CN105880267B - 一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法 - Google Patents
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Abstract
一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法包括:修复植物初步筛选与确定,修复植物野外种植和野外盆栽,便携式仪器快速检测土壤重金属含量,样品采集、制备与实验室传统化学方法检测,修复植物筛选确定。本发明结合野外盆栽实验和野外对照实验,保证实验组和对照组植物的生长环境相近;选择抗旱性强、生命力旺盛、生长周期短、已有修复植物同科属的本地适种植物,并利用便携式重金属含量测定仪器快速检测表层土壤重金属含量,大大缩短了修复植物的筛选周期;该方法具有可控性和对比性强、筛选周期短、实际应用价值高的优势,可高效地筛选出干旱半干旱铅、锌矿区重金属修复植物,从而有效治理该地区及相似地区的土壤重金属污染,实现土壤净化。
Description
技术领域
本发明属于资源环境技术领域,具体涉及修复矿区重金属的植物筛选方法,特别涉及一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法。
背景技术
世界上的铅(Pb)、锌(Zn)矿山主要分布在澳大利亚、加拿大、南非、蒙古等国家。铅、锌矿山的开发利用导致区域生态剧烈演变和急剧退化,尤其在水资源匮乏、植物覆盖度低、生态环境脆弱的干旱半干旱地区,其中土壤重金属污染是最为严重的问题之一。矿区土壤重金属污染不仅会引起土壤组分、结构和功能的改变,导致土地退化、土壤质量降低,抑制植物根系的正常生长和光合作用,还会通过接触、食物链等途径危害矿区周边动物和人类的健康。因此,修复干旱半干旱铅、锌矿区土壤重金属污染显得尤为重要。
传统的土壤重金属污染修复技术主要包括物理修复技术,如换土法、蒸汽浸提法、电动力学法等;化学修复技术,如化学淋洗法、溶剂浸提法、氧化法、还原法等;生物修复主要指利用特效降解微生物进行原位或异位修复,如微生物修复法。上述常用的土壤重金属修复方法限制条件较多,且经济成本高、易造成二次污染、对土壤环境扰动较大,难以实现大规模推广应用。为寻求更加有效可行的修复土壤重金属污染方法,近20年来土壤重金属污染的植物修复技术(Phytoremediation)引起了公众及学术界的广泛兴趣。植物修复技术是指通过金属积累植物(metal-accumulating plant)吸收、转运并积累从而去除土壤环境中的有害重金属元素,该技术的经济成本低且绿色环保,其研究热点主要集中在筛选对特定重金属元素具有超积累能力的植种。
目前,常用的修复植物筛选方法包括野外调查法、特殊植物法和土壤种子库法。野外调查法是指在重金属污染的场地(如矿山、冶金工业区等)进行野外调查,采集生长良好的植物并分析其重金属含量;特殊植物法是指根据区域性和生产需要选择一些特殊植物,将其种植在一系列重金属浓度梯度的土壤中,一段时间后采集植物测定并分析其对重金属的富集特性;土壤种子库法是利用土壤种子库筛选对重金属具有超富集特性的植物,然后通过重金属浓度梯度实验对其超富集特性进行验证的方法。上述重金属修复植物筛选方法可控性较差、筛选周期长、筛选过程繁杂,且目标范围过宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法,该方法具有可控性和对比性强、筛选周期短、筛选过程简单、目标范围窄、实际应用价值高的优势。
为实现上述目的,本发明提供了一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法,包括以下步骤:
(1)修复植物初步筛选与确定:结合干旱半干旱地区的气候特征、本地适种植物和对土壤重金属铅、锌修复植物的已有研究,选择抗旱性强、生命力旺盛、生长周期短、生物产量大、与已有修复植物同科属的植物进行对比分析,初步筛选并确定干旱半干旱铅、锌矿区重金属的修复植物;
(2)修复植物野外种植和野外盆栽:根据步骤(1)中初步筛选的修复植物种类,选取两块面积相等的野外实验场地分别作为铅、锌矿区重金属修复植物筛选的野外对照场地,将步骤(1)中初步筛选出的铅、锌矿区重金属修复植物分别种植在所述的两块野外对照场地上;
将上端开口的器皿分别埋放在所述的铅、锌矿区重金属修复植物筛选的野外对照场地,器皿的上端口与野外对照场地表土齐平;将装有铅、锌化合物的包裹袋分别放置在对应野外对照场地埋放的器皿底部中心,再挖取野外对照场地的土壤添加到器皿中,然后在器皿中分别种植步骤(1)中初步筛选出的铅、锌矿区修复植物;
(3)便携式仪器快速检测土壤重金属含量:在修复植物生长的不同周期阶段,采用便携式重金属含量测定仪器分别检测野外器皿和野外对照场地样点处表层土壤的重金属含量,再对比分析野外器皿底部重金属向表层土壤迁移的速率与程度,从而初步判定修复植物的富集效果;
(4)样品采集、制备与实验室传统化学方法检测:当修复植物生长成熟时,分别采集野外器皿和野外对照场地样点处的修复植物样品和表层土壤样品;所述修复植物样品依次经过清洗、风干、粉碎、消煮、定容处理后制成植物样品液体;所述表层土壤样品依次经过风干、研磨、消煮、定容处理后制成土壤样品液体;采用电感耦合等离子体质谱仪器分别检测植物样品液体和土壤样品液体中的重金属含量;
(5)修复植物筛选确定:根据实验室传统化学方法检测修复植物样品和表层土壤样品的重金属含量,对比验证便携式重金属含量测定仪器快速检测的结果,最终筛选确定干旱半干旱铅、锌矿区重金属的修复植物。
优选的,所述便携式重金属含量测定仪器为手持X射线荧光分析仪。
优选的,所述野外实验场地的大小为5m×5m、10m×10m、20m×20m中的一种。
进一步的,装在包裹袋内的铅、锌化合物的含量根据不同地区和国家的土壤环境质量标准确定。
与现有技术相比,本发明结合野外盆栽实验和野外对照实验,保证实验组和对照组植物的生长环境相近;选择抗旱性强、生命力旺盛、生长周期短、已有修复植物同科属的本地适种植物,并利用便携式重金属含量测定仪器快速检测修复植物和表层土壤的重金属含量,大大缩短了修复植物的筛选周期。该筛选方法具有可控性和对比性强、筛选周期短、实际应用价值高的优势,可高效地筛选出干旱半干旱铅、锌矿区重金属修复植物,从而有效治理该地区及相似地区的土壤重金属污染,实现土壤净化。
附图说明
图1是本发明的修复植物筛选流程图;
图2是本发明的实验装置示意图;
图3是采用手持X射线荧光分析仪检测野外盆栽的表层土壤中铅在不同荧光强度区间的能量图谱;
图4是采用手持X射线荧光分析仪检测野外盆栽的表层土壤中锌在不同荧光强度区间的能量图谱;
图中:1、器皿,2、装有重金属化合物的包裹袋。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。
如图1至图4所示,一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法,包括以下步骤:
(1)修复植物初步筛选与确定
结合干旱半干旱地区的气候特征,本地生命力旺盛、生长周期短的植种和已有土壤重金属铅、锌修复植物的同科属植物,初步筛选并确定干旱半干旱铅矿区重金属修复植物为苜蓿和落花生,锌矿区重金属修复植物为东南景天和佛甲草。
(2)修复植物野外种植与野外盆栽
选取两块大小为5m×5m的野外实验场地,一号场地为铅矿区重金属修复植物筛选野外对照场地,二号场地为锌矿区重金属修复植物筛选野外对照场地;两块野外对照场地均采用行种法种植对应的两种修复植物,每种修复植物种植一行,每行等间距选取6个样点,其中1个作为补充样点;
将6个内径28cm、容积7L的圆柱体器皿等间距埋放在一号场地边缘,依次编号1-6,圆柱体器皿上端口与一号场地的表土基本齐平,在器皿底部中心添加10.19g的Pb(CH3COO)2·3H2O(重金属含量采用中国土壤环境质量二级标准,pH值为6.5-7.5),再挖取一号场地周边的土壤添加到装有铅化合物的圆柱体器皿中,圆柱体器皿均匀划分为两部分,分别种植苜蓿和落花生(6号作为补充实验);
将6个内径28cm、容积7L的圆柱体器皿等间距埋放在二号场地边缘,依次编号7-12,圆柱体器皿上端口与二号场地的表土基本齐平,在器皿底部中心添加20.39g的ZnSO4·7H2O(重金属含量采用中国土壤环境质量二级标准,pH值为6.5-7.5),再挖取二号场地周边的土壤添加到装有锌化合物的圆柱体器皿中,圆柱体器皿均匀划分为两部分,分别种植东南景天和佛甲草(12号作为补充实验)。
(3)便携式仪器快速检测土壤重金属含量
在修复植物生长的不同周期阶段,利用手持X射线荧光分析仪(生产厂家:Oxford,型号:X-MET 7500)分别检测野外圆柱体器皿和野外对照场地样点处表层土壤的重金属含量,分别如表1、表2所示,图3、图4分别是手持X射线荧光分析仪检测野外盆栽表层土壤中铅和锌在不同荧光强度区间的能量图谱,可以通过分析仪自带程序反演出样点处重金属的含量。由表1和表2两组数据可以看出,铅矿区重金属修复植物筛选野外对照场地表层土壤中铅含量明显低于野外圆柱体器皿表层土壤中的含量,说明圆柱体器皿底部添加的铅存在明显向表层土壤迁移的现象,修复植物对土壤重金属的富集作用促进器皿底部重金属向表层土壤迁移,因此,初步判定圆柱体器皿中苜蓿和落花生对铅的富集效果较好;锌矿区重金属修复植物筛选野外对照场地表层土壤中锌含量略低于野外圆柱体器皿表层土壤中的含量,说明圆柱体器皿底部添加的锌存在向表层土壤迁移的现象,但是迁移速率较低,因此,初步判定圆柱体器皿中东南景天和佛甲草对锌的富集效果一般。
表1野外器皿和野外对照场地表层土壤中重金属铅含量(mg/kg)
表2野外器皿和野外对照场地表层土壤中重金属锌含量(mg/kg)
(4)样品采集、制备与实验室传统化学方法检测
修复植物生长成熟后,采集野外圆柱体器皿和野外对照场地样点处的修复植物样品和表层土壤样品;修复植物样品依次经过清洗、风干、粉碎、消煮、定容处理后制成植物样品液体;表层土壤样品依次经过风干、研磨、消煮、定容处理后制成土壤样品液体;采用电感耦合等离子体质谱仪器分别检测植物样品液体和土壤样品液体中的重金属含量,如表3至表6所示。
由表3可以看出,铅矿区重金属修复植物筛选野外对照场地的修复植物苜蓿和落花生中铅含量明显低于野外圆柱体器皿对应修复植物中的含量,说明苜蓿和落花生对器皿底部添加的铅存在明显的累积、富集作用;由表5可以看出铅矿区重金属修复植物筛选野外对照场地表层土壤中铅含量明显低于野外圆柱体器皿表层土壤中的含量,说明圆柱体器皿底部添加的铅存在明显向表层土壤迁移的现象,进一步说明了圆柱体器皿中苜蓿和落花生对铅的富集效果较好。
由表4可以看出,锌矿区重金属修复植物筛选野外对照场地的修复植物东南景天和佛甲草中锌含量与野外圆柱体器皿对应修复植物中的含量相近,说明东南景天和佛甲草对花盆底部添加重金属锌的累积、富集作用不明显;由表6可以看出,锌矿区重金属修复植物筛选野外对照场地表层土壤中锌含量略低于野外圆柱体器皿表层土壤中的含量,说明圆柱体器皿底部添加的锌存在向表层土壤迁移的现象,但是迁移速率较低,进一步说明了圆柱体器皿中东南景天和佛甲草对锌的富集效果一般。
从以上分析结果可以看出,实验室检测结果与手持X射线荧光分析仪的快速测定结果基本吻合。
表3野外器皿和野外对照场地修复植物中重金属铅含量(mg/kg)
表4野外器皿和野外对照场地修复植物中重金属锌含量(mg/kg)
表5野外器皿和野外对照场地表层土壤样品重金属铅含量(mg/kg)
表6野外器皿和野外对照场地表层土壤样品重金属锌含量(mg/kg)
(5)修复植物筛选确定
对比分析手持X射线荧光分析仪的快速测定结果和实验室传统化学的检测结果,苜蓿和落花生对重金属铅的累积、修复效果较好,东南景天和佛甲草对重金属锌的累积、修复效果不明显。因此,最终筛选出苜蓿和落花生作为干旱半干旱铅矿区的修复植物。
Claims (4)
1.一种干旱半干旱铅、锌矿区修复植物的筛选方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)修复植物初步筛选与确定:结合干旱半干旱地区的气候特征、本地适种植物和对土壤重金属铅、锌修复植物的已有研究,选择抗旱性强、生命力旺盛、生长周期短、生物产量大、与已有修复植物同科属的植物进行对比分析,初步筛选并确定干旱半干旱铅、锌矿区重金属的修复植物;
(2)修复植物野外种植和野外盆栽:根据步骤(1)中初步筛选的修复植物种类,选取两块面积相等的野外实验场地分别作为铅、锌矿区重金属修复植物筛选的野外对照场地,将步骤(1)中初步筛选出的铅、锌矿区重金属修复植物分别种植在所述的两块野外对照场地上;
将上端开口的器皿分别埋放在所述的铅、锌矿区重金属修复植物筛选的野外对照场地,器皿的上端口与野外对照场地表土齐平;将装有铅、锌化合物的包裹袋分别放置在对应野外对照场地埋放的器皿底部中心,再挖取野外对照场地的土壤添加到器皿中,然后在器皿中分别种植步骤(1)中初步筛选出的铅、锌矿区修复植物;
(3)便携式仪器快速检测土壤重金属含量:在修复植物生长的不同周期阶段,采用便携式重金属含量测定仪器分别检测野外器皿和野外对照场地样点处表层土壤的重金属含量,再对比分析野外器皿底部重金属向表层土壤迁移的速率与程度,从而初步判定修复植物的富集效果;
(4)样品采集、制备与实验室传统化学方法检测:当修复植物生长成熟时,分别采集野外器皿和野外对照场地样点处的修复植物样品和表层土壤样品;所述修复植物样品依次经过清洗、风干、粉碎、消煮、定容处理后制成植物样品液体;所述表层土壤样品依次经过风干、研磨、消煮、定容处理后制成土壤样品液体;采用电感耦合等离子体质谱仪器分别检测植物样品液体和土壤样品液体中的重金属含量;
(5)修复植物筛选确定:根据实验室传统化学方法检测修复植物样品和表层土壤样品的重金属含量,对比验证便携式重金属含量测定仪器快速检测的结果,最终筛选确定干旱半干旱铅、锌矿区重金属的修复植物。
2.根据权利要求1所述的筛选方法,其特征在于,所述便携式重金属含量测定仪器为手持X射线荧光分析仪。
3.根据权利要求1所述的筛选方法,其特征在于,所述野外实验场地的大小为5m×5m、10m×10m、20m×20m中的一种。
4.根据权利要求1所述的筛选方法,其特征在于,装在包裹袋内的铅、锌化合物的含量根据不同地区和国家的土壤环境质量标准确定。
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