CN103785679B - 一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于重金属污染土壤的植物修复领域，结合现有的重金属污染土壤的植物修复方法，公开了一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法。该方法是在被铜污染的土壤中施加含硫粉、乙二胺二琥珀酸的化学强化剂，种植海州香薷后，定期喷洒含外源植物激素玉米素Z的营养液，生长季结束后，收割海州香薷地上部分从而达到修复重金属铜污染土壤的目的。该方法促进了海州香薷的生长，解决了以铜矿区土壤为代表的高铜含量土壤抑制海州香薷生长而引起的植株矮小、生物量小、生长缓慢等问题，具有吸收效率高、富集程度高、修复效果明显的优点。

Description

一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法

技术领域

本发明属于重金属污染土壤的植物修复领域，特别涉及一种在被重金属铜污染的土壤中种植海州香薷，并施加化学强化剂和含有外源植物激素的营养液来提高植物修复效率的方法。

背景技术

改革开放以来，随着城市化和工业化进程的加剧，土壤重金属污染已成为人们高度关注的环境问题之一。有调查表明，从2005年至今，重金属污染事件在我国频繁发生。在过去50年中，全球排放到环境中的重金属铜约9.39×10⁵吨。目前，全世界平均每年排放340万吨铜，其主要来源于各种工业（采矿、冶炼、金属加工、机械制造、钢铁等）以及煤燃烧过程排放的含铜“三废”（废水、废气、废渣）。因此，铜成为了一种主要的土壤重金属污染物。

传统的重金属污染土壤的修复技术包括客土法、化学稳定化/固化、电动修复、土壤淋洗等，这些技术不仅处理难彻底，成本高，而且会导致土壤结构破坏、土壤生物活性降低和土壤肥力退化等诸多缺点。

植物修复是新近发展起来的一种针对土壤重金属污染，且被业内人士称为“绿色修复”的土壤修复技术。植物修复的基本原理是利用植物（特别是超积累植物）吸收土壤中的重金属污染物，并将其输送转移到植物的地上部分，通过收割植物地上部分达到去除重金属污染物的目的。植物修复属于原位修复技术，不仅成本低廉，操作简便，而且可以保持水土，改善生态环境，是一种修复彻底，不存在安全隐患的修复技术。

因海州香薷能在土壤瘠薄，岩石裸露的生境及铜矿区茂盛生长，其生物量可达9t/hm²，并且其植株体内铜含量较高，从而为铜矿区生态重建与铜污染土壤修复提供了物种资源。

海州香薷是一种典型的铜超积累植物，在含铜较高的土壤中有较广分布，而在其他含铜低的土壤中几乎不易存活。但是，和其他植物一样，过高的含铜量也会抑制海州香薷的生长。田科生等人通过实验研究发现，低浓度铜处理（<50μmol/L）对海州香薷的生长有一定的促进作用，植株生物量、总根长、根表面积、根体积和根尖数均略有升高；但随着铜浓度（100-500μmol/L）增加，植株生物量、总根长、根表面积、根体积和根尖数明显减少，受到抑制[文献1：田生科，李廷轩，彭红云，杨肖娥，李廷强，Ejaz.铜胁迫对海州香薷和紫花香薷根系形态及铜富集的影响[J].水土保持学报，2005，19(3):97-100]。

大量研究也发现，虽然海州香薷地上部分铜含量较高，叶片中的铜含量约200μg/g，高于其他植物，但其浓度远不及地下部，生长在铜矿区的海州香薷其根部的铜积累量达到了700～800μg/g。所以，海州香薷根部吸收的铜难以向地上部迁移，其修复铜的效率有待提高。

土壤重金属污染土壤植物修复的效果通常以单位面积单位时间内植物所萃取的重金属总量来表征，即：

重金属修复效果==重金属含量*植物平均生物量

根据公式，有两条途径可提高植物修复效果，一是设法提高植物体内重金属的蓄积量(浓度)而不使植物中毒死亡；二是设法增加植物的生物量，尤其是地上部分的生物量[文献2：陈玉成.表面活性剂对植物吸收土壤重金属的影响:[D].武汉：武汉大学，2005]。因此，化学强化植物修复重金属污染土壤的原理涉及土壤和植物两个方面。从土壤入手，通过向土壤施用化学物质，改变土壤中目标重金属的赋存形态，使其从土壤结合态向水溶态、交换态转换，从而提高重金属的生物有效性[文献3：EmstWHO.Bioavailabilityofheavymetalsanddecontaminationofsoilbyplants.AppliedGeochemistry,1996,11:163-167]。从植物入手，在保证植物不出现毒害的前提下，一方面根据植物吸收、转运重金属的机制，提高植物地上部分对目标重金属的牵引力，促使土壤重金属顺利完成从土壤→植物根际→植物根系→植物茎叶的传输过程；另一方面通过化学手段调控植物的生长发育，除了可以获得较高生物产量外，还可直接促进土壤重金属活性的提高[文献4：ZhuD，SchwabAP，BanksMk.Heavymetalleachingfromminetailingsasaffectedbyplants.Environ.Qual.,1999,28:1727-1732]。

向土壤中施加化学强化剂的目的是提高铜的水溶性和迁移性，向植物施加营养液的目的是提高植物的生物量及其对铜的吸收。利用乙二胺四乙酸(EDTA)作化学强化剂来强化重金属污染土壤植物修复的方法已获专利授权（200510032683.X）。虽然用EDTA可以提高海州香薷对铜污染土壤的修复效果，但同时EDTA也使植物萎蔫，生物量减少[文献5：李锋民,熊治廷,胡洪营.海州香薷对铜的蓄积及铜的毒性效应[J].环境科学,2003,24(3):30-34]。与EDTA相比，乙二胺二琥珀酸（乙二胺二琥珀酸）不仅更有利于土壤中铜、Zn的溶解，而且还可以增加植物地上部分铜、Zn的累积量[文献6：钱猛,沈振国,魏岚.螯合剂乙二胺二琥珀酸和EDTA诱导海州香薷积累土壤重金属的比较研究[J].农业环境科学学报,2006,25(1):113-118]。田间盆栽试验表明，乙二胺二琥珀酸在显著提高可浸提态重金属浓度的同时，并未对地下水造成污染，水质符合地下饮用水质标准[文献7：裘希雅，孙小峰，何旭华，蒋玉根，吴龙华，胡宁静，骆永明，戴学龙.施用乙二胺二琥珀酸对海州香薷铜锌吸收的强化作用及淋溶风险[J].浙江农业学报，2006，18(2):86-89]。玉米素（Zeatin，Z）是一种典型的细胞分裂素，可以高效促进植物生长。玉米素主要是增强植物的光合作用，加快植物细胞分裂，促进植物生长发育，延缓植物叶片衰老，并减少植物落花、落果，是一种最为有效的促生长、抗病害的植物调节剂，能明显提高作物的生物量[文献8：潘瑞炽.植物生长调节剂:原理与应用[M].广东高等教育出版社,2007]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法，解决了以铜矿区土壤为代表的高铜含量土壤抑制海州香薷生长而引起的植株矮小、生物量小、生长缓慢等问题。该方法具有吸附效率高、富集程度高、修复效果明显的优点。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实施。

一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法，包括以下步骤：首先在被铜污染土壤中施加含硫粉、乙二胺二琥珀酸的化学强化剂，再种植海州香薷，同时结合相应的农艺措施、对海州香薷进行管理，种植后定期对海州香薷叶片喷洒含外源植物激素玉米素Z的营养液，海州香薷成熟后进行收割，收割后的海州香薷转移到其他地方进行集中处理或进行资源化加工处理；

所述农艺措施具体指松土、浇水和光照。

作为一种优选方案，所述的含硫粉、乙二胺二琥珀酸的化学强化剂是硫粉、乙二胺二琥珀酸的混合物。

硫粉的用量是60～120mmol·kg^-1，乙二胺二琥珀酸的用量是2～5mmol·kg^-1。

优选地，所述硫粉的用量优选80mmol·kg^-1，乙二胺二琥珀酸的用量优选3mmol·kg^-1。

作为一种优选方案，本发明种植后喷洒的营养液包括植物生长所需的大量元素微量元素、外源植物激素和水，其中大量元素为N、H、O、S、P、Ca、Mg、K，微量元素为Fe，外源植物激素为玉米素Z；

进一步的，作为一种优选方案，本发明使用的营养液配比是：每1000ml上述营养液中含有56mg的NH₄NO₃、260mg的MgSO₄·7H₂O、410mg的Ca(NO₃)₂·4H₂O、68mg的KH₂PO4、10mg的FeSO₄·7H₂O、40～60mg的Z；

进一步的，作为一种优选方案，本发明使用的营养液用量是：每3～5天定期喷洒植物叶面一次，营养液用量是20ml/株。

作为一种优选方案，本发明收割后的收割后的海州香薷地上部分集中转移到其他地方进行焚烧，然后回收重金属铜，或进行堆肥处理，制作含铜化肥。

与已有技术相比，本发明的优点如下：

（1）种植前所施用的化学强化剂能显著增加土壤溶液中铜的浓度，提高铜的生物有效性，从而提高了植物对铜吸收的可能性；

（2）种植后所喷洒的含有外源植物激素玉米素的营养液吸收快、无污染，能显著增大植物生物量、缩短植物生长时间，提高植物对铜的吸收效率，尤其是植物的地上部分，因此具有很好的应用价值；

（3）定期喷洒营养液，能缓解植物毒性，提高植物修复效率，恢复土壤肥力和自然的生物群，降低对土壤、地下水的风险。

（4）本发明所涉及原料不仅成本低，效果好，而且均为环境友好型，无二次污染；

（5）本发明中，硫粉的主要作用是降低土壤pH及土壤溶液pH，活化铜，提高了土壤溶液中铜的浓度，也为植物生长提供必需的硫元素，促进植物的生长，缓解高浓度铜带来的生物毒性。

本发明中，乙二胺二琥珀酸的主要作用是促进土壤铜进入土壤溶液，增加土壤溶液铜浓度，同时促进铜向海州香薷地上部分运输，提高海州香薷地上部分含铜浓度；

NH₄NO₃的主要作用是为植物生长提供所需的N元素，并促进植物根系对铜的吸收；

MgSO₄·7H₂O的主要作用是为植物生长提供所需的Mg元素和S元素；

Ca(NO₃)₂·4H₂O的主要作用是为植物生长提供所需的Ca元素；

KH₂PO₄的主要作用是为植物生长提供所需的K元素和P元素，并调节植物根系对水中氧气的吸收速率；

FeSO₄·7H₂O的主要作用是为植物生长提供所需的Fe元素；

外源植物激素Z的主要作用是为植物生长提供所需的外源激素，并刺激植物细胞分裂、提高植物叶片气孔开放、扩展植物叶片；

具体实施方式

以下结合具体实例来对本发明作进一步的说明。

实施例1

选用的海州香薷品种是已有3000多年历史的湖北大冶古铜矿遗址的海州香薷，供试土壤为湖北某矿区土壤，土壤pH为5.4，铜总量为600mg/kg，每盆土重1.5kg，按下列方案在土壤中施加化学药剂。

化学强化剂：

①空白对照（control）；

②硫粉：在土壤中加入3.87g（80mmol/kg）的工业硫粉，并搅拌均匀作为供试土壤；

③乙二胺二琥珀酸：在土壤中加入1.34g（3mmol/kg）的工业乙二胺二琥珀酸，并搅拌均匀作为供试土壤；

④硫粉+乙二胺二琥珀酸：在土壤中加入3.87g（80mmol/kg）的工业硫粉和1.34g（3mmol/kg）的工业乙二胺二琥珀酸，并搅拌均匀作为供试土壤。

海州香薷种子育苗后选取长势一致的幼苗移栽到供试土壤中，每盆一株。将盆栽植物移至温室，自然光照射，定期对植物幼苗浇水，防止幼苗干枯。30天后收获，测定植株地下部分、地上部分的生物量及其铜含量。

每个实验重复3次，求平均值，其结果如表1所示。

表1种植前施加的化学药剂对海州香薷的影响

本实施例表明，硫粉、乙二胺二琥珀酸虽然不能增加高含量铜矿地区海州香薷的生物量，但是可以显著增加海州香薷的铜含量。硫粉、乙二胺二琥珀酸促进了根部对铜的吸收，并促进了根部铜向地上部分的迁移，使植物修复效率大大增强。

实施例2

选用的海州香薷品种是已有3000多年历史的湖北大冶古铜矿遗址的海州香薷，供试土壤为湖北某矿区土壤，土壤pH为5.4，铜总量为600mg/kg，每盆土重1.5kg。

海州香薷种子育苗后选取长势一致的幼苗移栽到供试土壤中，每盆一株。将盆栽植物移至温室，自然光照射，定期对植物幼苗洒水，防止幼苗干枯。按下列方案，种植后每3天向海州香薷叶片施加20ml营养液，30天后收获，测定植株地下部分和地上部分的生物量及铜含量。

营养液：

②空白对照（control）：蒸馏水；

②营养液1：1000ml营养液中含有56mg的NH₄NO₃、260mg的MgSO₄·7H₂O、410mg的Ca(NO₃)₂·4H₂O、68mg的KH₂PO₄、10mg的FeSO₄·7H₂O；

③营养液2：1000ml营养液中含有56mg的NH₄NO₃、260mg的MgSO₄·7H₂O、410mg的Ca(NO₃)₂·4H₂O、68mg的KH₂PO₄、10mg的FeSO₄·7H₂O、60mg的Z。

每个实验重复3次，求平均值，其结果如表2所示。

表2种植后施加的化学药剂对海州香薷的影响

本实施例表明，含有植物生长必需的大量元素和微量元素的营养液促进了海州香薷的生长，显著增加了海州香薷的生物量，但对海州香薷铜吸收的促进作用并不明显；外源植物激素Z促进了海州香薷的生长，对海州香薷叶片和茎的作用尤为明显，同时，Z也促进了海州香薷根系对土壤铜的吸收，提高了海州香薷铜修复效率。

实施例3

选用的海州香薷品种是已有3000多年历史的湖北大冶古铜矿遗址的海州香薷，供试土壤为湖北某矿区土壤，土壤pH为5.4，铜总量为600mg/kg，每盆土重1.5kg，按下列方案在土壤中施加化学药剂。

化学强化剂：

①空白对照（control）；

②硫粉：在土壤中加入3.87g（80mmol/kg）的工业硫粉，并搅拌均匀作为供试土壤；

③乙二胺二琥珀酸：在土壤中加入1.34g（3mmol/kg）的工业乙二胺二琥珀酸，并搅拌均匀作为供试土壤；

④硫粉+乙二胺二琥珀酸：在土壤中加入3.87g（80mmol/kg）的工业硫粉和1.34g（3mmol/kg）的工业乙二胺二琥珀酸，并搅拌均匀作为供试土壤。

海州香薷种子育苗后选取长势一致的幼苗移栽到供试土壤中，每盆一株。将盆栽植物移至温室，自然光照射，定期对植物幼苗浇水，防止幼苗干枯。按下列方案种植后每3天向海州香薷叶片施加20ml营养液，30天后收获，测定植株地下部分、地上部分的生物量及其铜含量。

营养液：

①空白对照（control）：每三天向海州香薷叶片喷洒20ml蒸馏水；

②营养液2：在施加有化学强化剂的盆栽中，每三天向海州香薷叶片喷洒20ml营养液2（1000ml营养液中含有56mg的NH₄NO₃、260mg的MgSO₄·7H₂O、410mg的Ca(NO₃)₂·4H₂O、68mg的KH₂PO4、10mg的FeSO₄·7H₂O、60mg的Z）。

每个实验重复3次，求平均值，其结果如表3所示。

表3施加的化学药剂对海州香薷的影响

施加化学强化剂和含外源植物激素的营养液后，海州香薷生物量明显增大，地上部分尤为显著，生物量增加1倍；不仅如此，海州香薷蓄积的铜含量也明显增多，地上部分铜蓄积含量虽仍然小于地下部分，但其增大倍数要高于地下部分。本实施例表明，施加化学强化剂和含外源植物激素的营养液不仅显著促进了海州香薷的生长，增加海州香薷的生物量，也促进了海州香薷对土壤铜的吸收，提高了海州香薷对铜的修复效率。

尽管结合以上优选实施例对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多简单变化，这些均属于本发明保护之列。

Claims (1)

1.一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法，其特征在于包括以下步骤：首先在被铜污染的土壤中施加含硫粉、乙二胺二琥珀酸的化学强化剂，再种植海州香薷，同时结合相应的农艺措施对海州香薷进行管理，种植后定期对海州香薷叶片喷洒含外源植物激素玉米素Z的营养液，海州香薷成熟后进行收割，收割后的海州香薷转移到其他地方进行集中处理或进行资源化加工处理；所述农艺措施具体指松土、浇水和光照；

所述含硫粉、乙二胺二琥珀酸的化学强化剂为硫粉、乙二胺二琥珀酸的混合物，其中硫粉的用量为80mmol·kg^-1，乙二胺二琥珀酸的用量为3mmol·kg^-1；

所述海州香薷叶片喷洒含外源植物激素玉米素Z的营养液是包括植物生长所需的大量元素、微量元素、外源植物激素和水，其中大量元素为N、H、O、S、P、Ca、Mg和K，微量元素为Fe，外源植物激素为玉米素Z；

所述海州香薷叶片喷洒含外源植物激素玉米素Z的营养液每1000ml中含有56mg的NH₄NO₃、260mg的MgSO₄·7H₂O、410mg的Ca(NO₃)₂·4H₂O、68mg的KH₂PO₄、10mg的FeSO₄·7H₂O、40～60mg的玉米素Z；

所述海州香薷叶片喷洒含外源植物激素玉米素Z的营养液在海州香薷种植后，每3～5天对植物叶面定期喷洒一次，每次喷洒20ml/株；

所述的收割后的海州香薷地上部分集中转移到其他地方进行焚烧，然后回收重金属铜，或进行堆肥处理，制作含铜化肥。