CN104785514A - 一种利用能源作物蓖麻修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及技术一种利用能源作物蓖麻修复重金属污染土壤的方法，属于生态修复污染环境的植物修复领域。该方法是将蓖麻种植于重金属污染土壤，蓖麻不仅能够正常生长，没有表现出任何受毒害现象，且地上部重金属浓度高于根部重金属浓度，表现出极强的转移能力。采用本发明植物进行重金属污染土壤修复，既可以通过植物提取的过程去除土壤中Cd、Ni、Cu、Mn、Zn、Pb等多种重金属污染物，同时又具备一定的经济价值。

Description

一种利用能源作物蓖麻修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染环境的生态修复技术，具体地说是一种利用能源作物蓖麻修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

土壤重金属污染是一个全球性的棘手问题，因为这种污染是一个不可逆的过程。污染物在土壤中的滞留时间长，植物或微生物不能降解，重金属在作物的可食部位过量积累后易于通过食物链传递给人或动物，对人类的健康带来严重危害，同时也影响了土地的使用功能。目前，土壤重金属的修复技术主要有物理化学方法和植物修复方法。前者主要包括化学固定、土壤淋洗、电动修复等；后者主要包括植物固定(Phytostabilization)、植物挥发(Phytovolatilization)和植物提取(Phytoextraction)三种。与传统的物理化学修复技术相比，植物修复由于具有高效低耗、保持水土、工程量小、无二次污染、减少土壤侵蚀和美化景观等优点，在修复土壤重金属污染方面有着广泛的应用前景，因此被誉为成本低廉的“绿色修复技术”。植物修复主要是原位修复，避免了对土壤理化性质的破坏和周围环境的影响，是一种公认的“绿色修复技术”；同时植物修复不需要专业设备和专业人员，是一种易于推广和实施的修复方法。植物修复的最大优势在于成本大大低于传统方法。有研究曾用各种技术对一块4.86 hm²铅污染的土地治理做过评估。其中化学淋洗法1600万美元，挖掘填埋法1200万美元，客土法60万美元，植物修复法20万美元，充分显示了植物修复的优越性[文献1：张婷婷. 胶质芽孢杆菌及柠檬酸增强商陆修复土壤镉污染的研究 [D]. 上海交通大学, 2012.]

植物修复对于污染土壤的治理有着非常重要的意义，因此对具备此能力的植物的筛选就显得尤为重要。植物提取是用具有较高生物量的植物品种来去除土壤中的污染物的过程。在该过程中，植物具有耐受和富集高浓度重金属的能力，可称之为超富集植物。常见的Cd超积累植物有天蓝芥蓝菜(Thlaspi caerulescens)、宝山堇菜(Viola baoshanensis)、红花景天(Sedum spectabile)、龙葵(Solanum nigrum)、灯芯草(Juncus effusus)等。Zn超富集植物东南景天(Sedum alfredii)、天蓝芥蓝菜(Thlaspi caerulescens)等[文献3：Liang, Y., Cao, X., Zhao, L. and Arellano, E.

Biochar- and phosphate-induced immobilization of heavy metals in contaminated soil and water: implication on simultaneous remediation of contaminated soil and groundwater [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21(6): 4665-74.]。尽管一些超积累植物可同时对多种重金属有强大的富集能力，但由于超积累植物存在植株矮小，生长缓慢等缺点，再加上受到气候、土壤环境的限制，使得这些超积累植物的重金属积累量有限，从而在其应用上受到限制。为了克服上述缺点，寻找生物量大、易于存活、生长快速、同时具有一定的重金属吸收能力的植物就显得非常重要。同时，为避免对人体的暴露风险，近年来选择非食用性经济型作物进行植物修复的研究越来越引起关注。

蓖麻作为能源作物，蓖麻种仁含油量高达70%，蓖麻油被誉为可再生的“石油资源”[文献3：Clemens S.Molecular mechanisms of Plant metal homeostasis and tolerance[J].Planta,2001,212:475-486]。已报道蓖麻可生长在重度污染的土壤中并表现出很强的耐受性。因此，在不同气候下均易生长且产油量高的蓖麻具有利用重金属污染的土壤生产的可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用价格低廉的经济作物、操作性强、不破坏土壤理化性质，同时又具备产生经济价值的修复镉污染土壤的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.       含镉或锌重金属污染土壤的采集和预处理：在每个受污染的土壤样方中根据对角线原则设置5个采样点，每个采样点采集适量0-20 cm的土壤后混合，作为该编号样方的供试土壤，装入自封袋中带回实验室处理；供试土样自然风干后过2 mm尼龙筛备用；土壤样品风干、研磨后用HNO₃-HClO₄消解得到土壤消解液，以备后续测定土壤重金属浓度；

b.      蓖麻的选种：种子在播种前先用30% H₂O₂水浸种10分钟，选取下沉的、颗粒饱满、大小基本一致的种子来试验；

c.       整地及施加基肥： 在播种蓖麻的前2日灭茬，施加基肥为每平方米有机肥0.4 kg，肥料均匀施撒后翻耕。将整块区域进行样方划分，长宽均为3 m。每个样方之间留宽为1 m的垄；

d.      播种蓖麻：4月中旬，每个样方等距划分为5行5列，共25个播种点。每个

e.       播种点种植10个蓖麻种子；

f.       田间管理：

间苗：播种一周后对蓖麻进行间苗，剔除特别高大及矮小的苗，保留株高、粗细相等的苗。移栽一株同穴相同粗壮的苗于未出苗的穴，浇水使其成活；

除草：在蓖麻苗期和成熟期之前各除草一次；

     试验田5月中旬播种蓖麻，一周后间苗，期间两次人工拔除田间杂草，60天后，在样方内选取长势接近的3个播种点里的9株植物，将植株连根拔出，尽量不破坏根系，将根系用自来水洗去多余土壤，再用蒸馏水冲洗干净，烘干称重；所含镉和锌浓度的测定方法与上述土壤的相同。

本发明的优点和特点在于：

本发明采用能源作物蓖麻修复重金属污染土壤，其操作性强、价格低廉、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染，同时具有一定的经济价值。田间实验证明蓖麻作为一种在不同气候下均易生长且产油量高的能源作物，对重金属污染存在很高的耐受性，且生物量大，能有效富集重金属。本发明利用蓖麻对重金属的植物积累提取作用，通过在重金属污染土壤上种植这种能源作物，在有效修复Cd、Ni、Cu、Mn、Zn、Pb等多种重金属污染土壤的同时，存在一定的经济价值。

具体实施方式

本发明在中国上海黄浦区某废弃工厂区 (31°18.8851′N，121°54.3383′E)进行了试验，该场地存在一定程度的重金属污染。本实验所用蓖麻种子均来自于市场采购，为常见普通品种。

实施例1

本实施例的利用蓖麻修复重金属镉污染土壤方法包括如下的步骤：

一、土壤污染物镉的浓度调查

将整块实验区域进行样方划分，长宽均为3 m。每个样方之间留宽为1 m的垄。每个样方根据对角线原则设置5个采样点，每个采样点采集适量0-20 cm的土壤后混合，作为该编号样方的供试土壤，装入自封袋中带回实验室处理。供试土样自然风干后过2 mm尼龙筛备用。土壤样品风干、研磨后用HNO₃-HClO₄消解。镉的浓度用ICP-AES(ICP, LEEMAN Company, the United States)和AAS(ZEEnit600, Analytik Jena AG, Germany)测定。实验区域的Cd污染范围

0.6488~2.3222 mg/kg，pH为7.5。根据国家土壤环境质量标准 GB 15618-2008可知，农业用地旱地Cd二级标准值为0.45 mg/kg，因此，该区域存在较严重的重金属镉污染。根据土壤镉的污染浓度高低依次将样方编号为L1、L2、L3、M1、M2、M3、H1、H2、H3。实验区域样方镉的污染浓度见下表1。

二、选种：

种子在播种前先用30% H₂O₂水浸种10分钟，选取下沉的、颗粒饱满、大小基本一致的种子来试验。

三、整地及施加基肥：

在播种蓖麻的前2日灭茬，施加基肥为每平方米有机肥0.4 kg，肥料均匀施撒后翻耕。将整块区域进行样方划分，长宽均为3 m。每个样方之间留宽为1 m的垄。

四、播种蓖麻

4月中旬，每个样方等距划分为5行5列，共25个播种点。每个播种点种植10个蓖麻种子。

五、田间管理

间苗

播种一周后对蓖麻进行间苗，剔除特别高大及矮小的苗，保留株高、粗细相等的苗。移栽一株同穴相同粗壮的苗于未出苗的穴，浇水使其成活。

除草

在蓖麻苗期和成熟期之前各除草一次。

试验田5月中旬播种蓖麻，一周后间苗，期间两次人工拔除田间杂草，60天后，在样方内选取长势接近的3个播种点里的9株植物，将植株连根拔出，尽量不破坏根系，将根系用自来水洗去多余土壤，再用蒸馏水冲洗干净，烘干称重。镉浓度测定方法与土壤相同。

实验结果：

     由表1可知，直至生长60天收获时，蓖麻的生长情况良好，生长于各样方的蓖麻从植株外观上并无受害现象，植物的干重没有呈现规律性变化，但相互之间存在一定差异，说明蓖麻植物的干重并没有收到Cd污染浓度变化的影响。特别的是生长于Cd污染浓度最大的样方H3中蓖麻的地上部和根部干重，与生长于最低污染浓度的L1中的蓖麻相比，反而有很大程度的提高。由此可知，蓖麻对于Cd污染具有很大的耐受性，具有修复Cd污染土壤的潜力。

表1  不同Cd污染浓度下蓖麻的干重

   蓖麻地上部和根部的重金属含量并没有随着污染物浓度的增加而呈现规律性变化，但是镉污染浓度样方中蓖麻的转移系数均大于1，表现出极强的转移能力。特别是镉污染浓度最大时，转移系数同时达到了最高值3.7。由此可知，蓖麻具有在地上部富集积累Cd的能力，且该能力并不会受到土壤中Cd污染浓度的影响。

表 2 大田试验蓖麻对Cd 的积累特征

实施例2

本实施例的利用蓖麻修复重金属锌污染土壤方法包括如下的步骤：

一、土壤污染物锌的浓度调查

实验区域样方划分、土壤样品采集和锌含量测定方法同实施例1。实验区域的Zn污染范围256.16 ~ 1296.30 mg/kg，pH为7.5。根据国家土壤环境质量标准 GB 15618-2008可知，农业用地旱地Zn二级标准值为250 mg/kg，因此，该区域存在较严重的重金属锌污染。根据土壤锌的污染浓度高低依次将样方编号为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7。实验区域样方锌的污染浓度见下表3。

二、选种：

同实施例1。

三、整地及施加基肥：

同实施例1。

四、播种蓖麻

同实施例1。

五、田间管理

同实施例1。

试验田5月中旬播种蓖麻，一周后间苗，期间两次人工拔除田间杂草，60天后，在样方内选取长势接近的3个播种点里的9株植物，将植株连根拔出，尽量不破坏根系，将根系用自来水洗去多余土壤，再用蒸馏水冲洗干净，烘干称重。锌含量测定方法与土壤相同。

实验结果：

     由表3可知，直至生长60天收获时，蓖麻的生长情况良好，生长于各样方的蓖麻从植株外观上并无受害现象，植物的干重在低浓度锌污染时较大，随着锌浓度的升高，植物干重有所减少，但是中高锌浓度污染时蓖麻干重差别不大。特别的是生长于Zn污染浓度最大的样方Z7中蓖麻的地上部和根部干重，与生长于中低浓度污染样方Z3相比，反而存在微量增加。由此可知，蓖麻对于高浓度Zn污染具有很大的耐受性，具有修复Zn污染土壤的潜力。

表3  不同Zn污染浓度下蓖麻的干重

蓖麻地上部和根部的重金属含量并没有随着污染物浓度的增加而呈现规律性变化，但是锌污染浓度样方中蓖麻的转移系数均大于2，表现出极强的转移能力，最大转移系数达到了4.3。由此可知，蓖麻具有在地上部富集积累Zn的能力，且该能力并不会受到土壤中Zn污染浓度的影响。

表4  大田试验蓖麻对Zn 的积累特征

Claims (1)

1.一种利用能源作物蓖麻修复重金属污染土壤的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.       含镉或锌重金属污染土壤的采集和预处理：在每个受污染的土壤样方中根据对角线原则设置5个采样点，每个采样点采集适量0-20 cm的土壤后混合，作为该编号样方的供试土壤，装入自封袋中带回实验室处理；供试土样自然风干后过2 mm尼龙筛备用；土壤样品风干、研磨后用HNO₃-HClO₄消解得到土壤消解液，以备后续测定土壤重金属浓度；

b.      蓖麻的选种： 种子在播种前先用30% H₂O₂水浸种10分钟，选取下沉的、颗粒饱满、大小基本一致的种子来试验；

c.       整地及施加基肥： 在播种蓖麻的前2日灭茬，施加基肥为每平方米有机肥0.4 kg，肥料均匀施撒后翻耕；将整块区域进行样方划分，长宽均为3 m；每个样方之间留宽为1 m的垄；

d.      播种蓖麻：4月中旬，每个样方等距划分为5行5列，共25个播种点；每个播种点种植10个蓖麻种子；

e.       田间管理：

间苗：播种一周后对蓖麻进行间苗，剔除特别高大及矮小的苗，保留株高、粗细相等的苗；移栽一株同穴相同粗壮的苗于未出苗的穴，浇水使其成活；

除草：在蓖麻苗期和成熟期之前各除草一次；

    试验田5月中旬播种蓖麻，一周后间苗，期间两次人工拔除田间杂草，60天后，在样方内选取长势接近的3个播种点里的9株植物，将植株连根拔出，尽量不破坏根系，将根系用自来水洗去多余土壤，再用蒸馏水冲洗干净，烘干称重；所含镉和锌浓度的测定方法与上述土壤的相同。