CN101745523A - 一种利用富集植物狼把草修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镉污染土壤的植物修复技术，具体地说是一种利用富集植物狼把草修复镉污染土壤的方法，在含污染物镉的土壤上种植狼把草，通过狼把草根系大量吸收污染土壤中的镉，并将其转移至地上部器官，当植物长到地上部生物量最大时，将植物地上部器官从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。本发明利用富集植物狼把草治理镉污染土壤，具有费用低廉、可操作性强、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风蚀、水蚀均有良好的效果等优点。

Description

一种利用富集植物狼把草修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤的植物修复技术，具体地说是一种利用富集植物狼把草修复镉污染土壤的方法。

背景技术

重金属污染土壤的途径通常有以下两种：一是金属矿开采活动造成的环境污染，污染类型主要有坑口周围土壤中矿床矿物在水、气、热等环境因素长期作用下而形成的重金属污染较严重的土壤；采矿废石堆放过程中因淋滤等原因造成的重金属污染土壤；含有较高浓度重金属的矿山废水对土壤造成的污染等。二是工业污水灌溉农田引发的重金属污染土壤，具有代表性的是我国发现最早，面积较大，而且污染又十分严重的沈阳张士灌区污染土壤，其主要重金属污染物是Cd(文献1：吴燕玉，陈涛，张学询.1986.沈阳张士灌区镉的污染生态研究.见：高拯民主编，土壤-植物系统污染生态研究.295-301)。Cd是环境中的有毒物质，是生物体的非必需元素，其化合物的毒性很大，蓄积性很强，高浓度的镉对大多数动物有致畸、致突变和致癌作用，因此，镉污染土壤急需治理。

世界各国对土壤重金属污染十分重视，采取了各种各样的修复方法，如消除重金属毒性的固化技术、玻璃化技术，治理挥发性重金属的电动力修复技术等。但这些技术对污染场地破坏较大，治理费用昂贵，且存在着运输、储存、回填等新的环境问题，在小面积或重污染土壤处理中作用很大，甚至不可替代，但对于面积巨大、污染程度较轻的污染土壤来说则难以应用。因此，人们寄希望于费用较低、修复效果又好的革新技术植物修复技术(文献2：周启星，魏树和，张倩茹等编著.生态修复.中国环境科学出版社.2006)。

植物修复(Phytoremedition)是近20年来发展起来的环境污染治理技术，它广泛利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发环境中的污染物质，就象一座“绿色清洁工厂”一样将污染物质加工成可直接去除的物质形态或转化为毒性小甚至无毒的物质，从而对污染环境进行彻底的治理；它具有不引起地下水二次污染，使污染土壤与水体可持续利用和美化环境等特点，因而也是一项非常理想的绿色修复技术。植物修复的应用范围相当广泛，几乎涉及到污染环境治理的方方面面，既可以净化空气和水体，又可以清除土壤中的污染物质(文献3：周启星，宋玉芳等著.污染土壤修复原理与方法.科学出版社，2004)。

重金属污染土壤的植物修复是指利用植物及其根际微生物体系的提取、挥发和转化固定作用去除污染土壤中的重金属，或将重金属稳定在污染现场防止其对地下水及周围环境造成更大的污染。植物修复主要包括植物提取(Phytoextrtion)、植物挥发(Phytovoltiliztion)、根际滤除(Rhizofiltrtion)和植物稳定(Phytostiliztion)四种作用方式，其中，植物提取方面的研究日益受到人们的关注[文献4：Chaney R.L.，Malik M.，Li Y.M.，et al.1997，Phytoremediation of soil metals.Current 0pinionsin Biotechnology.8：279～284；文献5：Wong M.H.，2003，Ecologicalrestoration of mine degraded soils，with emphasis on metalcontaminated soils.Chemosphere.50：775～780]。植物提取，即利用重金属富集植物(特别是超富集植物)从污染土壤中超量吸收一种或几种重金属，并将其转移、贮存到茎、叶等地上部器官，随后将植物整体(包括部分根)收获并集中处理，然后再连续种植，以便使土壤中重金属浓度降低到可以接受的水平。

超富集植物的主要特征(衡量标准)为：

1)植物地上部(主要是指茎和叶)重金属含量超过某一临界含量，如Zn10000mg/kg、Cd 100mg/kg、Au 1mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均为1000mg/kg等(文献6：Baker AJM，Brooks RR.Terrestrial higher plants whichhyperaccumulate metallic elements-a review of their distribution，ecology and phytochemistry.Biorecovery 1989，1：81～126)；

2)植物地上部重金属含量大于根部该种重金属含量；

3)植物的生长没有出现明显的毒害症状；

4)植物地上部生物量(茎、叶与花序干重之和)与未投加重金属的对照相比没有显著下降；

5)植物地上部(茎、叶与花序的平均值)对某种重金属的富集系数大于1，至少当土壤中重金属含量与超富集/超积累植物应达到的富集/积累水平相当时，地上部(主要是茎或叶)富集系数大于1(如土壤中重金属含量分别为Zn 10000mg/kg、Cd 100mg/kg、Au 1mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均为1000mg/kg)；

富集系数AC＝植物地上部重金属含量/土壤中重金属含量；

富集植物的衡量标准如下：

1)植物地上部重金属含量大于根部该种重金属含量；

2)植物地上部生物量(茎、叶与花序干重之和)与未投加重金属的对照相比没有显著下降；

3)植物的生长没有出现明显的毒害症状；

4)植物地上部(茎、叶与花序的平均值)对某种重金属的富集系数大于1，但没有满足植物地上部(茎和叶)重金属含量超过某一临界含量这一标准。

5)经过浓度梯度试验后，植物如果仍达不到超富集植物标准，则认为是富集植物(文献7：Ma LQ，Komar KM，Tu C，et al.A fern thathyperaccumulates arsenic.Nature 2001；409：579；文献8：Wei S，ZhouQ，Koval PV.Flowering stage characteristics of cadmiumhyperaccumulator Solanum nigrum L.and their significance tophytoremediation.Science of the Total Environment.2006，369(2006)441-446)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种费用低廉、可操作性强、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风蚀、水蚀均有良好效果的治理镉污染土壤的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用富集植物狼把草修复镉污染土壤的方法，在含污染物镉的土壤上种植狼把草，通过狼把草根系大量吸收污染土壤中的镉，并将其转移至地上部器官，当植物长到地上部生物量最大时，将植物地上部器官从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

所述地上部生物量最大时，是指植株从开花期至成熟期这一段时期，成熟期是指狼把草生长到种子成熟时。当植物长到地上部生物量最大时，可以是将植物整体从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

在含污染物镉的土壤上种植狼把草，可采用露天栽培，根据土壤缺水情况，浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40～95％。

所述种植狼把草是指在土壤上直接播种狼把草种子或将幼苗期的狼把草移植在含污染物镉的土壤上。

在含污染物镉的土壤上种植狼把草，可采用复种的方式，即在第一茬狼把草长到地上部生物量最大时，将植物地上部器官从污染土壤上移走，再重复上述过程，直至最终修复镉污染土壤；通过这种方式，可以从土壤中带走大量的镉，从而达到快速、彻底去除土壤中污染镉的目的。

所述含污染物镉的土壤中镉含量的为0.3-100mg/kg。

本发明利用富集植物狼把草治理镉污染土壤，具有费用低廉、可操作性强、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风蚀、水蚀均有良好的效果等优点。实验证明植物狼把草是一种富集植物，本发明利用狼把草对镉的超量富集提取作用，通过在镉污染土壤上种植这种富集植物，使污染土壤得到修复，与现有技术相比，既不破坏污染现场土壤结构、培肥地力，又大大降低了修复费用。

具体实施方式

实施例1盆栽试验

试验地点设在中国科学院沈阳生态实验站内，地理位置为东经123°41′、北纬41°31′，海拔约50m，该试验站周围没有污染源，是重金属未污染区。该站地处松辽平原南部的中心地带，距沈阳市区约35km，属温带半湿润大陆性气候，年平均温度5～9℃，大于10℃的年活动积温3100～3400℃，年总辐射量520～544KJ/cm²，无霜期127～164d，年降水量650～700mm。盆栽试验采自该站表土(0～20cm)，土壤类型为草甸棕壤。

根据东北地区重金属污染状况和水平，确定Cd单一污染(T₁)和Cd-Pb-Cu-Zn复合污染(T₂)2组试验，其中Cd单一污染处理投加浓度为10mg/kg，复合污染处理中Cd、Pb、Cu和Zn的投加浓度分别依次为10、1000、400和1000mg/kg，相当于国家土壤环境质量标准(GB15618，1995)三级标准值的10、2、1、2倍。投加的重金属形态分别为CdCl₂·2.5H₂O、Pb(CH₃COO)₂·3H₂O、CuSO₄·5H₂O和ZnSO₄·7H₂O，均为优级纯试剂，充分混匀。与此同时，以不投加重金属的处理为对照(CK)。

将供试土壤风干、过4mm筛后，与一定量的重金属混合，装入塑料盆(￠＝20cm，H＝15cm)中，平衡两周后，选择生长一致的各种杂草幼苗分别移栽入CK、T₁和T₂处理的盆中。每盆各栽2棵苗。重复3次，根据盆缺水情况，不定期浇自来水(水中未检出Cd、Pb、Cu、Zn)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的80％左右。待植物成熟后或霜期来之前，收获杂草。

试验结果如下：

与对照(CK₁)处理地上部生物量的8.16g/盆相比，处理T₁中狼把草地上部的生物量为8.41g/盆没有下降(p＜0.05)，说明其对镉单一污染具有较强耐性。但处理T₂地上部的生物量只为5.46g/盆，生物量显著下降(p＜0.05)，说明其对Cd-Pb-Cu-Zn复合污染的耐性较差。因此，从植物对重金属单一和复合污染的耐受性来看，狼把草对镉单一污染具有超富集应具有的耐性较强的特征。

狼把草对重金属的积累特性表明(表1)，无论是在Cd单一污染(T₁)还是Cd-Pb-Cu-Zn复合污染(T₂)处理条件下，狼把草地上部Cd含量显著高于盆栽土壤中Cd的投加浓度(AC＞1)，且地上部Cd含量大于根部Cd含量(TF＞1)，具备了超富集植物所应具有的地上部重金属含量大于根部重金属含量的基本特征。但其地上部Cd含量还没有达到100mg/kg这一超富集植物应达到的临界含量水平，有必要通过浓度梯度试验进行进一步检验。

从狼把草对Pb、Cu和Zn的富集情况来看(表1)，其富集系数、转移系数均小于1，且地上部临界含量也没有达到超富集植物应达到的临界水平(1000mg/kg，1000mg/kg，10000mg/kg)，因此，不具有Pb、Cu和Zn的富集特征。

表1盆栽试验中狼把草对重金属的富集特征(mg/kg)

*AC为富集系数

实施例2盆栽浓度梯度试验

试验共设了5个处理，分别为对照(CK，不投加Cd)及4个不同的Cd投加浓度试验，Cd投加浓度：1Omg/kg(R1)、25mg/kg(R2)、50mg/kg(R3)、100mg/kg(R4)，投加的镉形态为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂，充分混匀，平衡两周后待用。

本试验于春天开始，移栽狼把草幼苗均采自沈阳生态站内，每盆2棵，3次重复。露天栽培。根据盆缺水情况，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80％左右。待植物成熟后收获。

试验结果如下：

在不同Cd浓度处理条件下，与对照相比(CK₂)，狼把草的地上部生物量均没有显著下降(p＜0.05，CK₂：5.13，R₁：5.0，R₂：5.17，R₃：5.06和R₄：4.78g/盆)，表现出较强的耐性。

植物体内Cd含量测定结果表明(表2)，当土壤中Cd投加浓度为10，25，50mg/kg时，狼把草地上部富集系均大于1，转移系数也大于1，表现出超富集植物的根本特征。但植物的叶或茎中Cd含量均没有超过100mg/kg这一镉超富集植物的临界含量标准。因此，综合植物对Cd的耐性和富集特征来看，狼把草还达不到超富集植物的衡量标准，只是Cd的富集植物。

表2狼把草对镉的富集特征(mg/kg)

处理	根	茎	时	花序	地上	AC	TF
								R1	12.9	30.3	37.9	10.0	25.6	2.59	1.99
R2	16.5	40.5	41.1	16.9	35.4	1.42	2.15
								R3	33.0	62.7	59.3	25.9	53.3	1.07	1.61
R4	50.9	81.6	82.8	36.2	71.7	0.72	1.41

*TF为转移系数数；AC为富集系数

实施例3.污灌区狼把草对Cd的富集特征

沈阳张士污灌区，位于沈阳西郊，距中国科学院沈阳生态站约30km。1962年以来，由于不合理引用沈阳卫工明渠含Cd工业污水灌溉稻田，灌区大部分农田受到污染，据1975年调查，土壤主要是受Cd污染而且Cd主要分布在土壤表层(约0～35cm)，土地受Cd污染面积约2800hm²，污染较严重地区土壤Cd浓度为5～7mg/kg。于狼把草成熟时采取随机采样方法到沈阳张士灌区采集植物及其根区土壤样品。

试验结果如下：

在张士污灌区采集到的狼把草，从外表特征来看，也是生长正常的植物，且已成熟。这些植物相应土壤样品的基本理化性质为pH值6.51～6.79，有机质16.07～17.53g/kg，全N 0.69～0.82g/kg，全P 0.62～0.71g/kg，有效P9.85～10.56mg/kg，速效K 87.69～90.22mg/kg。土壤中总Cd浓度为1.9～4.0mg/kg，有效态Cd含量为1.5～3.6mg/kg，有效态Cd占其总量的78.9～92.0％。由此可见，张士灌区污染土壤中有效态Cd含量明显高于青城子铅锌矿区土壤中Cd有效态含量(表3)。

所采集的所有狼把草其地上部Cd富集系数均大于1，而且地上部Cd含量均大于其根部Cd含量(表3)，具备了Cd富集植物的主要特征。但这些植物的茎和叶Cd含量也均未达到100mg/kg，这也与盆栽浓度梯度试验中狼把草对Cd的富集特征较一致。

表3污灌区狼把草和其根区土壤的Cd含量及其地上部干重

狼把草这一植物，在污灌条件下Cd人为污染区的自然生长状态下表现出Cd富集植物的基本特征，而在沈阳生态站人为模拟污染条件下，均达到Cd富集植物的全部特征。因此，可以认为狼把草是Cd的富集植物。

从以上3个实施例可以看出，狼把草对镉镉具有极强的富集能力，是镉的富集植物，对镉污染土壤具有较强的修复能力。

Claims (8)

1.一种利用富集植物狼把草修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在含污染物镉的土壤上种植狼把草，通过狼把草根系大量吸收污染土壤中的镉，并将其转移至地上部器官，当植物长到地上部生物量最大时，将植物地上部器官从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

2.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述地上部生物量最大时，是指植株从开花期至成熟期这一段时期。

3.按照权利要求2所述方法，其特征在于：所述成熟期是指狼把草生长到种子成熟时。

4.按照权利要求1所述方法，其特征在于：当植物长到地上部生物量最大时，可以是将植物整体从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

5.按照权利要求1所述方法，其特征在于：在含污染物镉的土壤上种植狼把草，可采用露天栽培，根据土壤缺水情况，浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40～95％。

6.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述种植狼把草是指在土壤上直接播种狼把草种子或将幼苗期的狼把草移植在含污染物镉的土壤上。

7.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述在含污染物镉的土壤上种植狼把草，可采用复种的方式，即在第一茬狼把草长到地上部生物量最大时，将植物地上部器官从污染土壤上移走，再重复上述过程，直至最终修复镉污染土壤。

8.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述含污染物镉的土壤中镉含量的为0.3-100mg/kg。