CN103464454B - 一种利用四季春花卉修复镉、铅和砷多重污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用观赏植物四季春修复镉、铅和砷污染土壤的方法，所述镉、铅和砷污染土壤包括镉、铅和砷重金属中的一或两种以上复合污染土壤，步骤如下：1）选取四季春幼苗，扦插于镉、铅和砷污染土壤中；2）每天浇水保持土壤含水量；3）施入腐熟厩肥、尿素和三元复合肥作为基肥并适时喷洒尿素；4) 四季春成熟后将其从土壤中整体移除，再种植第二茬，重复上述操作，直至土壤中的这些重金属污染物含量达到环境安全水平。本发明的优点是：该方法投资少、工程量小、不会造成二次污染；修复过程不会破坏土壤结构及原有理化性质，恢复并提高其生物多样性；四季春作为一种观赏植物，可起到美化环境的作用，具有良好的环境效益和生态效益。

Description

一种利用四季春花卉修复镉、铅和砷多重污染土壤的方法

技术领域

 本发明涉及重金属污染土壤的环境绿色修复技术，特别是一种利用四季春花卉修复镉、铅和砷多重污染土壤的方法。

背景技术

重金属是环境中危害人类健康的一类重要污染物，参见文献 1 ：周启星，孔繁翔，朱琳. 生态毒理学. 北京：科学出版社, 2004。以往，我们主要关注大气和水体中的重金属污染问题，而对土壤环境中的重金属污染问题重视不够，参见文献2：周启星, 罗义. 污染生态化学. 北京: 科学出版社, 2011。近年来，随着对大气环境、水环境中的重金属污染问题的广泛治理并取得有效成果，解决土壤环境中的重金属污染问题已逐渐被提到议事议程上来，参见文献3：周启星. 污染土壤修复基准与标准进展及我国农业环保问题. 农业环境科学学报, 2010, 29(1): 1-8。

目前，大多数有关土壤重金属污染的治理与修复主要是针对农业土壤而言的。因为，大家知道，农业土壤主要是用来生产粮食和蔬菜的。然而，事实上，近年来，随着我国城市土壤重金属污染问题的日益突出，更为严重的是，在城市道路和一些公共场所，如公园或花园、广场，由于土壤的重金属污染日益严重，引起更加广泛人群的暴露，特别是对小孩和孕妇，已经导致了日益严重的危害和健康问题，参见文献4：Nicholson F A, Smith S R, Alloway B J, Carlton-Smith C, Chambers B.J. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales. Science of The Total Environment, 2003, 311(1-3): 205-219；文献5：Wei B, Yang L. A review of heavy metal contaminations in urban soils, urban road dusts and agricultural soils from China. Microchemical Journal, 2010, 94(2): 99-107。例如，铅、镉和砷等重金属元素，是对人体健康构成威胁的重要污染物。在城市地区，土壤铅的污染和危害，主要表现为儿童对土壤铅的摄入以及由此导致的智力低下；土壤镉和砷的摄入，则导致肺癌和皮肤癌的诱发以及其它一些疾病的出现。因此，城市地区重金属污染土壤的修复与治理亟待解决，参见文献6：Smith S R. A critical review of the bioavailability and impacts of heavy metals in municipal solid waste composts compared to sewage sludge. Environment International, 2009, 35(1): 142-156。

资料显示，虽然目前可用于重金属污染土壤修复与治理的技术很多，如一些基于机械物理和化学原理的物理和化学修复技术，常见的有客土法、隔离法、固化法、化学固定法、化学淋洗法以及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，参见文献7：周启星, 宋玉芳. 污染土壤修复原理与方法. 北京: 科学出版社，2004。为了解决这个问题，针对城市土壤污染的特点和原位修复的要求，我们采用植物修复的方法，以花卉植物为研究对象，来探讨其去除污染土壤中重金属污染物的有效性以及达到净化城市土壤的可行性。

观赏植物是人类植物利用历史悠久的“里程牌”，包含40万以上的栽培品种，种质资源极其丰富，观赏植物在重金属污染土壤修复实践上具有以下优点：1）观赏植物种质资源丰富，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）观赏植物一般不会进入食物链，可以减少对人体甚至整个生态安全的威胁； 4）很多观赏植物都有一定的经济价值，修复后植物材料可以作为原材料，以提高修复产出，降低修复成本；5）人类在长期的农业生产活动中，积累了丰富的观赏植物栽培管理经验，使得观赏植物的修复实践有了充分的农业技术保障，参见文献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,从观赏植物中筛选重金属超积累植物并用于修复实践是完全可行的。

近年来，我们从花卉植物筛选得到了若干单一重金属的超积累植物，而同时对两种重金属具有超积累效果的双重功能的超积累植物还十分缺乏。特别是，对于三重重金属超积累植物的发现，至今仍然尚属空白。

四季春（Ligustrum malongense B. S. Sun）属于木犀科花卉植物，具有较好的观赏价值。我们首次发现，四季春是一种高效修复重金属污染的植物，对土壤中的一定浓度的重金属污染物具有较强的忍耐、吸收和积累能力。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种利用四季春花卉修复镉、铅和砷多重污染土壤的方法，该方法可修复镉、铅或砷单一污染土壤，或镉-铅、镉-砷、铅-砷或镉-铅-砷复合污染土壤，是目前发现的唯一可以同时修复镉、铅和砷三种重金属多重污染土壤的方法。

本发明的技术方案：

一种利用观赏植物四季春修复镉、铅和砷污染土壤的方法，所述镉、铅和砷污染土壤包括镉、铅和砷重金属中的一或两种以上复合污染土壤，步骤如下

1）选取四季春幼苗，扦插于镉、铅和砷污染土壤中，扦插前将盆土浇透水使其保持湿润，扦插时间选在傍晚，对于上述重金属轻度污染的土壤，也可采用直接播种四季春种子的方法进行；

2）四季春播种或幼苗生长管理要每天浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-70%，使其保持在其生物量生长最大、污染物吸收与积累效率最高为最佳状态；

3）土壤基肥是每亩施入2000kg的腐熟厩肥和8-10 kg的尿素和三元复合肥，在四季春生长的旺盛期，每亩喷施10 kg的尿素和三元复合肥，尿素与三元复合肥的重量比为3:1，通过施用肥料可增加其生物量；

4) 当四季春成熟后将其从土壤中整体移除，再种植第二茬四季春，重复上述操作，直至土壤中的这些重金属污染物含量达到环境安全水平，为了缩短修复时间四季春可在开花期进行收获，收获的四季春可以作为观赏花卉商品进行出售，在对生物量的处理的同时也获得经济效益。

在镉、铅和单一或复合污染土壤中种植四季春，重金属污染物通过四季春的吸收和积累作用和在其根系分泌物的共同作用下，促进四季春对土壤中这些重金属污染物的吸收和积累，因此通过种植四季春可清除土壤中这些重金属污染物，最使土壤中的这些重金属污染物含量达到环境安全水平。

本发明的优点是：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；而且作为一种绿色修复技术，所收获植株不需要另外进行集中处理，不会造成二次污染，同时修复进程不仅不会破坏土壤结构及原有理化性质，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等问题，恢复并提高其生物多样性；四季春作为一种观赏植物，在修复重金属污染环境的同时，可以起到美化环境的作用，具有良好的环境效益和生态效益。

具体实施方式

实施例：

四季春对Cd、Pb和As双重和三重复合污染土壤的修复试验

实验方法如下：

供试土壤采自黑龙江省海伦农业生态实验站未被污染地块，采样深度为0-20cm，土壤类型为黑土。采集的土壤挑去石砾和植物残体后经自然风干，过4mm筛备用。

资料显示，我国城市土壤重金属污染问题，尤以Cd、Pb、Cu、Zn和As等元素的问题最大；加上Cd、Pb和As等元素的毒性很强，所以选择Cd、Pb和As作为本研究的供试污染物。根据我国目前现行的土壤环境质量标准（GB15618-1995）和城市污染土壤现状，分别设置双重土壤污染试验浓度和三重土壤污染试验浓度，见表1。

表1 土壤污染暴露方式与浓度设计

将过4mm筛的风干土壤，按照表1组合方式与浓度设计，分别与固态Pb(NO₃)₂、CdCl₂·2.5H₂O和Na₂HAsO₄·7H₂O分析纯试剂充分混匀，装入塑料盆（￠=20cm，H=15cm）中，平衡一个月后待用，并设对照处理CK（不加Pb土壤）。同时，进行花卉的育苗，具体方法为：将花卉种子置于预装沙土的育苗盒中，沙：土体积比为1：3，待幼苗长出5-6片叶子后移栽到上述处理土中。

选择生长一致的幼苗分别移栽入CK和不同重金属处理的盆中。每盆各栽5棵苗，重复3次。根据盆中土壤缺水情况，不定期浇水且水中不能检出上述重金属，使土壤含水量经常保持在田间持水量的60-70%。待花卉植物成熟后，收获植株。将收获的植物样分成根、茎、叶和花四部分，用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，于105℃下杀青30min，然后在70℃下烘至恒重，用电子分析天平称出每种植物各部分的干重，称重后的植物样品粉碎备用。

准确称取1.00g过筛的风干样品于100mL烧杯中，缓慢加入10mL浓HNO₃(GR)和3mL浓HClO₄(GR)，加盖放置过夜，同时做试剂空白。8-10小时后，将样品置于电热板上缓慢加热分解，最后温度保持在180-200℃，加热至样品变为灰白色，内容物近干。取下冷却，用5wt%的稀HNO₃定容到25mL的比色管中，摇匀并放置过夜，用原子吸收分光光度计（AAS, Hitachi 180-80）测定植物样品中的重金属Cd和Pb含量。

As的测定方法为：用5wt%的稀HCl调节pH为5-6，在酸性条件下，加入体积比为1:5的硫脲，将待测液中的As⁵⁺还原成As³⁺，然后以硼氢化钾作为还原剂，1wt% HCl作为载液，采用氢化物发生器（WHG-103A，北京瀚时）-原子吸收光谱法测定样品中的As含量。

所得数据采用Excel XP、SPSS 13.0和DPS在计算机上进行处理，所列数据均为平均值。

实验结果如下：

1）对土壤Cd-Pb双重复合污染物的吸收与去除效果

当土壤Pb暴露浓度处于1000mg/kg不变时，在土壤Cd-Pb双重复合污染条件下，花卉植物四季春对Cd的吸收，无论地上部还是根部，比起土壤没有外来Pb污染的情况，均略有下降，见表2。

表2 双重复合污染条件下四季春对Cd和Pb的吸收

从表2可见，土壤Pb外来污染对四季春吸收Cd的能力在总体上受到抑制。同样，土壤Cd污染对四季春根部吸收Pb的能力也有所抑制，并且随着土壤Cd外来污染浓度的增加，这种抑制作用越强烈；相反，土壤Cd污染对四季春地上部吸收Pb的能力却有所促进，并且随着土壤Cd污染浓度的增加而增强。

当土壤Cd暴露浓度处于10mg/kg不变时，在土壤Cd-Pb双重复合污染条件下，花卉植物四季春对土壤Pb的吸收能力，无论地上部还是根部，比起土壤没有外来Cd污染的情况，均有所增强，而且随着土壤Pb暴露浓度的上升而增加（表2）。这就是说，土壤Cd外来污染对四季春吸收Pb的能力在总体上有促进作用。同样，土壤Pb污染对四季春吸收Cd的能力也有所促进，不过，这种促进作用只是当土壤Pb污染处于较低浓度时；当土壤Pb污染浓度上升到1000mg/kg，其对四季春吸收Cd的能力，无论是其根部，还是地上部，反而均有所抑制。

综上所述，在土壤Cd-Pb双重复合污染条件下，花卉植物四季春对土壤Cd和Pb的去除效果都是显著的，而且因土壤外来Cd和Pb污染暴露浓度组合的改变而变化。

2）对土壤Cd-Pb-As三重复合污染物的吸收与去除效果

在土壤Cd-Pb-As三重复合污染条件下，当土壤Cd和Pb各自处于10和1000mg/kg较高浓度不变时，花卉植物四季春对土壤As的吸收，无论是其根部还是地上部，均有所促进，并且随着土壤As暴露浓度的上升而增加，见表3。

表3 三重复合污染条件下四季春对重金属的吸收

从表3可见：

1）由于土壤外来Cd和Pb的促进作用，四季春对土壤As的去除效果有所增强。

2）由于土壤外来Cd和As的促进作用，四季春对土壤Pb的吸收能力也有所提高，并随着土壤As暴露浓度的增加而增加，反映了四季春对土壤Pb的去除效果由于Cd、As和Pb的交互作用而得到一定程度的促进。

3）但对土壤Cd的吸收而言，四季春对As、Pb和Cd的交互作用反应则更为复杂：当土壤As污染处于较低浓度时，由于As、Pb和Cd的交互作用，四季春对土壤Cd的吸收与积累能力随着土壤As暴露浓度的增加而增加；但当土壤As污染浓度上升到120mg/kg，四季春对土壤Cd的吸收反而受到土壤As污染一定程度的抑制。

Claims (1)

1.一种利用观赏植物四季春修复镉、铅和砷污染土壤的方法，其特征在于：所述镉、铅和砷污染土壤包括镉、铅和砷重金属中的一或两种以上复合污染土壤，步骤如下

1）选取四季春幼苗，扦插于镉、铅和砷污染土壤中，扦插前将盆土浇透水使其保持湿润，扦插时间选在傍晚；

2）四季春播种或幼苗生长管理要每天浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-70%，使其保持在其生物量生长最大、污染物吸收与积累效率最高为最佳状态；

3）土壤基肥是每亩施入2000kg的腐熟厩肥和8-10 kg的尿素和三元复合肥，在四季春生长的旺盛期，每亩喷施10 kg的尿素和三元复合肥，尿素与三元复合肥的重量比为3:1，通过施用肥料可增加其生物量；

4) 当四季春成熟后将其从土壤中整体移除，再种植第二茬四季春，重复上述操作，直至土壤中的这些重金属污染物含量达到环境安全水平，为了缩短修复时间四季春在开花期进行收获，收获的四季春可以作为观赏花卉商品进行出售，在对生物量的处理的同时也获得经济效益。