CN101462119B - 一种利用花卉植物孔雀草修复治理镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用花卉植物孔雀草修复治理镉污染土壤的方法。本发明利用镉超富集花卉孔雀草根系大量吸收富集污染土壤中的镉，并向上转运到地上部，当植株生长到30-40cm高或开花期时将植物整体移除并作为商品观赏花卉出售或给予其他妥善处理，从而从土壤中吸除大量的镉；通过反复种植该种花卉植物，重复上述过程，就可以连续提取污染土壤中过量的镉，直到其镉含量达到环境安全标准。该方法具有工程量小，不破坏土壤的理化性质，无二次污染，且可以在治理污染土壤的同时美化环境等优点。

Description

一种利用花卉植物孔雀草修复治理镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用花卉植物孔雀草修复治理镉污染土壤的方法。

背景技术

随着日本骨痛病的发现，土壤镉等重金属的污染在上世纪60年代末就已引起各国的关注。在我国，随着张士污灌区镉的污染问题的揭示，土壤镉污染也被逐渐提到议事日程上来。然而，近年来，随着我国工农业生产的迅速发展，我国土壤环境中的镉污染已成为一个日益严重的环境问题。越来越多的生产和生活活动，诸如大规模开采冶炼含镉矿物、工业上使用含镉原料、农业上污水灌溉和施用污泥等，使得大量的镉被排放到环境中，造成严重的土壤镉污染[文献1：周启星，黄国宏.环境生物地球化学及全球环境变化[M].北京：科学出版社，2000.]。污染土壤中过量的镉不仅会直接威胁人类的生存环境和食品安全，还可以通过直接接触或者通过食物链在人体中富集，产生慢性中毒，影响体内钙和磷的代谢，引起肾、骨、肝的病理变化，诱发骨骼、消化系统、泌尿系统的多种疾病，并可导致恶性肿瘤。因此土壤环境中的镉污染亟待修复治理。

目前可用于修复治理土壤重金属污染的技术很多，主要包括各种物理、化学、物理化学治理技术和生物修复技术。其中，物理、化学治理技术主要是指一类基于机械物理和化学原理的工程技术，常见的有客土法、固化法、冰冻法、化学淋洗法、螯合法和离子交换法等。这些物理、化学治理技术各有其优点，在治理小范围污染土壤以及处理严重突发污染事故中作用较大，但是一般存在着技术难度大、花费高、工程量大以及易造成二次污染等问题，很难在面积大、程度轻的污染土壤修复治理中推广应用。

在生物修复技术中，常用于修复治理重金属污染土壤的方法主要是植物修复技术。植物修复(Phytoremediation)是指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤中的有毒有害污染物[文献2：王晓飞.花卉植物在污染土壤修复中的资源潜力分析.硕士论文，沈阳：中科院沈阳应用生态研究所，2005.]。作为一种新兴的原位绿色修复技术，植物修复具有费用低廉、不破坏环境、易于为人们所接受等优点，已经成为环境科学领域的研究与应用热点，并引起学术界、政府和企业界的高度重视[文献3：周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M]北京：科学出版社，2004.]。在植物修复技术中，作为其核心技术之一的植物提取修复技术(Phytoextraction)，即利用超富集植物(Hyperaccumulator)去吸收去除土壤中过量的重金属，被认为是最有发展前景的植物修复技术。在欧美以及我国，大多数获得成功的示范性植物修复项目都是运用了植物提取修复技术[文献4：Jorge L，Jose R，Rosa G，Parsons JG，Phytoremediation of heavy metals and study of the metalcoordination by X-ray absorption spectroscopy.Coordination ChemistryReviews，2005，249：1797-1810；文献5：陈同斌，张斌才，黄泽春，等.超富集植物蜈蚣草在中国的地理分布及其生境特征.地理研究，2005，24：825-833.]。

在植物提取修复技术的研究和实践中，筛选出能够超量累积重金属的超富集植物是开展工作的必要前提和基础。然而，迄今为止，在已发现的400-500种超富集植物中，镉超富集植物种类很少，而具有我国自主知识产权的镉超富集植物就更少；而已筛选出的镉超富集植物大多数是野生品种，地域适应性差，生长慢且地上部生物量小，加之在农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生理学方面的研究不完备，严重影响其在实际修复的应用[文献6：Ute K.Phytoremediation：novel approaches to cleaning up polluted soils.Current Opinion in Biotechnology，2005，16：133-141.]。因此，寻找更多更为理想的超富集植物仍然是当前植物提取修复研究的一项重要任务。

花卉植物(观赏植物)是人类利用历史悠久的一大植物类群，包含40万个以上的栽培品种，种质资源极其丰富，而我国是世界上拥有花卉种类最为丰富的国度之一[文献7：郭维明，毛龙生.观赏园艺概论[M].北京：中国农业出版社，2001.]。在花卉植物中筛选超富集植物并用于修复研究和实践具有以下优点：(1)花卉种质资源丰富，既有草本也有木本植物，为筛选工作奠定了坚实的基础；(2)能够在进行治理污染同时美化环境，一举两得；(3)花卉植物一般不会进入食物链，可减少对人体的危害；(4)花卉的观赏价值使得这些植物通过商品出售能够带来一定的经济效益，修复后植物材料可以作为观赏花卉在市场上出售，被千家万户购买而得以分散其中已经积累的重金属，达到生物量的无成本处理；(5)人类在长期的农业生产中，积累了丰富的花卉栽培管理经验，使得花卉植物的修复实践有了充分的农业技术保障[文献8：刘家女，周启星，孙挺，等.花卉植物应用于污染土壤修复的可行性研究.应用生态学报，2006，18：1617-1623.]。因此，从花卉中筛选超富集植物并用于修复实践是完全可行的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用花卉植物孔雀草修复治理镉污染土壤的方法。

为实现上述目的，本发明的技术内容为：在镉污染土壤中种植孔雀草，从而实现去除土壤中过量镉的目的。

在镉污染土壤中种植孔雀草，当孔雀草生长至30-40cm高或开花期时将植株整体移除，所述孔雀草为重金属镉超积累植物。所述在镉污染土壤中种植孔雀草是指将高5-8cm或含4片展开真叶的孔雀草幼苗移栽到镉污染土壤中。

根据待修复土壤肥力状况，施用促进孔雀草生长的氮、磷、钾肥。在镉污染土壤中种植的孔雀草采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80％。在镉污染土壤中种植孔雀草，孔雀草从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当孔雀草长至30-40cm高或开花期时，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬孔雀草，重复上述操作，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

本发明所采用的孔雀草(Tagetes patula L.)为菊科万寿菊属植物，属一年生草本花卉，具有很好的观赏价值。它既耐移栽，又生长迅速，栽培管理又很容易；撒落在地上的种子在合适的温、湿度条件中可自行生长，是一种适应性很强的花卉，在全世界各地广泛种植。实验表明，孔雀草是一种镉超富集植物，对土壤中的镉具有很强的忍耐、吸收和累积能力。

收获的孔雀草可以作为观赏花卉在市场上出售，被千家万户购买而得以分散其中已经积累的重金属，达到生物量的无成本处理；也可以集中处理，或者安全填埋，或者进行资源化加工处理，回收其中的镉，可以避免二次污染，同时产生经济效益。

本发明所具有的优点：

该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点；而且作为一种绿色原位修复技术，所收获植株进行集中处理，不会造成二次污染，同时修复进程不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善因重金属污染而引起的土壤退化和生产力下降，恢复并提高其生物多样性。另外，作为一种常见的观赏花卉，种植孔雀草在修复镉污染土壤的同时，可以起到美化环境的作用，具有良好的环境与生态效益。

附图说明

图1为在不同浓度的Cd处理下孔雀草的地上部和根部生物量检测图。

具体实施方式

实施例1：盆栽梯度镉超积累植物的确认与模拟应用

盆栽实验地点在中国科学院沈阳应用生态研究所的网室内，该场地在沈阳市中心，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区。盆栽试验土壤采自中国科学院沈阳生态站内无污染区的表层土壤(0-20cm)，土壤类型为草甸棕壤。

本实验共设8个处理，每个处理重复3次，投加的Cd浓度(mg/kg)分别为：0(对照，未投加)、12、24、36、48、72、96和150。实验投加的Cd为分析纯的CdCl₂·2.5H₂O，并施入一定浓度的氮、磷、钾肥作为底肥：0.15g/kg N(CO(NH₂)₂)、0.045g/kg P和0.114g/kg K(K₂HPO₄)。将供试土壤风干过4mm筛后，以固体形式拌入镉和底肥，充分混匀后装入塑料盆(

＝20cm，H＝15cm)中，每盆装土2.5kg，平衡1个月待用。同时进行花卉育苗，将土壤、河沙、蛭石按照7∶2∶1的重量份数比例混匀装入穴盘中，点播孔雀草种子，保持土壤湿润。20-30天后，苗高5-8cm，含4片真叶，选取长势一致的苗移入上述处理盆中，每盆2棵。每日根据盆中土壤水分状况，浇入适量自来水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的60-80％左右。

植物生长70天后收获植株。将收获样品分为根、茎、叶和籽实4部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，在85℃杀青1小时；然后在65℃下烘干至衡重，称量干重后粉碎备用。植物样品采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积比为3∶1)，用原子吸收分光光度计测定其中的Cd含量。

实验结果如下：

图1给出了在上述不同浓度的Cd处理下孔雀草的地上部和根部生物量。方差分析表明，与对照(Cd 0)相比，在Cd投加浓度为12、24、36、48mg/kg的处理中，孔雀草地上部和根部生物量均未显著下降，表现出很强的耐性，Cd浓度为12mg/kg的处理甚至对其生长有一定的促进作用。但当Cd污染浓度很高的情况下，即镉处理浓度≥72mg/kg时，地上部和根部生物量显著下降(P＜0.05)，这表明，虽然孔雀草对镉污染的耐性较强，但还是有一定限度的，当镉污染非常严重时，其生长将会受到抑制。

参见表1可知，在所有的镉处理中，孔雀草地上部镉富集系数(地上部和土壤中镉含量的比值)和转移系数(地上部与根部镉含量的比值)始终大于1，即地上部镉含量始终高于土壤中和根部的镉含量，具备了典型的镉超富集植物特征。当镉处理浓度为36mg/kg时，孔雀草地上部镉含量达到了公认的镉超富集植物临界含量标准(Cd 100mg/kg)，为103.23mg/kg。随着土壤中镉投加浓度的增加，孔雀草地上部和根部的镉含量逐步升高，在Cd 150mg/kg的处理中，地上部和根部Cd含量达到了最高值，分别为238.02、213.53mg/kg，但其富集系数和转移系数也降至最低。

表1  盆栽实验条件下孔雀草对镉的累积特征

处理浓度(mg/kg)	地上部(mg/kg)	根部(mg/kg)	地上部富集系数	转移系数
					0122436487296150	1.5153.7091.26103.23123.61158.09175.63238.02	0.7021.4541.4956.5892.66127.83156.31213.53	-4.473.802.872.582.201.831.59	2.152.502.201.821.331.241.121.11

上述实验结果表明，在土壤中镉投加浓度为36mg/kg时，孔雀草地上部Cd含量达到了镉超富集植物的临界含量标准，而且地上部Cd含量始终高于根部Cd含量，同时对镉污染表现出较强的耐性，完全具备了Cd超富集植物的特征，是一种镉超富集植物。孔雀草对镉有很强的耐性、吸收、积累和富集能力，这些特征使得它在修复土壤镉污染上有很大的应用潜力。

实施例2：田间小区确认与镉污染土壤的修复

实验地点设在中国科学院沈阳生态站内，该站地处下辽河平原的中心地带，距沈阳市区约35km，属暖温带半湿润大陆性气候。实验共设3个小区，镉处理浓度(mg/kg)分别为：0、10、50，各小区的镉都已投加了一年以上；实验小区面积为2m²(L＝2m，W＝1m)，土壤基本理化性质与盆栽土壤相同。选取苗高5-8cm、含4片真叶、长势一致的孔雀草花苗移入小区中，每个小区种植8列，每列8棵，共64棵。采用露天栽培方式，根据土壤水分丰缺状况，不定期浇水(水中未检出Cd)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的60-80％左右；为促进孔雀草生长，按照300kg/公顷的用量每小区施入60g尿素。孔雀草生长80天以后收获植株，样品处理同实施例1。

实验结果如下：

表2给出了不同镉浓度小区孔雀草的镉累积特征和生长情况。在镉浓度为50mg/kg的小区，孔雀草地上部、根部镉平均含量分别为129.62、103.51mg/kg，地上部含量超过了100mg/kg，且地上部镉含量高于根部，符合镉超富集植物的主要特征。按照测定的地上部干重折算，在Cd 10mg/kg的污染水平下，孔雀草的地上部干物质产量可达4838kg/公顷，从土壤中带走的Cd为185g/公顷；而当土壤镉浓度为50mg/kg时，孔雀草的地上部干物质产量为3981kg/公顷，可以从土壤中带走516g/公顷的Cd。由此可知，孔雀草对于不同水平的镉污染都有较大的修复潜力。

表2  田间实验条件下孔雀草对镉的累积特征

处理浓度(mg/kg)	地上部(mg/kg)	根部(mg/kg)	地上部富集系数	地上部干重(g/棵)
					01050	1.2538.32129.62	0.9328.23103.51	-3.832.59	15.5315.1212.44

Claims (1)

1.一种利用植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中种植孔雀草，当孔雀草生长至30-40cm高或开花期时将植株整体移除，再种植第二茬孔雀草，重复上述操作，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准，从而实现去除土壤中过量镉的目的；

所述孔雀草是一种重金属镉超积累植物；

所述在镉污染土壤中种植孔雀草是指将高5-8cm或含4片展开真叶的孔雀草幼苗移栽到镉污染土壤中；

所述在镉污染土壤中种植的孔雀草采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80％。

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