CN104607453A - 一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法：在铅-镉复合污染土壤中种植修复植物，在修复周期内按照土壤持水量为所述土壤田间持水量的60％～70％向所述土壤浇灌DOM溶液，本发明DOM来源于土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的混合液，所述的强化效果主要来源于DOM溶液对铅/镉的活化效应，利用DOM改变土壤中铅/镉的生物可利用性，提高修复植物修复铅/镉复合污染黄土的效果。
Description
技术领域
本发明涉及重金属复合污染土壤的植物修复技术，具体涉及一种利用溶解性有机质强化植物修复土壤铅和镉的方法。
背景技术
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源，随着工农业发展和城市化进程的加快，重金属污染物的排放量与日俱增。重金属污染会严重干扰土壤生态系统的正常功能，这不仅降低农产品产量和品质，还会通过食物链循环间接危害人体健康。铅(Pb)和镉(Cd)是我国农田土壤中广泛分布的重金属污染物，其毒性较大、蓄积性很强，对生物有致畸、致癌、致突变的作用。目前，土壤Pb和Cd污染的治理和修复成为十分紧迫的任务。
植物修复(Phytoremediation)是一种绿色修复技术，具有费用低廉、操作简单、环境风险低和适用性广的优点，已成为环境修复领域的研究热点。利用观赏性植物修复重金属污染土壤具有天然优势，它不但能够吸收重金属，同时还能美化环境，一举两得；此外，观赏性植物一般不会直接进入食物链，可以降低对人体的风险。
土壤重金属经过长时间的老化作用，活性很低，稳定性较好，迁移能力较差；超富集植物大多生物量较小且生长缓慢，而生物量大、生长迅速的富集植物一般难以高效富集土壤重金属，这给土壤修复工作带来了很多困难。因此，许多学者把研究重心放在螯合强化修复技术方面，即在土壤中添加螯合剂用以活化土壤重金属，提高重金属的生物有效性，进而促进植物对重金属的吸收。然而，螯合强化修复技术也存在很多问题：首先，虽然螯合剂能够提高植物体内重金属含量，但是螯合剂会抑制植物生长，降低植物生物量，影响植物修复效果；其次，大多数螯合剂不易降解，极易导致重金属的渗滤现象，容易对生态环境特别是地下水造成潜在污染；再次，螯合剂的价格较高，大量使用必然会增加植物修复的成本。所以，寻找生态环境风险低、强化修复效果好、实用(适用)性强的螯合强化修复方法成为亟待解决的问题。
溶解性有机质(DOM)作为土壤有机质中最活跃的组分，含有羟基、羧基、羰基等多种活性官能团。DOM的来源包括动植物残体、生物质腐殖化产物、植物根系分泌物等方面，获取途径较丰富，安全性好，潜在推广应用价值高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
该强化植物修复方法包括以下步骤：
在铅-镉复合污染土壤中种植修复植物，在修复周期内按照土壤持水量为田间持水量的60％～70％向所述铅-镉复合污染土壤浇灌DOM溶液，所述DOM溶液为土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的混合物，修复周期结束后，将所述修复植物整体从所述铅-镉复合污染土壤中移走。
所述强化植物修复方法还包括以下步骤：所述修复植物整体从所述铅-镉复合污染土壤中移走后，重新在所述铅-镉复合污染土壤中种植修复植物，并开始下一个修复周期，修复周期个数的确定以实现土壤中的铅或镉的含量不再降低或达到环境安全标准为准。
所述DOM溶液中土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的体积比为1:1～4。
以修复植物展开至少两片真叶作为修复周期起点，所述修复周期的终点为修复植物生长到开花期前。
所述土壤为黄土。
所述修复植物为金盏菊。
所述金盏菊的种植方法为：
(1)直接播种
包括以下步骤：将金盏菊种子直接种植于铅-镉复合污染土壤中；或者，
(2)直接移栽
包括以下步骤：将含2～4片展开真叶的金盏菊幼苗直接移栽于铅-镉复合污染土壤。
所述金盏菊对应的修复周期为60天。
本发明的有益效果体现在：本发明提供一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，DOM来源于土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的混合液，所述的强化效果主要来源于DOM对铅/镉的活化效应，利用DOM改变土壤中铅/镉的生物可利用性，提高修复植物(例如金盏菊)修复铅/镉复合污染土壤的效果。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、DOM溶液有效促进了生物量大、生长迅速类修复植物(例如金盏菊)对土壤(例如黄土)中铅/镉的吸收，强化了植物修复铅/镉复合污染土壤的效果，相对于浇灌纯净水，修复植物地上部和地下部的Pb、Cd含量增幅显著(例如Pb最高达118.47％和69.44％，Cd最高达15.65％和41.01％)。
二、DOM溶液明显提高了土壤(例如黄土)中铅/镉的生物可利用性，其有效态Pb含量最大提高120.31％，有效态Cd含量最高增加63.28％(与浇灌纯净水相比)。
三、DOM的强化效应明显，提取工艺简单，成本低廉，天然环保，应用过程中不会引起二次污染，具有较强的实际应用潜力。
四、克服了使用常规螯合剂影响土壤中植物生长的不足。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
(一)盆栽浓度梯度实验
盆栽实验地点在陕西科技大学校园内，采用室外栽培。实验场地周围没有污染源，该地区属于暖温带半湿润的季风气候，年平均温度为9-19℃，无霜期208-230天，年降水量500-750mm，盆栽实验采自该校表层土壤(0-20cm)，土壤基本理化性质见表1。
表1土壤基本理化性质
本试验共设了10个浓度梯度(表2)，试验投加的Pb、Cd形态分别为Pb(NO3)2、CdCl2·2.5H2O，为分析纯试剂。取适量土壤，风干后过4mm筛，装入型号一致的花盆中(长44cm，宽20cm，高14cm)，每盆装土6kg，并分别与想要达到不同处理浓度的Pb(NO3)2、CdCl2·2.5H2O溶液充分混合、搅拌，平衡15天后备用。金盏菊种子直接播种于不同污染浓度的土壤中，播种后15天，每盆保留幼苗5-6株，不定期浇水以确保土壤湿润，待金盏菊长出2～4片真叶后，分成两组：
A组：定期浇纯净水，使土壤持水量保持在田间持水量的60％-70％；B组：定期浇灌DOM，使土壤持水量保持在田间持水量的60％-70％。每个处理组重复1次，60天后(开花期前)，收获盆中的金盏菊植株。
(二)样品分析：
将盆栽实验所收获的金盏菊样品分成地上部(包括茎和叶)和地下部两部分，先用自来水冲洗后，用蒸馏水洗净，沥去水分，于105℃下杀青30min，之后再70℃的烘箱中烘至恒重，称重后研磨成粉末，采用HNO3-HClO4法消解、原子吸收分光光度法测定其中的重金属含量。土壤样品风干后过60目筛，用0.11mol/L HAc水溶液40mL(室温下震荡16h)浸提土壤中有效态Pb、Cd，原子吸收分光光度法测定提取液中重金属的浓度。
表2污染土壤重金属浓度
(三)实验结果：
表3、表4为上述不同Pb、Cd浓度处理下金盏菊对Pb、Cd的富集特征。参见表3可知，B组中金盏菊地上部和地下部Cd含量都显著大于A组，其中，B组金盏菊地上部Cd含量较A组提高了12.14％-15.65％，地下部Cd含量增加了35.82％-41.01％(CK除外)，表明DOM溶液有效促进了金盏菊对重金属Cd的吸收，且地下部是DOM发挥促进作用的主要部位。另一方面，随着土壤中Cd投加浓度的增加，A组和B组金盏菊地上部和地下部的Cd含量都逐渐升高，且地下部富集的Cd随土壤中的投加Pb浓度的增大而增加(T9除外)，表明土壤中Pb浓度的增加促进了金盏菊地下部对Cd的吸收；对于金盏菊的地上部，当Cd浓度相同时，金盏菊地上部Cd的含量上下波动，Pb对Cd的吸收没有明显的促进或抑制作用。
表3金盏菊对重金属Cd的富集特征
由表4可知，DOM溶液显著提高了金盏菊地上部和地下部Pb的含量，B组地上部Pb含量相对于A组提高了26.56％-118.47％，地下部Pb含量增加了30.67-69.44％(CK除外)。此外，金盏菊对Pb的富集与Cd的富集规律一致，随着土壤中Pb投加浓度的增加，其地上部和根部的Pb含量也逐渐升高，并且，金盏菊将富集的大部分Pb贮存在根部。
表4金盏菊对重金属Pb的富集特征
由表5，表6可以看出，DOM溶液显著改变了土壤中重金属的存在状态，其中，有效态重金属的含量显著提高。用纯净水浇灌时(A组)，土壤中有效态Pb所占比例为0.38％-2.38％，说明土壤中的Pb生物有效性较低，使其很难被植物吸收富集，加入DOM溶液后，B组土壤中有效态Pb所占比例为0.84％-2.76％，土壤中有效态Pb含量较A组增加了12.38％-120.31％，Pb的生物有效性提高，易于金盏菊吸收富集。另一方面，A、B组土壤中有效态Pb含量随Pb投加量的增大而增加。
表5土壤中有效态Pb含量
注：百分比(％)＝有效态重金属含量(mg/kg)/土壤中投加的重金属浓度(mg/kg)*100％，下同。
有效态Cd在土壤中的分布如表6所示，可以看出，A、B组土壤中有效态Cd含量随Cd投加量的增大而增加。同时，DOM溶液对土壤中有效态Cd含量也有促进作用，B组中有效态Cd含量相对于A组提高了29.14％-63.28％。
表6土壤中有效态Cd含量
(四)所述DOM溶液的获得参考中国专利201410258475.0，一种氯吡硫磷污染土壤的异位强化淋洗方法(公开号：CN104028551A，公开日：2014.09.10)：
第一步，向采集自未污染土壤(0-20cm表层黄土)的5～20g土壤样品中加入200mL水后对所述土壤样品进行浸提，浸提温度为15～45℃，浸提时间为1～4h，浸提过程结束后将混合物在4000-5000r/min条件下离心3～5min，得到的上清液即为土壤浸提液；
第二步，向2-5g粉碎秸秆(例如玉米秸秆)中加入200～500mL所述土壤浸提液进行秸秆腐殖化得混合物，腐殖化时间为15～60d，腐殖化温度为15～45℃。腐殖化过程结束后将混合物在4000-5000r/min条件下离心3～5min，得到的上清液经0.45μm滤膜过滤得到秸秆腐殖化溶液；
第三步，将所述土壤浸提液和所述秸秆腐殖化溶液混合，土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的体积比为1:1～4。此时即得到DOM溶液。
所述第一步土壤样品中加入的水为污水处理厂中水。所述DOM来源于秸秆腐殖化、污水处理厂中水和黄土三部分。
Claims (8)
1.一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：该强化植物修复方法包括以下步骤：
在铅-镉复合污染土壤中种植修复植物，在修复周期内按照土壤持水量为田间持水量的60％～70％向所述铅-镉复合污染土壤浇灌DOM溶液，所述DOM溶液为土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的混合物，修复周期结束后，将所述修复植物整体从所述铅-镉复合污染土壤中移走。
2.根据权利要求1所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：所述强化植物修复方法还包括以下步骤：所述修复植物整体从所述铅-镉复合污染土壤中移走后，重新在所述铅-镉复合污染土壤中种植修复植物，并开始下一个修复周期，修复周期个数的确定以实现土壤中的铅或镉的含量不再降低或达到环境安全标准为准。
3.根据权利要求1所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：所述DOM溶液中土壤浸提液和秸秆腐殖化溶液的体积比为1:1～4。
4.根据权利要求1所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：以修复植物展开至少两片真叶作为修复周期起点，所述修复周期的终点为修复植物生长到开花期前。
5.根据权利要求1所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：所述土壤为黄土。
6.根据权利要求1所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：所述修复植物为金盏菊。
7.根据权利要求6所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：所述金盏菊的种植方法为：
(1)直接播种
包括以下步骤：将金盏菊种子直接种植于铅-镉复合污染土壤中；或者，
(2)直接移栽
包括以下步骤：将含2～4片展开真叶的金盏菊幼苗直接移栽于铅-镉复合污染土壤。
8.根据权利要求6所述一种铅-镉复合污染土壤的强化植物修复方法，其特征在于：所述金盏菊对应的修复周期为60天。
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