葵的栽培方式通常为：浇水确保田间土壤水分持水量为80％，进行矿山生态型少花龙葵的日常管理；所述日常管理包括匀苗、清除杂草。

脱落酸(abscisic acid，ABA)，一种抑制生长的植物激素，因能促使叶子脱落而得名。其主要作用有：促进脱落、抑制生长、促进休眠、引起气孔关闭、调节种子胚的发育、增加抗逆性和影响性分化。其中，作为增加抗逆性的使用，主要是增强植物抗寒抗冻的能力，以及提高植物的抗旱力和耐盐力。

作用机理：脱落酸的生理作用主要是导致休眠及促进脱落。用脱落酸处理植物生长旺盛的小枝，可以引起与休眠相同的状态；产生芽鳞状的叶子代替展开的营养叶；减少顶端分生组织的有丝分裂活动；并能引起下面的叶子脱落和防止休眠的解除。用脱落酸处理能萌发的种子，可以使之休眠。这种对萌发的抑制作用可以用赤霉素或细胞分裂素处理来抵消或逆转。脱落酸能拮抗赤霉素的代替长日照导致长日植物抽苔开花的作用。它还能使少数短日植物在非诱导周期的条件下开花。反之，脱落酸的几种作用也可用赤霉素抵消。例如使用赤霉素就能克服脱落酸对遗传性高秆玉米的伸长和对种子萌发及马铃薯发芽的抑制作用。此外，脱落酸的作用也与细胞分裂素相反，脱落酸在植物体内既有拮抗赤霉素的作用，也有拮抗细胞分裂素的作用。但是这些拮抗作用非常复杂。例如莴苣种子萌发需要光，赤霉素可以代替光。而脱落酸可以抵消赤霉素的促进萌发的作用，但继续提高赤霉素的浓度却不能克服脱落酸的作用、恢复对萌发的促进。

其中，由于脱落酸对于耐盐力的提高，主要是由于脱落酸能够通过保卫细胞膜上的信号转导，促使气孔关闭，并诱导抗逆性蛋白质的合成，同时能够调控部分基因的表达，以此增强植物抵抗逆境的能力。因此，在盐碱地中，对普通植物喷洒脱落酸可以抑制高浓度钠离子的吸收：一方面抑制过多钠离子进入植物体内，另一方面抑制高浓度钠离子对其他土壤营养元素的竞争抑制，使得其他营养元素可以较顺畅地被植物吸收。最终的结果是提高植物在盐碱地的生物量。

而重金属离子对植物的毒害作用，也类似盐碱地，因为都是较高浓度的金属离子：一方面是重金属离子进入植物体内后对植物的毒害，另一方面也是重金属离子对其他土壤营养元素的竞争抑制。

而对于重金属富集植物而言，却要求该植物能够尽可能地将重金属富集于体内，显然由已知知识可知，脱落酸会抑制该过程。

因此，现有技术中虽然常见在农业生产上，通过喷施脱落酸以提高普通植物的高浓度盐的抗逆性，但如前所述的原因，从未有人想过通过对重金属富集植物喷洒脱落酸，以提高其对重金属离子的富集能力，特别是提高其转运系数，显然这与现有知识相背离。

本发明的有益效果：本发明人在研究中意外地发现，对特定的植物(少花龙葵)的特定类型(矿山生态型)喷洒特定浓度的脱落酸(1～20umol/L)能够特定地提高其对特定的重金属离子(镉)的富集能力，特别更意料外地提高了其转运系统，使得原本并不具有显著镉污染修复意义的少花龙葵具备了现实的实用价值。

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。

一种提高少花龙葵修复果园镉污染土壤能力的方法，包括以下步骤：

采用直接移栽或者种子直接撒播方式将矿山生态型少花龙葵种于镉污染果园土壤中，待矿山生态型少花龙葵进入快速生长期后，叶面喷施1～20umol/L的脱落酸溶液(优选脱落酸溶液浓度为20umol/L)；喷施至少30天后，对矿山生态型少花龙葵的地上部分进行收割。

其中，采用直接移栽方式准备植物幼苗的方法如下：

自然条件下，将收集到的矿山生态型少花龙葵幼苗直接移植在镉污染果园土壤中，控制密度为15×15cm。

其中，种子直播方式准备幼苗的方法如下：

在自然条件下，将收集到的矿山生态型少花龙葵种子播种于镉污染果园土壤中，幼苗长出后匀苗，密度控制在15×15cm。

为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

实例1：(矿山生态型少花龙葵试验)

本发明实施例的实施地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

材料：矿山生态型少花龙葵，其种子取自四川汉源县唐家山铅锌矿。四川汉源县唐家铅锌矿区(东经：102°38′，北纬：29°24′)位于四川省雅安市汉源县唐家乡，平均海拔890m。现保有铅锌矿储量为145.8万t，年采矿10万t，已连续开采了15年，已零星堆积了约60多万m³废矿渣。矿区地处北温带与季风带之间的山地亚热带气候区，具有典型的干热河谷气候特点，多年平均气温17.9℃，多年平均降雨量为741.8mm，多年平均日照1475.8小时，多年平均蒸发量为1248.2mm。

本发明实施例采用盆栽模拟土壤重金属污染的方法，将取自果园的土壤风干、压碎、过5mm筛后，分别称取4.0kg装于18cm×21cm(高×直径)的塑料盆内，加入分析纯CdCl₂·2.5H₂O溶液，使其镉浓度为10mg/kg，并与土壤充分混匀，自然放置平衡4周后再次混合备用。将矿山生态型少花龙葵种子撒播于农田中，待矿山生态型少花龙葵长出2片真叶后移栽至盆中，每盆种植2株。待矿山生态型少花龙葵进入快速生长期(种植一个月)后，叶面喷施脱落酸溶液。试验设置6个浓度处理，分别为：0、1、5、10、20、40umol/L，每个处理重复3次，共计18盆，每盆喷施50mL脱落酸溶液。矿山生态型少花龙葵整个生长期均放置于透明遮雨棚内，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80％左右，喷施脱落酸一个月后矿山生态型少花龙葵处于盛花期，整株收获。

本发明实施结果如下：

脱落酸对矿山生态型少花龙葵镉积累量的影响见表1：

表1脱落酸对矿山生态型少花龙葵镉积累量的影响

随脱落酸浓度的增加，矿山生态型少花龙葵根系镉积累量也随着升高(表1)，最高为脱落酸浓度为40umol/L时，相比对照高出97.93％。随脱落酸浓度的增加，矿山生态型少花龙葵茎杆、叶片及地上部分镉积累量呈先增后降的趋势，均以脱落酸浓度为20umol/L时最高，分别比对照提高了60.60％、68.36％和63.94％。从整株镉积累量来看，喷施不同浓度的脱落酸均提高了矿山生态型少花龙葵的镉积累量，当脱落酸浓度为20umol/L时最大，其次为40umol/L，分别比对照提高了67.50％和66.20％。

脱落酸对矿山生态型少花龙葵镉含量影响见表2：

表2脱落酸对矿山生态型少花龙葵镉含量影响

注：转运系数＝地上部分镉含量/根系镉含量。

由表2可得，当脱落酸浓度在0umol/L-20umol/L之间时，矿山生态型少花龙葵根系、茎杆、叶片和地上部镉含量都随脱落酸浓度的增加而增加；当脱落酸浓度达40umol/L时，较脱落酸浓度为20umol/L时有所降低，但仍然显著高于对照。叶面喷施不同浓度的脱落酸后，矿山生态型少花龙葵根系镉含量差别不大；茎杆和叶片的镉含量均以脱落酸浓度为20umol/L时最高，分别比对照提高了34.39％、32.46％。不同脱落酸浓度处理的矿山生态型少花龙葵地上部分镉含量的大小顺序为：20umol/L＞10umol/L＞40umol/L＞5umol/L＞1umol/L＞0umol/L。从转运系数来看，仍以脱落酸浓度为20umol/L时最高。

实例结论：综上可知，脱落酸浓度为20umol/L时，矿山生态型少花龙葵的镉富集能力得到大幅提升，特别是转运系数更是显著提升，已极为接近1的超富集植物的标准。

对比实例1：(农田生态型少花龙葵试验)

本发明实施例的实施地点：设在四川农业大学雅安校区农场。

材料：农田生态型少花龙葵，其种子取自四川农业大学雅安校区农场。四川农业大学新区农场(北纬30°23′，东经103°48′)，位于四川省雅安市雨城区，平均海拔620m，属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温16.2℃，多年平均降雨量为1743.3mm，多年平均日照1035小时，多年平均蒸发量为1011.2mm。

本发明实施例采用盆栽模拟土壤重金属污染的方法，将取自果园的土壤风干、压碎、过5mm筛后，分别称取4.0kg装于18cm×21cm(高×直径)的塑料盆内，加入分析纯CdCl₂·2.5H₂O溶液，使其镉浓度为10mg/kg，并与土壤充分混匀，自然放置平衡4周后再次混合备用。将农田生态型少花龙葵种子撒播于农田中，待农田生态型少花龙葵长出2片真叶后移栽至盆中，每盆种植2株。待农田生态型少花龙葵进入快速生长期(种植一个月)后，叶面喷施脱落酸溶液。试验设置6个浓度处理，分别为：0、1、5、10、20、40umol/L，每个处理重复3次，共计18盆，每盆喷施50mL脱落酸溶液。农田生态型少花龙葵整个生长期均放置于透明遮雨棚内，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80％左右，喷施脱落酸一个月后农田生态型少花龙葵处于盛花期，整株收获。

本发明实施结果如下：

脱落酸对农田生态型少花龙葵镉积累的影响见表3。

表3脱落酸对农田生态型少花龙葵镉积累的影响

随脱落酸浓度的增加，农田生态型少花龙葵根系镉积累量呈增加的趋势，但茎杆、叶片、地上部分和整株镉积累量呈先增后降的趋势(表1)。农田生态型少花龙葵茎杆和叶片镉积累量均在脱落酸浓度为20umol/L时达到最大，分别比各自对照提高了34.02％、49.85％；而根系镉积累在脱落酸浓度为40umol/L时最大，比对照提高了44.35％，但只略高于脱落酸浓度为20umol/L的镉积累量。就地上部镉积累量来看，脱落酸浓度为20umol/L时镉积累量最大，较对照提高了42.60％。农田生态型少花龙葵整株镉积累量的大小顺序为：20umol/L＞40umol/L＞10umol/L＞5umol/L＞1umol/L＞0umol/L。

脱落酸对农田生态型少花龙葵镉含量影响见表4：

表4脱落酸对农田生态型少花龙葵镉含量影响

注：转运系数＝地上部分镉含量/根系镉含量。

由表4可知，当脱落酸浓度在0umol/L-20umol/L之间时，农田生态型少花龙葵根系、茎杆、叶片和地上部镉含量均随脱落酸浓度的增加而增加，在脱落酸浓度达到20umol/L时达到最大值，分别比各自对照提高了23.20％、17.82％、30.13％、24.71％；当浓度达到40umol/L时，各部分镉含量较脱落酸浓度为20umol/L有所降低，但均显著高于对照。就于转运系数而言，以脱落酸浓度为10umol/L时最大，其次为脱落酸浓度为20umol/L，最低为脱落酸浓度为40umol/L处理。

实例结论：综上可知，脱落酸浓度为20umol/L时，农田生态型少花龙葵的镉富集能力最高，而转运系数也有所提升。但与矿山生态型少花龙葵相比却显现出了明显的不一致：该脱落酸浓度下的镉富集能力低于矿山生态型少花龙葵，最大的差别是，脱落酸对农田生态型少花龙葵的转运系数意外地并不具备实质提升，在40umol/L最高，且在20umol/L时几乎无提升。

对比实例2：脱落酸对少花龙葵生物量影响(处理方式如前)：

脱落酸对农田生态型少花龙葵生物量影响见表5。

表5脱落酸对农田生态型少花龙葵生物量影响

随脱落酸浓度的升高，农田生态型少花龙葵根系生物量、茎杆生物量、叶片生物量、地上部生物量及总生物量均随脱落酸浓度的升高而显著增加(表5)。当脱落酸浓度为40umol/L时，农田生态型少花龙葵根系生物量、地上部生物量及整株生物量均达到最大值，分别比各自对照增加了18.62％、16.96％、17.33％。就农田生态型少花龙葵根系和茎杆生物量而言，当脱落酸浓度超过20umol/L时增加趋势缓慢。从农田生态型少花龙葵根冠比来看，各处理间差别不大，但均高于对照。

脱落酸对矿山生态型少花龙葵生物量影响结果见表6：

表6脱落酸对矿山生态型少花龙葵生物量影响

由表6可知，随着脱落酸浓度的增加，矿山生态型少花龙葵根系生物量显著增加，当脱落酸浓度达到40umol/L时，根系生物量比对照增加了82.05％。矿山生态型少花龙葵茎杆、叶片、地上部分生物量及整株生物量与根系变化趋势相同，这与农田生态型少花龙葵的表现一致。单就茎杆生物量来看，脱落酸低浓度时(1umol/L)时与对照差别不大，生物量仍然在脱落酸浓度达到40umol/L时最大，较对照增加了31.07％。就叶片生物量来看，仍然在脱落酸低浓度(1umol/L)时变化不显著，而随脱落酸浓度的增加而增大。矿山生态型少花龙葵整株生物量在脱落酸浓度为1umol/L、5umol/L、10umol/L、20umol/L、40umol/L分别比对照增加了4.15％、14.92％、23.98％、29.49％、42.20％。

实例结论：脱落酸对少花龙葵生物量的影响与脱落酸对普通植物基本一致，不管是农田生态型还是矿山生态型，随着浓度的提高，生物量基本线性提高。但是，其表现与脱落酸对不同生态类型的少花龙葵的镉富集能力和转运系数的影响却意外地截然不同。

由此可知，虽然脱落酸提高少花龙葵的镉富集能力和转运系数的原因不明，但可以确认的是，与脱落酸带来的生物量提升无关，即公知的脱落酸对普通植物的可以提高耐盐性的特性并无教导意义。

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。