CN102085527A

CN102085527A - 一种利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法

Info

Publication number: CN102085527A
Application number: CN2009102203565A
Authority: CN
Inventors: 孙约兵; 周启星; 刘睿; 任文杰
Original assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Current assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-08

Abstract

本发明涉及重金属污染土壤植物修复技术，具体地说是一种利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法。利用观赏植物五色梅对镉具有很强的耐性和富集能力，将植物种植在镉污染土壤中，当镉浓度达到50mg/kg时，植物地上部生物量仍然没有显著受到抑制；同时，根部从土壤中吸收大量的镉，并通过木质部转运在植物地上部积累，地上部镉含量超过镉超富集植物临界含量标准100mg/kg。当植物生长成熟后将植株移除并集中并妥善处理，从而达到去除土壤中过量镉的目的。通过连续种植该种植物，并重复上述步骤，植物不断地提取吸收污染土壤中的镉，直至土壤中镉含量达到环境安全标准。采用本发明修复污染土壤、美化环境，是一种绿色、安全的污染土壤治理方法。

Description

一种利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用镉超富集花卉植物-五色梅治理并修复镉污染土壤的方法。

背景技术

土壤是人类赖以生存的最基本的物质基础之一，但随着工业生产产生的“三废”、农业中各种农药和化肥的使用和汽车尾气的大量排放，导致了土壤中重金属含量急剧增加。据不完全统计，全国受重金属污染的土地达到2.0×10⁷公顷，占耕地总面积的1/5；其中工业“三废”污染耕地1000万公顷，每年因重金属污染而减产粮食超过1000万吨，另外被重金属污染的粮食每年也多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元[文献1：万云兵，仇荣亮，陈志良，张景书.重金属污染土壤中提高植物提取修复功效的探讨.环境污染治理技术与设备，2002，3(4)：56-59.]。重金属在土壤中积累到一定限度时，就会对土壤-植物系统产生毒害，不仅导致土壤退化、农作物产量和品质降低，而且污染地表水和地下水，并可能直接接触、食物链等途径危及人类的健康和生命。由于重金属污染具有隐蔽性、不可逆转性和后果严重性等特点，治理难度大，费用高[文献2：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；文献3：孙铁珩，李培军，周启星.土壤污染形成机理与修复技术[M].北京：科学出版社，2005.]。因此，土壤重金属污染的修复和治理一直是国际性的难题和热点研究问题之一。与传统的修复方法如客土法、淋溶法和施用化学改良剂等相比，利用植物修复重金属污染土壤是一种新兴的绿色生物技术，其具有不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物活性的情况下，通过植物的根系直接将大量的重金属吸收，收获植物地上部来修复被污染的土壤[文献4：蔡美芳，刘玉荣，党志.植物修复重金属污染土壤的研究进展.重庆环境科学，2003，25(11)：174-176.]。

利用植物修复方法治理土壤重金属污染的主要机制有3个方面：一是利用植物根际圈特殊的生态条件改变土壤中重金属存在的形态，使其固定；二是通过氧化-还原或沉淀等生态化学过程，降低重金属在土壤中迁移性，降低生物的可吸收利用率；三是利用植物本身特有的利用污染物、转化污染物积累重金属的能力，通常主要指超富集植物或超积累植物[文献5：周启星，宋玉芳.植物修复的技术内涵及展望.安全与环境学报，2001，1(3)：48-53.]。所谓超富集植物指能超量吸收重金属并能将其不断运移到地上部的植物[文献6：Brooks R.R.，Lee J.，Reeves R.D.Detection of nickliferous rocks by analysis of herbarium species of indicator plants.J.Geochem..Explor.，1997，7：49-77.]。目前，关于镉超积累植物的衡量标准包括3个特征：其一是临界含量特征，镉超富集植物地上部包括茎或叶中镉的临界含量为100mg/kg，其二是具有转移特性，植物体地上部(主要指茎和叶)重金属含量大于其根部含量；其三是超富集植物具有耐性特征和富集系数特征。利用超富集植物修复重金属污染土壤是目前研究最多、最有发展前景的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法，在不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物活性的情况下，通过植物的根系直接将大量的镉吸收，收获植物地上部来修复被污染的土壤，该去除土壤中镉污染的植物修复方法操作性强，费用低廉，不破坏土壤理化性质，同时还能取到美化环境的作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法，在镉污染土壤上种植五色梅，当植物生长成熟后，将植株整体从污染土壤上移走，从而实现去除土壤中过量镉的目的。

所述植物五色梅是将含4-6片真叶的五色梅幼苗种植在镉污染土壤中，所属植物为镉富集植物。

所述在镉污染土壤中种植的五色梅采用在网室中栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％。

所述在镉污染土壤中种植的五色梅，五色梅从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当五色梅到成熟期时将植物整体从污染土壤上移除，通过连续种植五色梅，重复上述操作，直至彻底去除土壤中的镉，使土壤中的镉含量达到环境安全标准。

本发明所采用修复植物为五色梅：五色梅(Lantana camara)，又叫马樱丹、臭草、七姐妹，为常绿灌木，高1-2m，有时枝条生长呈藤状。茎枝呈四方形，有短柔毛，通常有短而倒钩状刺。单叶对生，卵形或卵状长圆形，先端渐尖，基部圆形，两面粗糙有毛，揉烂有强烈的气味，头状花序腋生于枝梢上部，每个花序20多朵花，花冠筒细长，顶端多五裂，状似梅花。花冠颜色多变，黄色、橙黄色、粉红色、深红色。花期较长，在南方露地栽植几乎一年四季有花，北京盆栽7-8月花量最大。果为圆球形浆果，熟时紫黑色。

本发明所具有的优点：

1.本发明利用五色梅生长迅速、生物量大，对镉有很强的耐性、吸收和超富集能力的特性。将其种植在污染土壤中，通过五色梅根系吸收土壤中大量的镉，并向地上部运输。当植物长成熟后将其整体移出重金属污染土壤，并进行安全填埋或焚烧，从而有效、快速治理镉污染土壤的目的。

2.本发明采用植物修复镉污染土壤，其操作性强、费用低、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染，同时具有美化环境的作用。实验证明，五色梅是一种镉超富集植物，本发明利用五色梅地上部对镉金属的超量提取能力，通过在镉污染土壤上种植该种植物，能够在修复污染土壤及不引起地下水污染的同时，改善土壤质量和美化生态环境。

附图说明

图1为不同浓度镉处理对五色梅生物量的检测图。

图2为不同浓度镉处理下五色构体内镉积累量的检测图。

具体实施方式

实验地点设在中国科学院沈阳应用生态所网室内，盆栽试验土壤采自该站无污染区表土(0-20cm)，土壤类型为草甸棕壤，当五色梅幼苗生长至含4-6片真叶时，将其种植在镉污染土壤中。实验共设6个处理，分别为：CK(对照，不投加镉)、10mg/kg、25mg/kg、50mg/kg、100mg/kg和200mg/kg，每个处理重复3次，以CdCl₂·2.5H₂O的形式加入。平衡3周后，选择生长一致的五色梅，分别移栽入各盆中，每盆2棵苗，为了使其在自然状况下生长，不施底肥且露天栽培，根据盆中土壤缺水情况，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75-85％左右。为防止污染物淋溶渗漏损失，在盆下放置塑料托盘并将渗漏液倒回盆中，植物生长时间为85天。而后将植物从污染土壤上移走，再种植下一茬五色梅，重复上述操作。

将割下的植物样品分为根、茎、叶和花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105℃杀青10min。之后，在70℃下烘干至衡重，将植物样品粉碎备用。植物样品采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积为3∶1)，原子吸收分光光度计测定样品中的Cd含量。

所有检测的数据都重复3次，在计算机上用Microsoft Excel 2003进行平均值和标准差的运算，以Mean±SD形式表示。并利用最小显著性差异测验(LSD测验)进行植物样品差异显著性测验(参见表1、表2，图1和图2)。

实验结果如下：

参见图1可知，五色梅对镉污染具有一定的耐性能力。投加镉抑制了五色梅生长和发育，表现出地上部生物量(g/pot，即：克/盆)有所降低。当镉处理浓度为10-50mg/kg时，与对照相比，其地上部生物量减少了19.7％-25.7％，但生物量并没有显著受到抑制(p＞0.05)。而当镉投加浓度超过50mg/kg时，其地上部生物量则明显降低(p＜0.05)，与对照相比，分别降低了43.4％和62.1％。由上可知，在一定浓度镉污染水平下，五色梅表现出对镉有很强的耐性特征。

参见表1可知，随着土壤中镉投加浓度的增加，五色梅体内各部分镉含量呈极显著的线性增加关系，通过一元线性回归分析可得回归方程分别为：

根：Y＝93.00X-93.62；R²＝0.987(显著性p＜0.01)；

茎：Y＝55.36X-73.60；R²＝0.923(显著性p＜0.01)；

叶：Y＝27.42X-26.43；R²＝0.947(显著性p＜0.01)；

花：Y＝14.06X-9.76；R²＝0.969(显著性p＜0.01)；

地上部：Y＝36.98X-42.4；R²＝0.957(显著性p＜0.01)；

其中，Y表示的是植物各部分镉含量；X表示的是土壤中镉含量。

植物体内镉含量表现为：根＞茎＞叶＞花；根＞地上部。在本实验中，当五色梅幼苗地上部干重没有受到显著抑制时(Cd 50mg/kg)，茎和地上部镉含量分别达到146.78和105.91mg/kg，超过镉超富集植物临界含量标准，即100mg/kg。

表1镉处理浓度下五色梅不同部位镉含量(mg/kg)

参见表2可知，五色梅对镉有很强的吸收和富集能力。富集系数是指植物中重金属含量与土壤中重金属元素含量之比。富集系数是表征土壤-植物系统中重金属元素的迁移的难易程度，也是反映植物将重金属通过吸收转移到体内能力大小的评价指标，即富集系数越高，表明植物对重金属的吸收累积能力就越强，越有利于植物提取修复污染土壤。由表可知，五色梅对镉的富集能力很强，其富集介于2.24-0.99，基本上都大于1.0(镉处理为200mg/kg时除外)，具备镉超富集植物富集系数特征。然而，随着土壤中Cd浓度的增大，其富集系数逐渐减少，说明了高浓度Cd处理抑制了植物对Cd的吸收和积累。

表2不同镉处理浓度下五色梅对镉的富集系数、转移系数和提取率

转移系数是指地上部重金属元素的含量与地下部同种重金属元素含量的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上部运输和富集能力。转移系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力就越强。由表2可知，五色梅的转移系数介于0.15-0.41，随之土壤中镉浓度的增加，其转移系数基本上随之增加。

重金属的提取率是指植物重金属积累量与土壤中重金属含量之比，它是评价超富集植物提取修复重金属污染土壤潜力的重要指标之一。由表2可知，五色梅的提取率系数介于2.37％-0.16％，随之土壤中镉浓度的增加，其提取率基本上随之减少。

参见图2可知，地上部镉积累量(μg/pot，即：微克/盆)大于根部，地上部镉积累量高于根部，通过收获植株地上部，也能达到去除土壤中镉污染的目的。当土壤中镉浓度达到50mg/kg时，五色梅体内镉积累量达到最大，根部和地上部分别达到133.03和342.91μg/pot。

上述实验结果表明，本发明利用观赏植物五色梅(Lantana camara)对镉具有很强的耐受能力和富集能力，将植物种植在镉污染土壤中，当镉浓度达到50mg/kg时，植物地上部生物量仍然没有显著受到抑制；当土壤中镉投加浓度≥50mg/kg时，地上部镉含量达到镉超富集植物的标准，其富集系数＞1.0，而且地上部镉积累量大于根部，这些特征使得五色梅在修复镉污染土壤有一定的应用潜力。同时，根部从土壤中吸收大量的镉，并通过木质部转运在植物地上部积累，地上部镉含量超过镉超富集植物临界含量标准100mg/kg。当植物生长成熟后将植株移除并集中并妥善处理，从而达到去除土壤中过量镉的目的。通过连续种植该种植物，并重复上述步骤，植物不断地提取吸收污染土壤中的镉，直至土壤中镉含量达到环境安全标准。采用本发明既能修复污染土壤，又能美化环境，是一种绿色、安全的污染土壤治理方法。

Claims

1.一种利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植五色梅，当植物生长成熟后，将植株从污染土壤上移除，从而实现修复镉污染土壤的目的。

2.按照权利要求1所述的利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述植物五色梅是将含4-6片真叶的五色梅幼苗种植在镉污染土壤中，所属植物为镉富集植物。

3.按权利要求1所述的利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中种植的五色梅采用在网室中栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％。

4.按权利要求1所述的利用镉超富集植物五色梅修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植五色梅，五色梅从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当五色梅生长成熟后，将植株从污染土壤上移除，通过连续种植植物，重复上述操作，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。