本發(fā)明涉及土壤修復(fù)技術(shù)，尤其是涉及一種利用兩種作物輪作修復(fù)鎘污染土壤的方法。
背景技術(shù)：
鎘是土壤中常見的污染重金屬，也是我國(guó)土壤中最主要的污染重金屬之一。污染土壤中鎘的主要來源包括有色金屬開采和冶煉等。在未污染土壤中，鎘的含量一般在0.1mg/kg左右，而有色金屬冶煉企業(yè)附近土壤中的鎘含量會(huì)達(dá)到未污染土壤的幾十甚至幾百倍。
鎘并非是人體必需的營(yíng)養(yǎng)元素。鎘如果通過呼吸、飲食等途徑進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，如鎘會(huì)對(duì)呼吸道產(chǎn)生刺激，長(zhǎng)期處于鎘污染環(huán)境中會(huì)造成嗅覺喪失癥、牙齦黃斑或漸成黃圈，鎘經(jīng)呼吸進(jìn)入體內(nèi)被吸收后會(huì)積存于肝或腎臟，對(duì)肝臟或腎臟造成危害，尤以對(duì)腎臟損害最為明顯；鎘還可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和軟化，過量攝入鎘會(huì)導(dǎo)致死亡。
土壤中鎘含量過高，會(huì)影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)及居民身體健康。污染土壤中的鎘易被植物吸收并在植物體中積累，因此，在鎘污染土壤中種植水稻或小麥，稻米或小麥籽粒中的鎘含量易超標(biāo)，從而造成食用者體內(nèi)鎘含量積累，影響居民身體健康。同時(shí)，土壤鎘污染也會(huì)影響水體質(zhì)量、土壤微生物和植物生長(zhǎng)。
鎘污染土壤的修復(fù)方法有多種，從目前的實(shí)際應(yīng)用來看，植物提取修復(fù)、換土等方法均有一定的應(yīng)用。換土法適合于重金屬污染程度大的土壤，但由于換出的土壤仍然需要處理，且挖走原土壤后形成的坑還需要用未污染土壤填充，限制了換土法的應(yīng)用。植物提取修復(fù)也是重金屬污染土壤的修復(fù)方法之一，這種方法適合于植物有效性和移動(dòng)性較高的重金屬，如鎘。植物提取修復(fù)的方法是將對(duì)重金屬吸收能力較強(qiáng)的植物種植在重金屬污染土壤上，植物生長(zhǎng)過程中吸收重金屬后，通過收獲并帶走植物體，達(dá)到降低土壤中重金屬含量的目的。植物提取修復(fù)采用類似于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式修復(fù)污染土壤，該方法對(duì)土壤性質(zhì)無破壞，修復(fù)過程環(huán)境友好，但是缺點(diǎn)是修復(fù)速度慢，將污染土壤變成潔凈土壤或使污染土壤中的重金屬含量達(dá)標(biāo)需要幾年甚至幾十年之久。
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種對(duì)土壤中鎘有較強(qiáng)吸收能力的植物，如伴礦景天（sedumplumbizincicola）、鬼針草（bidenspilosal.）、油菜（brassicacampestrisl.）等。伴礦景天是一種發(fā)現(xiàn)于浙江省污染區(qū)的植物，對(duì)土壤中的鎘有很強(qiáng)的積累能力。在污染土壤中生長(zhǎng)時(shí)，其地上部鎘含量可達(dá)到土壤鎘含量的十倍甚至更高。然而，伴礦景天在北方土壤中種植時(shí)，7月前后易出現(xiàn)腐爛死苗現(xiàn)象，此時(shí)如不及時(shí)收獲將會(huì)導(dǎo)致修復(fù)失敗，由于植物是在形成種子前死亡的，因此不能獲得種子進(jìn)行繁殖；由于地上部腐爛，也不能利用扦插的方法進(jìn)行繁殖。
鬼針草對(duì)污染土壤中的鎘也具有一定的富集能力，污染土壤中生長(zhǎng)的鬼針草地上部鎘含量可達(dá)到土壤鎘含量（均為干重含量）的4倍左右。雖然鬼針草對(duì)土壤鎘的吸收能力不如伴礦景天，但鬼針草可在北方鎘污染土壤中正常生長(zhǎng)，形成種子，從而進(jìn)行第二季種植。因此，與伴礦景天相比，鬼針草更適合用于北方鎘污染土壤的修復(fù)。
油菜是中國(guó)的主要農(nóng)作物之一，在我國(guó)北方普遍種植。研究發(fā)現(xiàn)，油菜對(duì)污染土壤中鎘的吸收能力雖低于鬼針草，但在鎘污染土壤中種植油菜時(shí)，鎘主要富集于油菜根部，其次是莖和角果皮，油菜種子中的鎘含量最低。進(jìn)一步研究表明，從油菜籽中提取的菜籽油鎘含量遠(yuǎn)低于油菜籽中的鎘含量。按人們?nèi)粘z入量不存在消費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)，可放心食用。
由于重金屬污染土壤的修復(fù)費(fèi)用較高，因此，設(shè)法降低污染土壤修復(fù)成本或者增加修復(fù)期間土地收益對(duì)于污染土壤的修復(fù)具有重要意義。
目前有采用油菜和油葵輪作、油菜和花生輪作進(jìn)行重金屬污染土壤修復(fù)的報(bào)道。由于鎘污染土壤的鎘含量一般在1-5mg/kg之間，因此，在鎘污染土壤中種植花生或向日葵，籽粒中的鎘含量有可能會(huì)達(dá)到0.5mg/kg以上，而0.5mg/kg是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量》（gb2762-2012)中對(duì)花生的鎘限量值?；ㄉ拖蛉湛m然可作為油料作物用于生產(chǎn)食用油，但也可以直接食用，當(dāng)花生和向日葵種子直接食用時(shí)，其中較高的鎘含量會(huì)具有很大的風(fēng)險(xiǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種利用兩種作物輪作修復(fù)鎘污染土壤的方法，該方法非常適合我國(guó)北方地區(qū)對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)處理，并對(duì)農(nóng)民有一定的經(jīng)濟(jì)收入。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案：
本發(fā)明所述的利用兩種作物輪作修復(fù)鎘污染土壤的方法，包括在鎘污染土壤中依次種植鬼針草和油菜，所述鬼針草和油菜的輪作種植方法為：
第一步，于當(dāng)年6月初在鎘污染土壤中種植鬼針草，并與9月底將鬼針草收獲；
第二步，于當(dāng)年10月初在收獲鬼針草的土壤中種植油菜，并與第二年5月底將油菜收獲；
第三步，于第二年6月初繼續(xù)在收獲油菜后的土壤中種植鬼針草，如此循環(huán)種植這兩種作物，形成鬼針草和油菜輪作的種植體系。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用鬼針草和油菜的輪作種植，可持續(xù)對(duì)鎘污染土壤進(jìn)行修復(fù)，由于兩種植物均能對(duì)土壤中的鎘有一定的吸收和富集能力，鬼針草和油菜的地上部用來吸收土壤中鎘，同時(shí)收獲的油菜籽還可用于榨取食用菜籽油，既能達(dá)到降低土壤中鎘含量的目的，又增加了土地收益，給農(nóng)民帶來一定的經(jīng)濟(jì)收入，一舉兩得。與現(xiàn)有的將花生或向日葵作為修復(fù)植物相比，采用鬼針草作為修復(fù)植物，不僅對(duì)土壤中鎘的去除能力強(qiáng)，也不存在植物中吸收的重金屬進(jìn)入食物鏈的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)修復(fù)過程中對(duì)土壤性質(zhì)無不良影響，且修復(fù)方法簡(jiǎn)單、易掌握，因此非常適合我國(guó)北方不適合種植伴礦景天植物的鎘污染土壤的修復(fù)。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的輪作種植方法做更加詳細(xì)的論述。
選擇河南省濟(jì)源市郊因鉛冶煉形成的某鎘污染土壤區(qū)域作為項(xiàng)目區(qū)域。項(xiàng)目區(qū)土地面積為400m2（寬10m，長(zhǎng)40m）。試驗(yàn)從2015年6月開始，測(cè)定表明，項(xiàng)目區(qū)0~20cm土壤中全鎘平均含量為2.60mg/kg。
1、將項(xiàng)目區(qū)分為4個(gè)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)和寬均為10m，即每個(gè)小區(qū)的面積為100m2。
2、2015年6月3日種植鬼針草。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)，按間隔20cm開溝，溝的深度約為5cm，根據(jù)墑情在溝內(nèi)適當(dāng)灌水，之后將鬼針草種子均勻地撒入溝中，覆土并壓實(shí)。種子平均用量為1.20g/m2。在鬼針草生長(zhǎng)早期及時(shí)人工除去雜草，以促進(jìn)鬼針草幼苗的生長(zhǎng)。期間根據(jù)土壤墑情適時(shí)灌水，一般每25~35天灌水一次。2015年9月28-30日收獲鬼針草。收獲時(shí)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選擇3個(gè)有代表性區(qū)域采樣，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)為2m、寬為2m。收獲時(shí)用鐮刀將采樣區(qū)域鬼針草貼近地面割下，稱重，之后運(yùn)到晾曬場(chǎng)晾曬。同時(shí)，分別從以上樣品中每個(gè)取出1份樣品，重量約1kg，依次用自來水和蒸餾水洗滌干凈后稱重，之后烘干，稱重，粉碎，測(cè)定鬼針草全鎘含量，同時(shí)根據(jù)兩次重量計(jì)算含水量。根據(jù)鬼針草鮮重產(chǎn)量和含水量計(jì)算各小區(qū)鬼針草干重產(chǎn)量，并計(jì)算鬼針草對(duì)土壤鎘的吸收量。
3、在項(xiàng)目區(qū)撒施尿素、普通過磷酸鈣和硫酸鉀，尿素和普通過磷酸鈣用量均為20kg，硫酸鉀用量為4kg。之后對(duì)項(xiàng)目區(qū)土地利用拖拉機(jī)進(jìn)行翻耕，重新劃分為4個(gè)小區(qū)（小區(qū)長(zhǎng)和寬均為10m），小區(qū)分界仍同上次。于2015年10月2日在項(xiàng)目區(qū)種植油菜（品種為新早821），種子用量為400g/（667m2）。種植方法為開溝條播，溝深度約5cm，行距為60cm。2016年3月和4月各灌溉一次。2016年5月27日收獲油菜。收獲時(shí)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選擇3個(gè)有代表性區(qū)域采樣，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)為2m、寬為2m。收獲時(shí)用鐮刀將采樣區(qū)域油菜小心地貼近地面割下，手工將油菜莢剝開，收集油菜種子。從每份油菜秸稈中取約1kg作為樣品。分別將植株和油菜籽稱重，之后將植株和油菜籽洗凈，烘干，稱重。將以上樣品粉碎后混合均勻，測(cè)定植物體和油菜鎘含量。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算油菜秸稈和油菜籽產(chǎn)量、油菜秸稈的重金屬吸收量。
4、在項(xiàng)目區(qū)撒施尿素、普通過磷酸鈣和硫酸鉀，尿素和普通過磷酸鈣用量均為20kg，硫酸鉀用量為4kg。之后對(duì)項(xiàng)目區(qū)土地進(jìn)行翻耕，劃分小區(qū)，重新種植鬼針草。
5、測(cè)定結(jié)果
（1）鬼針草產(chǎn)量和重金屬含量
4個(gè)小區(qū)鬼針草產(chǎn)量（干重）分別為0.993×104、1.16×104、1.10×104和1.02×104kg/hm2，平均值為1.07×104kg/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0750×104。4個(gè)小區(qū)鬼針草地上部鎘含量分別為10.2、9.99、9.61、9.98mg/kg，平均值為9.95mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.251。鬼針草地上部鎘吸收量分別為102、116、106和102g/hm2，平均值為106g/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為6.59。
4個(gè)小區(qū)的油菜地上部（不含籽粒）產(chǎn)量分別為1.75×104、1.84×104、1.83×104和1.98×104kg/hm2，平均值為1.85×104kg/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0968×104。4個(gè)小區(qū)油菜地上部鎘含量分別為2.16、2.04、2.24和2.02mg/kg，平均值為2.11mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.104。油菜地上部鎘吸收量分別為37.7、37.6、41.3和40.0g/hm2，平均值為39.1g/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為1.82。
因此，以上4個(gè)小區(qū)在種植1季鬼針草和1季油菜后，植物體從土壤中帶走的鎘總量平均為145.1g/hm2。假設(shè)植物吸收的鎘全部來自0-20cm、且土壤容重為1300kg/m3，則1hm2面積、厚度為20cm的土壤中鎘含量為6760g，種植以上兩種植物各1季后，植物吸收的鎘占土壤鎘的比例為2.15%。
4個(gè)小區(qū)油菜籽粒的平均產(chǎn)量（干重）分別為0.476×104、0.553×104、0.518×104和0.464×104kg/hm2，平均值為0.503×104kg/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0408×104。油菜籽中鎘含量的變化范圍為0.213-0.259mg/kg，平均值為0.233mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0461。
因此，通過以上一年的修復(fù)，可以降低土壤0-20cm土層鎘2.15%，同時(shí)生產(chǎn)出產(chǎn)量為0.503×104kg/hm2、籽粒鎘含量為0.233mg/kg的油菜籽，取得一定的經(jīng)濟(jì)收入。