CN103302086A

CN103302086A - 一种喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法

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Publication number: CN103302086A
Application number: CN2013102144807A
Authority: CN
Inventors: 龙健
Original assignee: GUIYANG KARST BIOTECHNOLOGY Co Ltd; Guizhou Education University
Current assignee: GUIYANG KARST BIOTECHNOLOGY LIMITED COMPANY; Guizhou Education University
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: CN103302086B

Abstract

本发明涉及环境中重金属污染的植物修复技术领域，尤其是涉及喀斯特山地矿区土壤中重金属铜污染后的修复技术领域，具体为一种喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法。该修复方法为在重金属铜污染的土壤中种植雀稗、大叶女贞和马尾松，定期对其中的草本植物进行收割和灰化处理，利用木本植物来增加的物种多样性。利用雀稗、大叶女贞和马尾松，对重金属铜污染的地区进行修改，整个生长过程中不需要特殊管理，因而成本较低、可操作性强吗，还可以同时提高该地的绿化水平，播种和管理简单，便于工程化实施。

Description

一种喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法

技术领域

本发明涉及环境中重金属污染的植物修复技术领域，尤其是涉及喀斯特山地矿区土壤中重金属铜污染后的修复技术领域，具体为一种喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法。

背景技术

西部矿产资源开发引发的一系列生态环境问题—地表植被和土壤的破坏，土地荒漠化，对地表水造成的污染等问题使得当地生态系统变得更加脆弱，生物多样性减少、生态逆向演替严重。

采取植物修复技术是符合贵州喀斯特山地矿区自然条件和经济条件的可行性方法。其中对于植物修复，发现适合的超富集植物、适合的耐受性植物以及采取的合理方案是关键。目前已经发现的植物物种大多数是镍超富集植物，筛选合适物种用于本土的土壤治理是首要条件。由于不同地区重金属污染土壤的原始条件不同，气候条件不同，自然经济条件不同，因此合适的修复物种和技术方案都是带有地域性特征的研究结果。

Cu是植物生长发育必须的微量元素，又是环境污染物，通常植物的正常生理代谢与生长发育对它的需要量不大，过多的铜离子对植物代谢将会起到不利影响。Cu是一种有毒重金属元素，其在正常植物中的含量仅有10 mg·kg^-1，因此开展铜污染土壤的治理和生态修复的研究很有必要。Cu的超富集植物的筛选比较困难。外地已经发现的Cu的耐性植物有海洲香薷（Elsholtzia splendens）、杠板归（Polygonum perfoliatum L.）和鸭拓草（Rhoeo spathacea (Sw.) Stearn）等。

土壤种子库指土壤及其表面凋落物中所有具有生命活力种子的总和，在很大程度上它代表了当地乡土植被被特有的遗传基因和变异特性，是在植被恢复后保存缘由生物多样性的最原始和有效方法。目前，土壤种子库是国内外生态学研究的热点之一，其对于退化生态系统的植被恢复与重建具有重要的理论和实践意义。

贵州喀斯特山区是我国乃至世界喀斯特分布面积最大的片区之一,由于其生态系统的脆弱性,加之人类活动的干扰,使得该区的植被退化较为严重。喀斯特是贵州最大和最基本的环境特点，受到喀斯特环境脆弱性的影响，贵州社会经济发展与生态环境的协调差、可持续能力弱。喀斯特环境下广泛发育的自然土壤是石灰石，属于富钙、自然肥力较低的土类、土层零星少薄且不连续，保水保肥能力差，植被生境条件恶劣，喀斯特环境中的植物适生种类少，群落结构简单、食物链易于受干扰而中断、生态系统稳定度低、脆弱性强，植被生长慢，生物生产力与生物量都低于全国其他湿热的亚热带地区。

因此研究适合贵州本土喀斯特山地矿区污染土壤修复技术的植物物种很关键，特别是研发出能够适应土壤零星少薄，土壤pH值高的环境，生态系统脆弱的特点，兼顾环境效益的同时还要经济效益，使用经济的草本物种，便于在喀斯特山地矿区实施修复工程使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有一定的抗旱、抗盐碱能力，适应性、生长势和扩展性强，耐践踏，适合于土层零星少薄，呈强酸性的喀斯特山地矿区，可以同时提高该地的绿化水平，播种和管理简单，便于工程化实施的雀稗植物，具体为雀稗在修复喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染中的应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，该修复方法为在金属铜污染的土壤中种植雀稗（Paspalum scrobiculatum Linn．）、大叶女贞（Ligustrum lucidum Ait）和马尾松（Pinus massoniana Lamb），定期对这其中的草本植物进行收割和灰化处理，木本植物对于增加样地的物种多样性，达到明显的植被盖度有很好效果。

该修复方法具体包括以下步骤：

（1）、先覆盖周边森林凋落物和土壤种子库，对于改善土壤微环境，提高种子发芽率有很好效果。凋落物和土壤种子库取自周边森林，覆盖厚度2-4厘米即可。根据周围凋落物季节性变化，适合在凋落物生物量大的季节开展。

（2）、移栽大叶女贞和马尾松，这两种植物均采用1-2年苗；大叶女贞和马尾松的移栽时间为春季，大叶女贞和马尾松地上部分对铜的富集平均值分别为145.262 mg·kg^-1和312.987 mg·kg^-1。

（3）、播种雀稗种子，贵州喀斯特山区的自然条件和气候特点适合在秋季末开始播种，雀稗地上部分对铜的富集量最大的时候为1317.54mg·kg^-1，平均值1058.119 mg·kg^-1，富集系数为1.4-3.2。

实验一年后，该三种植物的生物量增加明显，雀稗的铜富集显著，大叶女贞和马尾松的铜耐受性显著。最终提高了当地进行植物自然更替的能力。改善了当地的生物多样性，改善了生态功能。对于重金属铜污染的土壤，适当添加螯合剂EDDS，EDDS对Cu有较强的亲和力，具有较强的溶解土壤铜和增加植物吸收累积铜的能力。添加量以5mmol·kg^-1为宜。

在金属铜污染的土壤中种植雀稗、大叶女贞和马尾松，利用其对铜的富集特性吸收积累重金属铜，并将其转移到地上部分，定期收割雀稗的地上部分，进行灰化处理，提取重金属铜，以达到修复铜污染的目的，实现对重金属铜污染的土壤进行修复的效果。

雀稗生命力旺盛，在其生长过程中不需要特殊管理，待长到6厘米以上后，每年9-10月收割，留茬继续生长，因此成本低，可操作性强。对收割的部分进行灰化处理，灰化后的物质可以用于提取重金属。

喀斯特山地矿区重金属铜污染的土壤为土壤零星少薄，土壤呈强酸性的贵州喀斯特山地矿区的重金属铜污染的土壤。土壤零星少薄的土壤是指土壤厚度为1cm以下的不连续土壤；土壤呈强酸性是指土壤的pH值为5以下的土壤。

雀稗，多年生、簇生草本，高30－100厘米，有一定的抗旱、抗盐碱能力，适应性、生长势和扩展性强，耐践踏，适合于土层零星少薄，呈强酸性的喀斯特山地矿区，可以同时提高该地的绿化水平，播种和管理简单，便于工程化实施。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用雀稗、大叶女贞和马尾松，对重金属铜污染的地区进行修改，整个生长过程中不需要特殊管理，因而成本较低、可操作性强吗，还可以同时提高该地的绿化水平，播种和管理简单，便于工程化实施。

附图说明：

图1为覆盖掉落物和土壤的厚度与制备盖度的关系曲线示意图；

图2为盖度与移栽模式的关系曲线示意图；

图3为雀稗在7个浓度梯度的硫酸铜溶液胁迫实验中根系活力变化曲线图；

图4为雀稗在7个浓度梯度的硫酸铜溶液胁迫实验中叶绿素变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

实施例1：

盘县红果镇银河煤矿样地

土壤的pH值范围达到3.04—5.04，呈强酸性，土壤铜离子含量均值65.86 mg·kg^-1，超过了土壤环境治理标准（GB15618-1995）中的二级标准50 mg·kg^-1，达到了铜污染的标准。凋落物和土壤种子库取至周边森林，然后混种植物为雀稗、大叶女贞，马尾松进行修复，

实验分为七组，实验开始时间是10月份，将实验地划分为2m*2m的方块，分别覆盖凋落物，厚度为0cm、2cm、2-4cm、4-6cm、6-8、8-10cm、10-12cm，每个厚度重复五次。然后播撒雀稗种子，栽种大叶女贞一到两年生苗，马尾松一到两年生苗。

播种后每隔三天，浇灌一次水，两周之后停止人工浇灌。在完成种植后一个月开始，每月进行一次观察和测量。从观察结果可知凋落物和土壤种子库覆盖厚度在2-4cm时即可实现对铜污染土壤的较好覆盖，可以形成有效的土壤环境以供实验所用草种的发芽和植物的生长。

测定优势物种雀稗、大叶女贞、马尾松的地上部分和根部的铜离子含量。

实验结果表明，雀稗对土壤铜污染有超富集性，大叶女贞、马尾松对土壤铜污染有较强的耐受性。其中，雀稗地上部分对铜含量的吸收平均值为1058.119mg·kg^-1。实验一年后，在实验点，通过不同厚度的凋落物、土壤种子库的覆盖对比实验，从厚度为2-4cm和以上的样地中发现，实验样地在修复实验后一年，植被盖度从修复前的0%分别增加到了平均值35%，实验样地的Shannon-Winer多样性指数从0增加到了0.5。

凋落物和土壤种子库覆盖厚度的选择既要能够给种子提供良好的生长坏境，又要克服喀斯特山地土壤零星少薄、不连续的局限，如图1所示，2-4cm厚度的凋落物和土壤种子库是可以供雀稗良好生长的最低土壤微环境要求，同时提供种子发芽生长所需要的营养物质。种子发芽后植被盖度达到了30%以上，凋落物和土壤种子库的覆盖还有助于提高修复样地的土壤滞留水分，改善土壤微环境的能力。

实施例2：

贵阳花溪麦坪乡的煤矿尾矿库污染区域样地

实验地在贵州贵阳市花溪区麦坪乡煤矿废弃地周边铜污染土壤，土壤的pH范围达到3.25—5.56，呈强酸性，土壤铜离子含量均值70.12 mg·kg^-1，超过了土壤环境治理标准（GB15618-1995）中的二级标准50 mg·kg^-1，达到了铜污染的标准。对此进行混种植物为雀稗、大叶女贞，马尾松。实验结果表明，雀稗对土壤铜污染有超富集性，大叶女贞、马尾松对土壤铜污染有耐受性。其中，雀稗地上部分对铜含量的吸收平均值为1223.412mg·kg^-1。富集系数达到1.1-2.4。实验样地在修复实验后一年，在实验点，通过不同厚度的凋落物、土壤种子库的覆盖对比实验，从厚度为2-4cm和以上的样地中发现植被盖度从修复前的0%增加到了平均值30%，实验样地的Shannon-Winer多样性指数从0增加到了0.7。

本研究认为，厚度为2-4cm的森林凋落物和土壤种子库对贵州喀斯特山地矿区铜污染土壤的植被修复具有良好作用，可以为修复地滞留水赋，提供种子发芽生长所需要的营养物质。由于喀斯特山地土壤零星少薄、不连续的局限，2-4cm厚度的凋落物和土壤种子库是可以供雀稗良好生长的最基本的土壤微环境，为增加植物盖度，增加物种多样性提供良好的土壤微环境。雀稗对铜污染土壤有较强的修复潜力，是铜污染土壤治理的超富集植物，大叶女贞、马尾松是铜污染土壤治理的耐受性植物。其中，植被盖度指植物群落总体或各个体的地上部份的垂直投影面积与样方面积之比的百分数。

因此，贵州喀斯特山地矿区少土的状况下，可以通过少量的（厚度为2-4cm）凋落物和土壤种子库的覆盖来达到良好的植被恢复效果。覆盖2-4cm的周边森林凋落物和土壤种子库，这样可以为修复地滞留水赋，提供种子发芽生长所需要的营养物质。由于喀斯特山地土壤零星少薄、不连续的局限，2-4cm厚度的凋落物和土壤种子库是可以供雀稗良好生长的最基本的土壤微环境。

雀稗地上部分对铜的富集最大值达到1317.54 mg·kg^-1 ，平均值达到1058.119mg·kg^-1 ，富集系数达到1.4-3.2。根据Brooks对铜超富集植物的定义，植物地上部分能富集的1000 mg·kg^-1 的铜则称之为超富集植物。

大叶女贞、马尾松地上部分对铜的富集平均值分别达到145.262 mg·kg^-1和312.987 mg·kg^-1，且生长状况良好，可以作为铜污染土壤治理的耐受性植物。如图2 所示，木本植物的移栽模式选择大叶女贞和马尾松间种的方式可以获得较大的植被盖度，达到样地最大的盖度35%。

逆境条件（重金属铜污染）下雀稗根系活力的变化研究：

雀稗在实验前进行水培

1、用自来水洗净雀稗；

2、将准备好的雀稗放入装有Hoagland营养液的塑料小桶内，并在接触塑料桶盖的位置用海绵固定植株，预培养一周，营养液每7天更换一次；

3、设定7个浓度梯度的CuSO₄溶液处理植物（用0.1mol/lNaOH或 HCl调节PH至5.8），每个浓度梯度两个重复处理，观察并测定植物的生理变化（实验一——根系活力和实验二——叶绿素测定）；浓度梯度设定为：

编号	铜1	铜2	铜3	铜4	铜5	铜6	铜7
								铜离子浓度(ug/mL)	0	25	50	75	100	250	500
体积（ml）	0	0.125	0.25	0.375	0.5	1.25	2.5

实验原理：氯化三苯基四氮唑（TTC）是标准氧化电位为80mV的氧化还原色素，溶于水中成为无色溶液，但还原后即生成红色、不溶于水的三苯甲腙（TTF），生成的TTF比较稳定，不会被空气中的氧自动氧化，所以TTC被广泛用作酶试验的氢受体，植物根系中脱氢酶所引起的TTC还原，可因加入琥珀酸、延胡索酸、苹果酸得到增强，而被丙二酸、碘乙酸所抑制。所以TTC还原量能表示脱氢酶活性，并作为根系活力的指标。

二、实验材料、试剂与仪器设备

（一）实验材料：根系。

（二）试剂 1、乙酸乙酯（分析纯）。 2、次硫酸钠（Na₂S₂O₄，分析纯，又名保险粉），粉末。 3、0.4%TTC溶液：准确称取TTC 0.4g，溶于少量水中，定容到100mL。 4、磷酸缓冲液（1/15mol/L，pH7.0）。

A液：称取Na₂HPO₄.2H₂O 11.876g（Na₂HPO₄.12H₂O 23.876g）溶于蒸馏水，定容至1000ml。

B液：称取KH₂PO₄9.078g溶于蒸馏水，定容至1000ml。

用时取A液60ml, B液40ml混合即可。 5、1mol/L硫酸：用量筒取比重1.84的浓硫酸55mL，边搅拌边加入盛有500mL蒸馏水的烧杯中，冷却后稀释至1000 mL。

（三）仪器设备

小烧杯，研钵，移液管，刻度试管6支，分光光度计，分析天平，温箱，试管架，药勺，石英砂适量，滤纸。

三、实验步骤 2.定量测定

（1）TTC标准曲线的制作：取0.4％TTC溶液0.2mL放入大试管中，加9.8mL乙酸乙酯，再加少许Na₂S₂O₄粉末摇匀，则立即产生红色的TTF。此溶液浓度为每毫升含有TTF80??g。分别取此溶液0.25mL、0.50mL、1.00 mL、1.50mL、2.00mL置10 mL刻度试管中，用乙酸乙酯定容至刻度，即得到含TTF 20??g、40??g、80??g、120??g、160??g的系列标准溶液，以乙酸乙酯作参比，在485nm波长下测定吸光度，绘制标准曲线。

（2）称取根尖样品0.25g，放入小烧杯中，加入0.4％TTC溶液和磷酸缓冲液（pH7.0）各2.5mL，使根充分浸没在溶液内，在37℃下暗保温1.5h，此后立即加入1mol/L硫酸1mL，以停止反应。

（与此同时做一空白，先加硫酸，再加根样品，37℃暗保温后不加硫酸，其溶液浓度、操作步骤同上）

（3）把根取出，用滤纸吸干水分，放入研钵中，加乙酸乙酯1～2mL，充分压按，以提出TTF。把红色提取液移入刻度试管，并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤2～3次，皆移入刻度试管，最后加乙酸乙酯使总量为5mL，用分光光度计在波长485 nm下比色，以乙酸乙酯做空白对照测出吸光度，查标准曲线，即可求出TTC还原量。

统计CuSO₄处理浓度与根系活力之间的关系，从图3可知，随着胁迫实验的进行，TTC还原量（根系活力）在降低，但是幅度不大，说明雀稗对铜离子有较强的耐受性。

当铜离子浓度达到25ug/mL后，随着离子浓度的增加，TTC还原量（根系活力）变化幅度减缓，说明雀稗对铜离子有较强的耐受性。

逆境条件（重金属铜污染）下雀稗叶绿素含量的变化实验：

1. 叶绿素的提取

称取新鲜（或干材料）的洗净擦于的雀稗叶片 0.2g，剪碎后放入25ml容量瓶中，加4.5:4.5:1（丙酮：无水乙醇：水）定容至刻度，然后在低温避光条件下静止提取24h（中间振荡3次）。

2. 测定

以4.5:4.5:1（丙酮：无水乙醇：水）为空白对照采用分光光度计测定，在663nm波长下读取吸光度（OD）值测量叶绿素A，663nm波长下读取吸光度（OD）值测量叶绿素B。

五、计算

利用分光光计测定叶绿素含量的依据是Lambert-Beer定律，即当一束单色光通过溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。其数学表达式为：OD=Kbc

式中：OD为吸光度；K为吸光系数；b为溶液的厚度；c为溶液浓度。

叶绿素a、b的丙酮溶液在可见光范围内的最大吸收峰分别位于663、645nm处。叶绿素a和b在663nm处的吸光系数（当溶液厚度为1cm，叶绿素浓度为g·L-1时的吸光度）分别为82.04和9.27；在645nm处的吸光系数分别为16.75和45.60。

根据Lambert-Beer定律,叶绿素溶液在663nm和645nm处的吸光度（OD₆₆₃和OD ₆₄₅）与溶液中叶绿素a、b和总浓度（a+b）（C_a、C_b 、C_a十b，单位为g·L^-1），的关系可分别用下列方程式表示：

OD₆₆₃=82.04×C_a+9.27×C_b （1）

OD ₆₄₅=16.75×C_a+45.60×C_b （2）

解方程（1）和（2）得：

C_a=12.7×OD ₆₆₃—2.69× OD ₆₄₅ (3)

C_b=22.9× OD ₆₄₅—4.68×OD₆₆₃ (4)

C_a十b＝C_a十C_b(5)

从公式（3）、（4）、( 5）可以看出，只要测得叶绿素溶液在663nm和645nm处的吸光度，就可计算出提取液中的叶绿素a、b浓度和叶绿素总浓度（a+b）。

从图4可以说明：

随着胁迫实验的进行，叶绿素浓度在降低，但是幅度不大，说明雀稗对铜离子有较强的耐受性。当铜离子浓度达到50ug/mL后，随着离子浓度的增加，叶绿素变化幅度不大，说明雀稗对铜离子有较强的耐受性。

Claims

1.一种喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于：该修复方法为在重金属铜污染的土壤中种植雀稗、大叶女贞和马尾松，定期对其中的草本植物进行收割和灰化处理，利用木本植物来增加的物种多样性。

2.根据权利要求1所述的喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于该修复方法具体包括以下步骤：

（1）、对周边森林凋落物动态变化进行调查，选择凋落物量多的季节进行凋落物和土壤种子库的收集；

（2）、用周边森林凋落物和土壤种子库对修复点进行覆盖；

（3）、移栽大叶女贞和马尾松，这两种植物均采用1-2年苗；

栽种：按照2m×2m的种植密度确定种植穴，穴的规格是50cm××50cm×40cm，两种树苗间种；打窝完成后，施少量有机肥，每穴2kg，混均肥料和土壤；每年春季将树苗栽种于穴中；

日常管理：第一个月，每隔十天，浇灌一次水，灌水湿润土层厚度30cm；

后期管理：从第二个月起，每隔二十天，浇灌一次水，直到第三个月结束；

（4）、在每年秋末，直接播种雀稗种子在覆盖了森林凋落物和土壤种子库的土壤上，播种量为30-40克/平方米，播种后根据气候特点，在干旱时采取人工补水，三天一次，持续一个月；待地上部分形成一定生物量时可进行收割，重金属铜随着地上部分的收割被大量除去；其种子自然繁殖生长快速，留茬部分也可以继续生长，不需要每年播种，能有效降低污染土壤铜的含量，从而修复污染；

（5）、利用雀稗是修复铜污染土壤的超富集植物；大叶女贞、马尾松是修复铜污染土壤的耐受性植物，雀稗、大叶女贞、马尾松组合的修复模式可以在短时间内增加样地的物种多样性，达到明显的植被盖度。

3.根据权利要求2所述的喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于：步骤（1）中所述的凋落物和土壤种子库的覆盖厚度为2-4cm。

4.根据权利要求2所述的喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于：步骤（2）中所述的大叶女贞和马尾松的移栽时间为春季。

5.根据权利要求2所述的喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于：步骤（3）中所述的雀稗在秋季开始播种，雀稗地上部分对铜的富集量最大的时候为1317.54mg·kg^-1，平均值达到1058.119 mg·kg^-1，富集系数为1.4-3.2。

6.根据权利要求2所述的喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于：步骤（2）中所述的大叶女贞和马尾松地上部分对铜的富集平均值分别为145.262 mg·kg^-1和312.987 mg·kg^-1。

7.根据权利要求2所述的喀斯特山地矿区土壤重金属铜污染的修复方法，其特征在于：向Cu污染的土壤，添加螯合剂EDDS，添加量的浓度为5mmol·kg^-1。