CN103962369B

CN103962369B - 一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法

Info

Publication number: CN103962369B
Application number: CN201410179813.1A
Authority: CN
Inventors: 蒋丽娟; 易心钰; 吴晓芙; 刘强; 李昌珠; 陈韵竹; 李培旺
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103962369A

Abstract

一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，选择对重金属有耐受性的能源植物，在重金属污染土壤上构建植物群落。本发明能源植物在铅锌污染土壤中，能通过根部的阻留作用将重金属固定在根部，一方面保护自身免受或减轻重金属伤害且正常生长，另一方面防止重金属向周边非矿区土壤、农田、水体扩散。所述油料植物果实成熟后，可通过榨取、物理修饰、化学加工生产制取生物柴油，油中的重金属可通过加氢处理脱金属后作为工业用油，饼粕则可作成型燃料，推进新能源的发展。

Description

一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种修复重金属污染土壤的方法，尤其是涉及一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

随着经济全球化的迅速发展，能源短缺和环境污染问题日益严峻，严重影响并威胁人类的健康和生存，其中，重金属污染问题尤为突出，铅（Pb）、锌（Zn）、锰（Mn)、铜（Cu）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、砷（As）、镍（Ni）等是较常见的重金属污染元素。据估计，我国重金属污染物的排放总量大约为0.09万吨，每年被重金属污染的粮食多达1200万吨，造成的直接经济损失超过100亿元。由于重金属进入土壤后具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，导致土壤破坏严重，生态系统的正常功能发生异常，因此，污染土壤的修复问题已成为环境科学研究的活跃领域，同时也是世界性难题。

目前，重金属污染土壤的修复主要采用工程、物理化学和生物修复。然而，工程及物理化学修复技术存在一定的局限性，如成本高，难以管理，易造成二次污染，对环境的扰动大等，而生物修复中的植物修复以其低成本、来源广、不破坏生态环境等优势被称为真正的“绿色修复技术”，已成为治理环境污染的主力军和关注的焦点。

当前植物修复技术主要围绕超富集植物对重金属的提取作用展开，但存在以下问题：（1）超富集植物品种资源不足，筛选培育周期长，短时期内难以获得可规模化利用的、适应性强的植物品种；（2）单一性，超富集植物对重金属具有一定的选择性，即一般只对一种或二种重金属具有超富集能力，而实际情况是，被污染土壤大多是几种重金属复合污染，因此单一种植物难以全面净化土壤中的多种污染物；（3）现采用的超富集植物的生物量普遍较小，重金属总体去除率仍旧很低；（4）现有超富集植物资源化利用程度低，修复植物后续处理方法通常是以植物整株移走或焚烧为主，植物修复材料不具备利用价值，且该种方法并没有将重金属离子从环境中根本性去除，植物中富集的重金属离子又会回到环境或土壤中或是将污染转运到其他区域，产生二次污染；（5）从应用角度看，超富集植物的利用大都仍处于实验室和中试阶段，还不能大面积栽培推广应用。

目前，已报道的应用能源植物修复重金属污染土壤存在植物种类少、多样性不足，重视单一植物的功能、忽略植物群落的复合作用，强调短期修复效果，极少考虑群落的稳定性、修复的可持续性等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其萃取固化作用对重金属污染土壤修复能力较强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，选择对重金属有耐受性的能源植物，在重金属污染土壤上构建植物群落。

进一步，所述能源植物为选择自光皮树、乌桕、鹅掌楸、杉木、榉木、白檀、蓖麻中的至少一种。

进一步，选用不同种类的能源植物混种模式构建植物群落。

进一步，油料植物的混种模式为光皮树、乌桕、白檀和蓖麻混种。

进一步，能源用材林混种模式为光皮树、鹅掌楸、杉木和榉木混植。

进一步，选用不同品种的蓖麻混种模式。

进一步，所述能源植物的种植方式为株间混交。

进一步，萃取和固化土壤中的铅和锌，选用光皮树、乌桕、白檀和蓖麻混种模式。

进一步，萃取和固化土壤中的铅和锌，选用光皮树、乌桕、白檀、蓖麻株间混种。

进一步，萃取和固化土壤中的Cd，选用单一种植蓖麻的模式。

本发明之利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，选择对重金属耐受性较强的能源植物，采用随机区组设计，在重金属污染土壤上构建不同配置模式的植物群落,配置组合后的植物能与污染区本底植物及其土壤环境有机衔接。

本发明选择具有能源、经济、景观及生态价值的油料植物和用材树种，采用科学合理的、近自然配置规则，构成本发明技术的总体思路。植物成熟后，随机取样，全株收割，并同时测定修复前后的根际土壤及植株地上、地下部分的重金属含量，计算重金属去除率（萃取率）；同时观测群落构建前后，水土流失量，计算群落对重金属的固化率。

所述能源植物和用材树种主要来自山茱萸科（Cornaceae）、山矾科（Symplocaceae）、大戟科（Euphorbiaceae）、木兰科（Magnoliaceae）、杉科（Taxodiaceae）、榆科（Ulmacaea），包括：

乔木类能源/用材植物：如光皮树（Swidawilsoniana）、乌桕（Sapiumsebiferum）、鹅掌楸（Liriodendronchinensis）、杉木（Cunninghamialanceolata）、榉木（Fagussylvatica）；灌木类植物：白檀（Symplocospaniculata）；草本类植物：蓖麻（RicinuscommunisL.）。

本发明植物群落的主要配置方式包括：1）油料植物乔灌草混种模式：乔木（如光皮树、乌桕）—灌木（如白檀）—草本（如蓖麻）不同间种模式；2）能源用材林混种模式，如光皮树—鹅掌楸—杉木—榉木不同混植模式；3）单一种模式（如蓖麻)，不同品种间种模式。

所述污染土壤为重金属铅锌的污染土壤，主要是指生物毒性显著的金属元素镉（Cd）、铅（Pb）和毒性较强的锌（Zn）、铜（Cu）等。

所述的乔、灌木种植方法可为扦插。

草本植物种植方法一般为直接播种，株距一般为0.5m，在试验期间采用常规的田间管理。

研究表明，所述植物对重金属元素具有较强的抗逆性和广泛的生态适应能力，尤其是油料植物光皮树、白檀和蓖麻，更是净化重金属污染的潜力植物。本发明充分利用上述植物抗逆性较强、易于成活、根系发达、生物量大及对重金属的吸收、富集力强等特性，以达到阻拦重金属向其周边非污染区域扩散的目的；并且上述植物生命力旺盛，整个生长过程不需要进行特殊管理；同时，所选植物自我更新（种子萌发力、根蘖繁殖力）力强，维持群落结构稳定，防止生物入侵。

本发明利用能源植物修复矿区重金属污染土壤，可以在治理土壤污染的同时，获得能源效益，同时缓解能源与环境问题。能源植物是指具有合成较高还原性烃能力的、可产生类似石油成分、可替代石油使用或作为石油补充产品的植物。研究发现，许多能源植物可以在重金属污染土壤中生长，具有一定的富集、耐受重金属能力，可修复土壤的深层区，同时重金属可提高部分能源植物的生物质或能源物质（淀粉类、烃类、脂类）产量。这些物质是重要的化石能源替代物或工业原材料，可将其应用于工业、能源领域。另外，相较于超富集植物提取修复作用，能源植物主要通过其发达根系的吸附、固定和根际固化作用，将重金属固定在植物根部，防止污染元素向其他区域扩散，建立生态屏障。

本发明能源植物在铅锌污染土壤中，能通过根部的阻留作用将重金属固定在根部，一方面保护自身免受或减轻重金属伤害且正常生长，另一方面防止重金属向周边非矿区土壤、农田、水体扩散。所述油料植物果实成熟后，可通过榨取、物理修饰、化学加工生产制取生物柴油，油中的重金属可通过加氢处理脱金属后作为工业用油，饼粕则可作成型燃料，推进新能源的发展。

本发明的有益效果：1）植物配置方法近自然、科学合理，提高了污染区的植物多样性，不存在生物入侵风险；2）本发明用于矿区或重金属污染区修复的能源植物均具有耐性强，生物量较大，根系发达，入土深等特点，对矿区环境治理及防止重金属扩散有较好的效果，可以在废弃矿区或重金属污染区推广应用；3）植物来源方便，繁殖管理容易，可规模化应用推广；4）利用污染土地资源构建具有能源、环境价值的植物生态系统，在修复污染环境的同时带来能源、生态、经济和社会效益，是多功能重金属污染土壤植物修复方法，有利于在重金属污染区的应用推广。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本试验地点设在湖南省资兴市东江湖区清江县铅锌尾矿区，地理位置为北纬25°34'～26°18'东经113°08'～113°44'，主要土地利用类型为农田，主要种植果树、蔬菜等，周边为民居。本底植被主要为稀疏的草丛，建群种斑茅（SaccharumarundinaceumRetz.），伴生野葛（Puerarialobata(Willd.)Ohwi）、香丝草（Conyzabonariensis(Linn.)Cronq.）以及苎麻（Boehmerianivea(Linn.)Gaudich.）。

试验区域:试验区总面积为6000m²，试验区划分为20m*10m的方块，采用随机区组设计，每种配置模式设计3个混种或间种方式（条状混交、块状混交、株间混交），每混（或间）种植方式设计3个重复，同时设3个对照区，共计30个试验小区。将试验区的重金属土壤耕作成数条沟槽与大垄间隔的条状小区，大垄相互平行，间距L=1.0m。2012年12月至2013年3月上旬，根据不同的配置组合将植物等面积比例种植在不同试验区域，乔、灌木种植方法为嫁接和扦插移栽，草本植物为直接播种。每种配置模式设计条状、块状、株间混种3种不同混（间）植方式，乔木种株行距1×2m、2×2m，灌木株行距株距1×1m，1×0.5m，草本株行距0.5×0.5m。试验研究期间进行常规田间管理。

土壤重金属含量的事先检测：栽种植物前，对最接近根系的土壤取样，土壤样品用HNO₃-HCl-H₂O₂混合消解，植物样品用HNO₃-H₂O₂混合消解。使用电感耦合等离子体发射光谱仪检测重金属含量，对检测值进行综合评价分析，计算不同配置组合下试验区土样的原始值。

实施例1：油料植物乔灌草混种模式：乔木（光皮树、乌桕）—灌木（白檀）—草本（蓖麻）

所述植物根系较深，对环境要求不高，在南方可以越冬，且均为多年生植物，是理想的重金属修复植物。光皮树、白檀、乌桕、蓖麻是重要的能源植物，果实含油率高，是重要的工业原料油，可生产与柴油、汽油性能相近的优质低污染燃料。

实施例2：用材林混种模式：光皮树—鹅掌楸—杉木—榉木

所述植物单位面积木材蓄积量和生物量大，是加工工业发展的可靠保证和重要的木材供应树种，具有较高的经济价值。相较于其他三种植物，榉木对土壤的要求较高，但混种伴生树种有益于榉木的生长。光皮树除可将果实油加工成生物柴油或食用油外，它也是品质优良的用材树种，其木材细致均匀，纹理直，坚硬，可供建筑家具、雕刻、农具及胶合板等用，种植后能与其他树友好并存。此外，榉木、鹅掌楸、光皮树也是较好的景观植物，在修复生态环境的同时也可美化环境。

实施例3：单一种模式：不同蓖麻品种间种

蓖麻具有抗旱、耐瘠薄、耐盐碱的特性，可以耐受400-600mg/kg镉，1000-2000mg/kg锌污染土壤。同时，是重要的工业用油料植物，特别是精细化工业原料。蓖麻籽含油率46%～65%，籽仁含油率高达70%左右。亩产蓖麻籽大约200～250kg，茎秆3000～4000kg，干重750kg左右。蓖麻籽可榨油，富含纤维的茎秆，可用于建材、造纸等。

生长季结束后，取植物样将其分为根、茎、叶、果实，烘干至恒重。对根际土壤分试验区域取样检测，作为土壤分析的最终值。土壤样品用HNO₃-HCl-H₂O₂混合消解，植物样品采用HNO₃-H₂O₂混合消解，使用电感耦合等离子体发射光谱仪测定样品的重金属含量。采用MicrosoftExcel和SPSS16.0统计分析软件进行数据处理与分析。

本实施例不同组合配置下各植物体内铅、锌、铜、镉累积量测定结果见表1，不同配置模式块状混交下植株对重金属的富集特征见表2，不同配置模式株间混交下植株对重金属的富集特征见表3。不同配置模式对重金属污染土壤的固化特性见表4。

表1-3结果表明，光皮树、白檀、蓖麻对重金属有较强的吸收积累能力，且吸收的重金属大部分累积在地下部分。用材树种的富集系数较小，说明其对重金属有很强的耐性，但是吸收富集能力相对较弱。此外，榉木对锌有很强的迁移能力，能将根吸收的锌大量的迁移至地上部分。除榉木外，重金属在各植株体内的含量分布均表现为地下部分>地上部分。

表4为不同配置模式条状混交下土壤重金属含量的试验前后检测结果。

表4－9结果表明，3种植物配置组合对Pb、Zn、Cu、Cd的去除率范围分别为0.06%－2.36%、0.49%－3.52%、0.29%－1.69%及0.24%－1.19%。不同植物配置组合比单一种模式对土壤重金属的去除效果更好，同一配置模式中不同混（间）植方式的重金属去除效果为株间混交>块状混交>条状混交。3种模式中，对主要污染元素Pb、Zn去除效果较好的为实施例1（油料植物乔灌草混种模式）和实施例2（能源用材林混种模式）。模式1的株间混交种植方式对主要污染元素Pb、Zn的去除效果最佳，最大去除率为2.36%和3.52%，分别较模式2、3及无植物对照区提高了37.29%、96.73%、97.46%和65.63%、86.08%、83.24%。蓖麻对Cd具有较强的吸收累积能力，单一种模式对Cd的去除效果最好，平均去除率较模式1、2及无植物模式分别提高了57.59%、50.47%和78.24%。

植物具有固土作用，控制重金属扩散，不同配置模式对重金属污染土壤的固化特性见表10。

表10结果表明，3种植物配置组合与对照相比，均具有很强的水土作用，有效控制重金属随地表径流扩散。其中，实例1（油料植物乔灌草组合）土壤流失量最低，水土保持能力最强，单一蓖麻种群落的水土保持功能相对较低，但仍高于对照。

从以上实例看出，上述选择的能源植物在重金属铅锌污染条件下均生长良好，没有显现重金属毒害症状，证明其具有较好的耐性和抗性；重金属含量均为地下部分高于地上部分，虽不具备超富集植物的基本特征，但植株通过根部的阻留作用将重金属离子固定在根部，限制重金属向地上部分运输，一方面使植物免受或减轻伤害，另一方面防止后续处理时向其他区域扩散，同时强大的根系控制水土流失，阻止重金属随径流扩散至非污染区。

实施例1中油料植物果实经榨取、物理修饰、化学加工生产石油类似物或工业用油脂。通过植物的纵向运输，少量重金属元素可能转运至地上部分，此时可根据油和饼粕中重金属含量高低分类集中处理。如果油中含重金属，可通过加氢处理脱金属后作为工业用油，饼粕则可作成型燃料。

从植物不同的配置模式来看，由于植物生长时间较短，去除率的差异并不显著（p>0.05）。但可以看到，混种模式对主要污染元素Pb、Zn的去除率均高于单一种模式，不同混（间）植方式中株间混交对重金属的去除效果最好。说明混种模式能够提高生物多样性，且不同的植物在土壤修复过程中起到了协同作用，配置科学合理，提高了重金属铅锌污染土壤的修复效率。

本发明为重金属铅锌污染土壤治理与修复提供了一种新的植物混种模式，兼具生态效应、能源效应及景观效应，可以将其应用到恶劣的环境中进行重金属铅锌污染的治理，以达到修复重金属铅锌污染土壤的目的。

Claims

1.一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，选择对重金属有耐受性的能源植物，在重金属污染土壤上构建植物群落；

所述能源植物为选择自光皮树、乌桕、鹅掌楸、杉木、榉木、白檀、蓖麻中的至少二种；

选用不同种类的能源植物混种模式构建植物群落。

2.根据权利要求1所述的利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，油料植物的混种模式为光皮树、乌桕、白檀和蓖麻混种。

3.根据权利要求1所述的利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，能源用材林混种模式为光皮树、鹅掌楸、杉木和榉木混植。

4.根据权利要求1－3之一所述的利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述能源植物的种植方式为株间混交。

5.根据权利要求1－3之一所述的利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，萃取和固化土壤中的铅和锌，选用光皮树、乌桕、白檀和蓖麻混种模式。

6.根据权利要求5所述的利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，萃取和固化土壤中的铅和锌，选用光皮树、乌桕、白檀、蓖麻株间混种。