CN101812545A - 一种利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以镉为主的重金属污染土壤的植物修复，具体地说是一种利用无机化学肥料结合镉超积累植物紫茉莉来修复镉污染土壤的方法。该方法是在镉污染土壤中施入磷肥(磷酸二氢钾)，然后种植观赏植物紫茉莉，通过加强紫茉莉对土壤中镉的提取作用，达到修复镉污染土壤的目的。本发明通过施用磷肥，不仅可以提高紫茉莉的生物量和对镉的吸收、积累作用，而且降低污染土壤中镉的生物有效性和生态风险。本发明具有修复成本低、修复效率高、可操作性强、环境风险小等优点，且可以在治理污染土壤的同时美化环境。

Description

一种利用磷肥促进植物联合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，具体的说是一种利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法。

背景技术

土壤是农业生产、城市建设和国民经济的基础，无论是植物性生产，还是动物性生产，都离不开土壤作为其基本的条件，尤其是植物性农业生产的基础。土壤健康质量是保证农产品健康品质的基础，而农产品品质安全和土壤环境的保护是经济和社会可持续发展的关键。因此，研究土壤健康质量的维持以及与农产品品质的关系是国家的重大需求(周启星，2005，健康土壤学，北京：科学出版社)。

在我国，随着工农业生产的发展和乡村的城市化，近年来土壤污染迅速蔓延，污染程度也逐渐加深。有关资料表明，我国受重金属污染的农田土壤约2500万hm²，每年被重金属污染的粮食多达1200万t。如此大面积的污染土壤，如果采用传统的物理和化学方法，均可能受到经济或技术双重因素的影响而难以实现，尤其在工业发展历史悠久的东北地区，由于长期以来导致了严重的土壤污染，这些污染土壤至今仍然基本处于未修复状态，已经严重影响了老工业基地的全面振兴。一般来说，对人类生活造成重大影响的通常为人为污染源，包括化学污染物和生物类污染物等。其中，重金属如镉、砷、铅、铜、锌、汞、铬、镍等污染土壤，由于其隐蔽性、滞后性、累积性以及难治理和修复周期长等特点，已成为环境科学与工程研究极为关注的、亟待解决的世界性难题。调查表明，在我国东北地区，土壤重金属污染主要以镉为主，并构成相应的各种复合污染的形式。

与此同时，污染土壤修复的研究也随之成为国内外环境科学与工程研究领域的热点科学问题和技术前沿，近年来也取得了重要进展。然而，一方面是，污染土壤修复技术的发展远远不能适应日益加剧的土壤污染程度，污染土壤修复工作有必要进行多层面的技术深化和技术创新；另一方面，传统治理技术也存在很大缺点，如破坏场地结构，改变土壤原有理化性质使污染土壤修复后难以利用，容易带来二次污染以及其实施方式难以为公众所接受等，而且对于污染面积较大土壤尤其是污染面积巨大且污染程度较轻的农田土壤则难以修复或者说经济上难以承受。因此，人们寄希望于费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水环境二次污染、能起到美化环境的作用且易于为社会所接受等优点的植物修复技术。也就是说，利用超积累植物的超量提取作用以修复重金属污染土壤的技术具有技术相对简单，操作方便，经济上和技术上可以大面积实施等优点，因此，在我国具有广阔的应用前景。

自1977年发现超积累植物以来，虽然世界各国不同程度地从事了这方面的研究，且已有400多种植物被确认为超积累植物，但不幸的是，其中大多数为Ni的超积累植物，Cd的超积累植物很少报道；再有，上述已发现的超积累植物绝大多数并不具有人们所期望的理想性状，在很多方面还存在着不同缺陷，如根系分布范围较小、扎根较浅，植物生物量较小，生育期较长，抗病、虫能力较弱等，因而在污染土壤修复实践中常表现为修复效率较低、修复时间较长等缺点，因此，超积累植物的筛选仍然是植物修复技术的基础和关键之所在。

近年来，具有我国自主知识产权的超积累植物虽有报道但数量极少，如Zn超积累植物东南景天等仅为有限的几种，这与我国是一个植物资源十分丰富的大国地位是十分不相称的，所以非常有必要积极开展超积累植物的筛选及植物修复技术的研究及应用。紫茉莉为紫葳科、紫茉莉属的一年生草本植物，实验结果表明，紫茉莉能够在被重金属Cd污染的土壤上正常生长，没有任何中毒症状，不但具有很强的耐性，而且土培盆栽实验条件下紫茉莉的地上部Cd含量最大值为113.54mg穔g^-1，超过了Cd超积累植物应达到的临界含量标准100mg穔g^-1；水培条件下地上部Cd含量最大值更高，达到了539.87mg穔g^-1，说明紫茉莉对Cd具有非常强的积累能力(周启星、刘家女，2006)。更重要的是，它还具有较强的转移能力，可将土壤中的重金属污染物Cd有效地转移到地上部，尤其是对于紫茉莉来说叶子的积累能力最强，而紫茉莉的叶子占其地上部干重的45.6％，可见叶子是紫茉莉积累Cd的最重要器官，这对花卉植物来说是非常难得的(周启星、刘家女，2006)。紫茉莉还具有较强的富集能力，各个处理的富集系数都大于1.0(于志国、周启星，2008)。因此实验结果证明，紫茉莉为镉超积累花卉植物。其在整个盆栽实验生长期间没有发生任何病虫害现象，具有较强的抵制自然灾害能力，这有利于提高修复效率，并且它属于常见花卉植物，栽培方法也较简单，方便了修复工作的实施。紫茉莉为观赏性植物，一般情况下不会进入食物链，可避免食用造成对人体健康的危害。由此可见，紫茉莉在污染土壤修复中的应用是完全可行的。人类在长期的农业生产中，积累了丰富的花卉栽培经验，如果在栽培花卉时能够与经典的花卉栽培工艺或能改善生物量的调控措施相结合，就有望提高籽实的重金属含量。这样，地上部的重金属含量还可以增加。紫茉莉在进行土壤修复的同时美化了环境，一举两得。随着人民生活和社会消费水平的不断提高，紫茉莉的商品价值将会越来越大。

由于很多待修复土壤中目标重金属活性较低，而已经发现的超富集植物大多生长缓慢，生物量小，而生长迅速、生物量大的富集植物一般很难吸收富集高浓度的重金属，给实际修复带来了很多困难。鉴于此，人们探索利用强化技术，如在土壤中添加螯合剂来活化土壤中的重金属，提高其生物有效性，促进植物吸收重金属，来提高植物修复的效率。如何既保证强化修复的效果，又能减少对植物的毒害，降低修复成本，减轻环境风险，是强化技术现阶段急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、经济、安全的利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法。

为实现上述目的，本发明的技术内容为：在镉污染土壤中施入磷肥，然后种植镉超积累花卉紫茉莉(Mirabilis jalapa L.)，当紫茉莉生长至开花期时收获植物地上部分，从而达到修复镉污染土壤的目的。

本发明的具体实施步骤如下：

利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法：在镉污染土壤中施入0.05-0.3g/kg的磷肥，然后种植镉超积累花卉植物紫茉莉(Mirabilis jalapa L.)，通过加强其对镉的提取作用，从而达到修复镉污染土壤的目的。

所述磷肥的施入量最佳组合是Cd含量为10mg·g^-1时P投加浓度为50mg·g^-1；Cd含量为25mg·g^-1时P投加浓度为150mg·g^-1。所述磷肥为磷酸二氢钾(KH₂PO₄)，施用量以纯P计。

所述种植紫茉莉是指将高5-8cm或含4片展开真叶的紫茉莉幼苗移栽到镉污染土壤中。在镉污染土壤中种植的花卉植物紫茉莉(Mirabilis jalapa L.)，可以直接播种，也可以通过移栽，待植物生长到4片真叶展开后需要定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80％，使其正常生长直至开花期。在镉污染土壤上一年可以多茬种植紫茉莉，也可以连续几年种植紫茉莉，即在第一茬长到开花期时，可以将植物地上部进行收获，再种植第二茬，重复上述过程，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。同时，收获的紫茉莉可以作为花卉进行商业性出售，从而产生较大的经济效益；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。

本发明所具有的优点：

1.本发明使用的磷肥为农业生产的常用肥，其应用既可以增加土壤的肥力，从而促进紫茉莉的生物量生长，并使其总的吸收、积累量增加，进而保证了较高的修复效率；还可以对土壤中的重金属元素起到固定钝化作用，从而又降低了修复成本和环境风险。这也是本发明与其他单一的方法(如单独利用紫茉莉或者磷肥)不同之处，也是本发明的创新之处。

2.本发明选用的紫茉莉是镉的超积累植物，对镉的耐性是在一定镉污染条件下(至少土壤镉达到50mg/kg)生物量生长没有降低，而且其富集能力强，地上部含量高达100mg/kg以上，而且大于根部，并且栽培管理容易，生长速度快，具有很好的观赏价值，在修复镉污染土壤的同时，可以起到美化环境和商业出售的作用，具有良好的环境效益和经济效益。

3.本发明采用植物原位强化修复镉污染土壤的措施，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。

附图说明

图1为本发明不同镉磷处理下污染土壤中镉生物有效性的变化示意图。

具体实施方式

实施例1

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。盆栽试验土壤为采自中国科学院沈阳生态站的清洁土，人为添加镉，以CdCl₂？.5H₂O形式投加。土壤类型为草甸棕壤，其基本理化性质为：pH值5.92，有机质含量2.12％，总Cd含量0.2mg/kg。

将供试土壤风干后过4mm筛后，每盆装土2.5kg，并与Cd、磷肥充分混匀后装入塑料盆(φ＝20cm，H＝15cm)，设3个Cd水平(mg·g^-1)：10、25、50；4个磷酸二氢钾(KH₂PO₄)P水平(mg·g^-1)：0、50、150、300；共12个处理：Cd1P0；Cd2P0；Cd3P0；Cd1P1；Cd2P1；Cd3P1；Cd1P2；Cd2P2；Cd3P2；Cd1P3；Cd2P3；Cd3P3。每个处理重复3次。平衡1个月待用。同时进行花卉育苗，将土壤、河沙按照3∶1的比例混匀装入穴盘中，点播紫茉莉种子，保持土壤湿润。30d后，苗高10cm左右，含4片真叶，选取长势一致的苗移入处理盆中，每盆1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100d后收获植株。将收获样品分为根、茎、叶、花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1h；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各个部位中的Cd含量。

参见图1。图1为不同磷处理下的土壤中镉的有效态的变化。总的看来，一般施用磷肥较之不施磷肥会提高土壤中镉的有效态，使土壤中可吸收的镉浓度提高，更好的起到植物提取的作用。

实验结果如下：

参见表1。由表1可知，Cd3高浓度的Cd处理下随着磷肥添加量的增加，紫茉莉的总干重是呈现下降趋势的，添加强化剂的植株的生物量甚至低于未施加磷肥的；而在Cd1和Cd2处理下，紫茉莉的干重在P1膜3磷肥浓度增加的条件下反而也是呈现下降趋势的，但少量添加P1相比较未添加的P0，生物量还是明显增长的。在Cd2处理时，当P3增加到300ppm时，紫茉莉生物量明显降低，甚至远低于未加P肥的植株，说明在较高Cd浓度(25ppm)时，适量的P肥可增加紫茉莉对污染土壤中镉的耐受性，而过高的P肥含量反而抑制植物生长。这说明，普遍看来，在较高镉污染条件下，施加磷肥有利于对镉的耐受和植物的生长，但含量不适宜过高，保持在中低水平效果最好。这同时也保证了经济效益和环境效益的平衡。

表1不同磷镉水平对紫茉莉生物量影响(g·盆^-1)

镉处理  磷处理    总干重

Cd1     P0        11.42±0.75

        P1        25.65±0.40

        P2        20.78±0.31

        P3        12.63±0.93

Cd2     P0        10.13±0.49

        P1        17.22±0.69

        P2        12.18±1.03

        P3        4.95±0.20

Cd3     P0        9.59±0.45

        P1        8.27±0.11

        P2        5.14±0.37

        P3        5.07±0.77

转移系数(translocation factor，TF)是指地上部元素的含量与地下部同种元素含量的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力。转移系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力越强。富集系数(bioaccumulation factor，BF)也称吸收系数，是指植物中某元素含量与土壤中元素含量之比。富集系数表征土壤植物体系中元素迁移的难易程度，这是反映植物将重金属吸收转移到体内能力大小的评价指标。富集系数越高，表明植物地上部重金属富集质量分数越大。

由表2可见紫茉莉对镉吸收的转移系数在任何浓度P肥处理下都随着Cd浓度的提高而升高。不同镉处理下调整磷肥的浓度表现出的性状也不同，但不难看出多数条件下，施加磷肥都可以提高植物的转移系数，也就是可以提高紫茉莉将镉由地下部转移到地上部的能力。除了镉为25mg/kg，此时只有少量磷肥才能稍稍提高转移系数。

表2不同镉磷处理下紫茉莉的富集系数和转移系数的变化

评价指标              P0            P1            P2            P3

转移系数(TF)  Cd1     0.40±0.03    0.58±0.04    0.28±0.05    0.30±0.03

              Cd2     0.47±0.11    0.99±0.08    1.66±0.29    0.82±0.17

              Cd3     1.86±0.12    1.99±0.12    1.70±0.15    2.12±0.10

富集系数(BF)  Cd1     0.40±0.03    0.59±0.01    0.63±0.04    0.29±0.03

              Cd2     0.23±0.01    0.35±0.01    0.45±0.02    0.28±0.04

              Cd3     0.37±0.02    0.28±0.01    0.35±0.01    0.36±0.02

紫茉莉的富集系数在不同镉浓度处理下，在磷肥浓度范围50950mg/kg时均表现出随着磷浓度的增加而上升的趋势。但一旦磷肥浓度过高，如达到300mg/kg，反而迅速降低。在高浓度镉污染条件下，虽然富集系数一直随磷肥浓度增加而增加，但都不及未添加磷肥的处理。由以上的转移系数和富集系数表现可以看出，适当磷水平提高了紫茉莉将镉由地下部向地上部的转移的能力，但较高浓度的磷肥反而产生抑制作用。

综上所述，磷处理总体表现为较低浓度促进紫茉莉对镉吸收，高浓度反而抑制吸收，适当磷浓度提高土壤中镉的生物有效性。这样就可以实现在受镉污染的农用地上使用较低浓度的磷肥后种植紫茉莉和农作物，在促使紫茉莉最大程度积累镉的同时，使农作物中基本不积累重金属镉等污染物，达到发展生产和修复污染土壤同时进行的目标。

Claims (5)

1.一种利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中施入0.05-0.3g/kg的磷肥，然后种植镉超积累花卉植物紫茉莉(Mirabilis jalapa L.)，通过强化其对土壤中镉的提取作用，从而达到修复镉污染土壤的目的。

2.按权利要求1所述的利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述磷肥的施入量最佳组合是Cd含量为10mg·kg-1时P投加浓度为50mg·kg-1；Cd含量为25mg·kg-1时P投加浓度为150mg·kg-1。

3.按权利要求1所述的利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述磷肥为磷酸二氢钾(KH2PO4)，施用量以纯P计。

4.按权利要求1所述的利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中种植紫茉莉花卉植物(Mirabilis jalapa L.)，可以直接播种，也可以通过移栽，待植物生长到4片真叶展开后需要定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80％，使其正常生长直至开花期。

5.按权利要求1所述的利用磷肥促进植物联合修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上一年可以多茬种植紫茉莉，也可以连续几年种植紫茉莉，即在第一茬长到开花期时，可以将植物地上部进行收获，再种植第二茬，重复上述过程，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

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