一种设施农业土壤镉-硝酸盐复合污染的修复方法

摘要

本发明公开了一种设施农业土壤镉-硝酸盐复合污染的修复方法，包括以下步骤：(1)在待修复土壤上种植东南景天，定期收割，收割2～3次后，将东南景天移除；(2)移除后，在该土壤上栽种港种青梗柳叶空心菜，生长期间进行淹水处理；(3)收获港种青梗柳叶空心菜后，又在该土壤上栽种四月白小白菜；(4)重复步骤(1)～(3)，直至土壤达标。本发明利用镉超积累植物-镉-硝酸盐低积累的水生蔬菜-镉-硝酸盐低积累的陆生蔬菜轮作的方式，在土壤修复的同时，保障蔬菜的食用安全。

说明书

技术领域

本发明涉及污染土壤环境治理技术领域，具体涉及一种设施农业土壤镉-硝酸盐复合污染 的修复方法。

背景技术

我国土壤已经受到了重金属的严重污染，且污染面积呈逐年增加的趋势，重金属造成的 环境污染问题日益凸显，是当前亟待妥善解决的突出环境问题之一。据统计，我国耕地镉污 染面积为100000km²，而且污染程度较严重。土壤中的镉既会影响植物生长、细胞分裂等代 谢活动，抑制作物的生长，降低农作物产量，又会通过土壤-作物系统进入食物链，给人类健 康带来了巨大危害。镉在土壤-作物-人体食物链中移动性强，生物富集作用大，极易通过食 物链途径进入生物体并造成危害，对于动物和大多数人来说，饮食是镉摄入的首要途径。目 前常用于重金属污染土壤修复的技术是物理、化学治理技术，主要有客土法、冰冻法、固化 法、化学淋洗法、离子交换法和螯合法等，但这些方法存在工程量大、花费高、技术难度大 以及易造成二次污染等问题，很难被大面积应用。

我国人口众多，人均耕地面积少，设施蔬菜生产复种指数较高，生产者们为了得到更高 的经济效益，随意加大肥料的施用量，尤其是氮肥，已远远超过了作物需求，导致设施农业 土壤受到硝酸盐的严重污染。虽然土壤中过多的硝酸盐对植物无害，但是这些硝酸盐会通过 食物链进入人体，被还原成亚硝酸盐，与其他食物、药物以及残留农药中的胺类和酰胺类物 质反应，生成亚硝胺和亚硝酰胺的强致癌物，危害人体健康。因此，研究土壤硝酸盐控制途 径，对降低农作物尤其是蔬菜中的硝酸盐含量，生产绿色食品有着极其重要的意义。利用微 生物去除地下水中过量的硝酸盐已被广泛研究，但去除土壤硝酸盐还鲜有报道。

土壤重金属/次生盐渍化污染是影响我国生态环境和食品安全的一个重要因素。近年来出 现的植物修复技术，作为一种原位绿色修复技术，具有费用低廉、易于操作且不破坏土壤的 理化性质等优点。

公开号为CN1555672A的专利文献公开了一种镉污染土壤的植物原位修复方法，在被镉 污染区域，直接种植植物东南景天，通过东南景天根系吸收土壤中大量的镉，并向上运输及 转运到地上部，当植株生长到30～40cm或3～4个月后收割地上部并将其移走，则可从土壤中 带走大量的镉，从而达到快速治理镉污染土壤的目的。

单纯的植物修复最少需要3年的时间，且必须中断农业生产。目前不中断农业生产的原 位重金属污染土壤修复方法还比较少。公开号为CN101116865A的专利文献公开了一种重金 属中轻度污染菜地土壤的边生产边修复方法，步骤如下：1)春季在被镉、铜、锌重金属污染 的菜地土壤以间作方式种植东南景天和海洲香薷；2)定期收割东南景天，10月份收获海洲香 薷；3)海洲香薷收获后载重镉富集油菜，次年4月份收获；4)油菜收获后栽种黄瓜，9月份黄 瓜收获后种植白菜，白菜收获后种植海洲香薷，完成一个修复周期。该发明通过植物间的互 作效应，降低蔬菜的重金属吸收和积累量，在达到重金属污染修复的同时，保障农产品安全。

发明内容

本发明提供了一种设施农业土壤镉-硝酸盐复合污染的修复方法，利用镉超积累植物-镉- 硝酸盐低积累的水生蔬菜-镉-硝酸盐低积累的陆生蔬菜轮作的方式，在土壤修复的同时，保 障蔬菜的食用安全。

一种设施农业土壤镉-硝酸盐复合污染的修复方法，包括以下步骤：

(1)在待修复土壤上种植东南景天，定期收割，收割2～3次后，将东南景天移除；

(2)移除后，在该土壤上栽种港种青梗柳叶空心菜，生长期间进行淹水处理；

(3)收获港种青梗柳叶空心菜后，又在该土壤上栽种四月白小白菜；

(4)重复步骤(1)～(3)，直至土壤达标。

本发明利用东南景天对镉超积累的特性，将设施农业土壤中的重金属吸收到植株的地上 部，达到减轻土壤重金属污染的目的。土壤的重金属污染得到一定程度修复之后，再通过种 植对镉、硝酸盐低积累的蔬菜，得到符合食品卫生安全标准的经济作物，使得设施农业土壤 在污染修复的过程中产生经济效益。

本发明筛选得到港种青梗柳叶空心菜和四月白小白菜为镉低积累品种；在对抗硝酸盐污 染方面，这两个品种在有效利用土壤中的氮元素的同时，不产生硝酸盐积累。

本发明的技术方案中，以种植东南景天-港种青梗柳叶空心菜-四月白小白菜为一个循环， 一个循环周期为一年，东南景天的种植期为5-6个月，接下来的6-7个月种植蔬菜。

港种青梗柳叶空心菜为水生蔬菜，生长过程中，设施农业土壤处于淹水状态。淹水处理 是缓解设施农业土壤中次生盐渍化污染的有效手段，而且水生蔬菜水分含量高，对植株体内 的硝酸盐有稀释作用，因此，本发明选用水生蔬菜港种青梗柳叶空心菜作为轮种过程中首先 种植的蔬菜。

土壤长期淹水会改变土壤理化性质如氧化还原电位和菌群平衡，因此，本发明在种完一 茬港种青梗柳叶空心菜后改种陆生蔬菜四月白小白菜。

本发明根据设施农业土壤的镉-硝酸盐的污染情况调整步骤(1)～(3)的重复次数，直至土壤 中的镉和硝酸盐含量达到土壤环境质量标准，且生产出来的蔬菜中镉和硝酸盐含量低于食品 卫生安全标准。

上述环境安全标准是指中华人民共和国国家标准-土壤环境质量标准(GB15618-2008)中 规定的农田土壤中Cd残留量二级标准限值(0.5mg/kg)，食品卫生安全标准分别是指食品安全 国家标准(GB2762-2012，Cd<0.5mgkg^-1)和食品卫生安全三级标准(硝酸盐<1440mgkg^-1)。

按照本发明的技术方案，污染的设施农业土壤修复两年后，土壤镉含量降低了56.51％， 硝酸盐含量降低了56.43％。

作为优选，步骤(1)中，东南景天利用茎段扦插长至株高为5～6cm时移栽至待修复土壤。 东南景天育苗基质为蛭石:珍珠岩比例3:1的基质，将基质平铺满整个苗床，厚度约为苗床深 度的2/3，温度调节至24±1℃，湿度调节至60±5％。

在本发明的技术方案中，东南景天在5-6个月的生长期内，收割2～3次的生物量以及镉 吸收量达到峰值，作为优选，步骤(1)中，东南景天生长2～3个月后收割，收割时留地上部1～2 cm茎段。更为优选，东南景天首次生长3～4个月后收割，第2次生长2个月后移除。

本发明技术方案中，每一季的植株采用苗直接移种，可以为每一季植株的生长节省近一 个月的育苗时间。作为优选，步骤(2)和(3)中，港种青梗柳叶空心菜和四月白小白菜先播种育 苗，苗长至5～7cm时移栽至待修复土壤。

作为优选，步骤(2)中，港种青梗柳叶空心菜苗移栽5～7天后，进行淹水处理。港种青梗 柳叶空心菜苗渡过5～7天的适应期后再处于淹水状态，有利于菜苗的成活。

作为优选，步骤(2)中，淹水处理后，土层表面至少保持水深2cm。

作为优选，步骤(2)中，港种青梗柳叶空心菜生长2～3个月收获。

作为优选，步骤(3)中，四月白小白菜生长期间，土壤含水量保持在65％～75％。

作为优选，步骤(3)中，四月白小白菜生长1～2个月收获。

作为优选，步骤(3)中，四月白小白菜栽种1～2季。

本发明具备的有益效果：(1)本发明与传统的污染土壤治理方法相比，投资少、工程量小、 技术管理简单，作为一种绿色原位修复技术，不会造成二次污染，修复过程不会改变土壤理 化性质，不会破坏土壤生态环境，还有助于改善因重金属、硝酸盐污染导致的土壤退化和生 产力下降，恢复并提高其生物多样性。

(2)本发明所选的空心菜和小白菜均为镉-硝酸盐共低积累品种，具有对镉和硝酸盐拒吸收 和积累的特点，收获的蔬菜符合食品卫生安全标准，本发明在修复土壤镉-硝酸盐复合污染的 同时产生了一定的经济效益。

(3)按照本发明的镉超积累植物-水生低积累蔬菜-陆生低积累蔬菜轮作模式，修复重金属和 次生盐渍化污染的同时可继续进行农业生产，从而实现边生产边修复。

附图说明

图1为实施例1中修复两年后土壤中镉(A)、硝酸盐(B)含量结果图，其中CK为对照； CON为常规蔬菜水旱轮作；SA为超积累型东南景天单作；LOW为低积累蔬菜水旱轮作；

SA+LOW为镉超积累植物-水生低积累蔬菜-陆生低积累蔬菜轮作。

图2为实施例1中不同品种空心菜和小白菜可食部镉(A)、硝酸盐(B)含量结果图，其中 CONWS为泰国柳绿空心菜；LOWWS为港种青梗柳叶空心菜；CONCC为七宝青菜；LOW CC为四月白小白菜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

1、试验地点：杭州某蔬菜种植基地。

选取连作了8年的塑料大棚，其中镉含量1.10mg/kg，硝酸盐含量235.2mg/kg，超过土 壤环境质量标准(GB15618-2008)中对农田用地的限值。

超积累型植物东南景天由本课组从现有植株中筛选提供，将东南景天茎段扦插至蛭石:珍 珠岩比例为3:1的基质中，待株高5～6cm或生长约1个月时移栽到受镉和硝酸盐复合污染的 土壤中。

常规小白菜为七宝青菜，常规空心菜为泰国柳绿空心菜。

镉与硝酸盐共低积累空心菜与小白菜品种由本课题组现有蔬菜品种中筛选，标准为：在 大田生长条件下，地上部镉与硝酸盐积累量比常规品种低1倍以上。筛选得到低积累空心菜 为港种青梗柳叶空心菜，低积累小白菜为丰邦四月白。

所有蔬菜种子均用0.07％的NaClO溶液消毒30min，50-55℃温汤浸种4h，先在滤纸上 室内催芽，穴盘育苗，一个月后移栽到受镉和硝酸盐复合污染的土壤中。

2、试验共设了5个处理，分别为1、对照(不种植植物)，2、常规小白菜-常规空心菜-常 规小白菜轮作制，3、超积累型东南景天单作，4、常规小白菜-低积累空心菜-低积累小白菜 轮作制，5、超积累型东南景天-低积累空心菜-低积累小白菜轮作制，每个处理重复4次。

具体处理方法为：

1、对照：即不种植任何植物，但浇水等日常管理同其他处理。

2、常规小白菜-常规空心菜-常规小白菜轮作制：七宝青菜种植2个月后收获，再重复种 植2次，收获后对土壤进行淹水处理并种植泰国柳绿空心菜，3个月后收获，再种植七宝青 菜，2个月后收获一次，重复种植一次，再收获。

3、超积累型东南景天单作：东南景天生长3个月后收割一次，留地上部1～2cm茎段继 续生长，3个月后再收割一次，共种植4茬。

4、常规小白菜-低积累空心菜-低积累小白菜轮作制：七宝青菜种植2个月后收获，再重 复种植2次，收获后对土壤进行淹水处理并种植港种青梗柳叶空心菜，3个月后收获，再种 植四月白，2个月后收获一次，重复种植一次，再收获。

5、超积累型东南景天-低积累空心菜-低积累小白菜轮作制：超积累型植物东南景天生长 3个月后收割一次，留地上部1～2cm茎段继续生长，2个月后收获移除；港种青梗柳叶空心 菜成长3个月后收获；四月白生长2个月后收获一次，然后重复种植一次，再收获。

将每种植物收获的样品用自来水冲洗3次去除附着在样品上泥土和污物，再用去离子水 冲洗3次，沥去水分，称重，取部分捣碎采用水杨酸-硫酸比色法测定硝酸盐含量，剩余置于 烘箱内105℃杀青30min，然后65℃烘至恒重，称重，粉碎，采用HNO₃/HClO₄(5:1，v/v) 消化，电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定镉含量。

3、试验结果分析

图1给出了上述镉-硝酸盐复合污染土壤修复两年后各处理土壤中镉和硝酸盐的含量。

如图1A所示，镉超积累型植物单作的处理土壤中镉含量最低，其次是镉超积累植物-低 积累作物轮作的处理，土壤镉含量降至0.478mgkg^-1，降低了56.51％，低于土壤环境质量标 准(GB15618-2008)，可以用于农业生产。

如图1B所示，常规蔬菜水旱轮作的处理硝酸盐含量最低，其次是共低积累蔬菜水旱轮 作的处理，再次是镉超积累植物与共低积累蔬菜轮作的处理，土壤硝酸盐含量降至94.12mg kg^-1，降低了56.43％，达到正常土壤硝酸盐含量水平，可以用于农业生产。

综上所述：镉超积累植物-水生低积累蔬菜-陆生低积累蔬菜轮作制可以达到对镉-硝酸盐 复合污染土壤的生物修复，此种植机制可运用于镉-硝酸盐复合污染土壤镉和硝酸盐的边生产 边修复。

图2给出了上述镉-硝酸盐复合污染土壤修复第二年时水生低积累蔬菜(低积累空心菜)、 陆生低积累蔬菜(低积累小白菜)可食部镉和硝酸盐的含量。

如图2A所示，低积累空心菜镉含量为0.08mgkg^-1，低积累小白菜镉含量仅为0.01mg kg^-1，均远低于食品安全国家标准(GB2762-2012，Cd<0.5mgkg^-1)，可以安全食用.

如图2B所示，低积累空心菜硝酸盐含量为609.24mgkg^-1，低积累小白菜硝酸盐含量为 419.62mgkg^-1，均低于食品卫生安全三级标准(硝酸盐<1234mgkg^-1)，可以安全食用。

综上所述：镉超积累植物-水生低积累蔬菜-陆生低积累蔬菜轮作制生产出来的蔬菜安全 可食用，此种植机制可运用于镉-硝酸盐复合污染土壤镉和硝酸盐的边生产边修复。

实施例1结果表明，本发明利用镉超积累植物-水生低积累蔬菜-陆生低积累蔬菜轮作， 可以修复镉-硝酸盐复合污染土壤中的镉和硝酸盐，收获的低积累蔬菜可以作为安全蔬菜食用 或出售，从而在不中断农业生产的情况下对重金属和次生盐渍化复合污染土壤完成快速原位 修复。该方法具有费用低，不破坏土壤理化性质，且具有边生产边修复等优点。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。 本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均认为是本发 明的保护范围。