CN107671114A - 一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法 - Google Patents

一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，包括如下步骤：制备栽培基质、打造种植穴、移栽、施肥、收割。本发明采用柠檬酸协同观赏植物共同对土壤中重金属铅镉进行去除，将萱草、鸢尾、美人蕉组合种植，分析测定该种植模式下植物的生长量、全铅镉含量、不同器官铅镉含量，研究其对重金属污染土壤中铅镉的去除能力，测定结果表明，本发明能够提高鸢尾、萱草、美人蕉的成活率，并且生长出的鸢尾、萱草、美人蕉更为健壮，能够高效吸收土壤中的重金属铅和镉，其对重金属铅和镉的吸收率要比普通栽培的鸢尾、萱草、美人蕉吸收率提高30％以上。本发明为重金属污染土壤的植物修复及农业生态工程示范基地的建设提供了一定的科学依据。

Description

一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法
技术领域
本发明属于土壤污染治理与修复技术领域，具体涉及一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法。
背景技术
土壤重金属污染是指由于人类活动，导致土壤中的重金属含量过高，通常是浓度大于5g/m3，并对生态环境质量产生不良的影响。常见对土壤造成污染的重金属包括铅、锌、镍、铜、铬、镉、汞等元素，其中铅、镉的污染最为常见。这两种元素是大气降尘导致的土壤重金属污染的主要污染源，也是各类矿山在采选、冶炼过程中通过粉尘和废水等途径排放出去的常见污染源。重金属污染具有隐蔽性、不可逆性、长期性和后果严重性的特点。随着工农业的迅速发展，土壤中重金属含量逐年增加，其造成的污染也日益严重。防治土壤污染，保护有限的土壤资源，已成为突出的全球性问题。
土壤重金属污染修复方法主要包括物理修复、化学修复与生物修复，其中生物修复的一项重要措施是植物修复。植物修复方法作为一种新兴的生物修复途径已经得到人们广泛的认可与使用。对于植物修复的研究，一般集中在单一的超富集植物的筛选方面，还集中在研究微生物与植物的相互作用促进植物吸收方面，以及添加螯合剂促进植物对重金属的吸收等方面。现目前少有关于植物相互促进或者减弱植物吸收重金属方面的研究。在重度或者中度污染的栽培土壤条件下，一定的套种方式能有效的促进富集植物对重金属的吸收；在轻度污染的栽培土壤条件下，通过栽培结构的调整选择低富集特性的作物进行栽植，保证农业生产的顺利进行。对于农用土壤的修复，特别是栽培土壤的修复，如何保证最低程度影响农业生产是必须考虑的问题，而进行作物和富集植物的套种是一种有效的措施。
发明内容
本发明提供了一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法及其制备方法，解决了现有技术中植物修复研究一般集中在单一的超富集植物的筛选、微生物与植物的相互作用以及添加螯合剂对植物吸收重金属的促进等方面，而少有关于植物相互促进或者减弱植物吸收重金属方面的研究的问题。
本发明提供了一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备栽培基质
步骤1.1，按重量份称取以下原料：80-90份枯叶、60-80份草炭、20-30份桦树皮、15-20份动物粪便、5-10份蚕沙、0.5-1份磷酸二氢钾、3-6份尿素；
步骤1.2，将步骤1.1中称取的枯叶与动物粪便混合，得到混合料，往混合料中加入与混合料等质量的水，并且在加水的过程中持续搅拌混合料，加水完毕后静置12h，然后往其中加入厌氧发酵菌剂，于60℃发酵12天，发酵完毕后将发酵产物干燥至含水率≤5％，然后粉碎，过40目筛，得到有机肥；
步骤1.3，将步骤1.1中称取的草炭、桦树皮、蚕沙、步骤1.2中制备出的有机肥混合后粉碎，过20目筛，然后再往其中加入步骤1.1中称取的磷酸二氢钾以及尿素，混合均匀，即得到栽培基质；
步骤2，打造种植穴
在重金属铅镉污染土壤区开挖种植穴，种植穴呈直线排列，且种植穴的长、宽均为30cm，深为20cm，种植穴之间的间距根据种植模式确定；
步骤3，移栽
步骤3.1，起苗后，将幼苗根部置于稀释倍数为3000倍的哈茨木霉菌菌剂中浸泡10min，浸泡完毕得到预处理幼苗；
其中，所述幼苗分别为鸢尾幼苗、萱草幼苗以及美人蕉幼苗；
步骤3.2，将预处理幼苗按照种植模式移栽于种植穴中，覆土，当覆土深度达到种植穴深度的1/2时，往种植穴中铺设步骤1中制得的栽培基质，栽培基质铺设量为500g/穴；栽培基质铺设完毕后继续覆土至填满种植穴，然后淋足水分；
其中，所述种植模式为：每两行萱草幼苗之间套种两行鸢尾幼苗，每两行鸢尾幼苗之间套种一行美人蕉幼苗，萱草幼苗的行距为160cm，株距为15cm，鸢尾幼苗与相邻萱草幼苗之间的行距为30cm，鸢尾幼苗的株距为15cm，美人蕉幼苗与鸢尾幼苗之间的行距为50cm，美人蕉幼苗的株距为25cm，三种幼苗的种植同期进行；
步骤4，施肥：移栽完毕后往幼苗根部土壤内施加菌根菌剂，施加量为20g/株，然后每30天往幼苗根部追加肥料一次，追加量为200g/株，连续追加3次；
其中，所述肥料由以下重量份数的组分组成：40-50份的硝酸铵、10-20份的聚磷酸铵、10-20份的黄腐酸钾、1-5份的壳聚糖、1-3份的EDTA-金属螯合物、1-3份的柠檬酸、0.5-1份卵磷脂、0.05-0.1份的生长调节剂；
步骤5，收割：当植物生长6个月后，整株拔除；
步骤6，重复步骤2-步骤5，继续种植植物直至完成对重金属铅镉污染土壤的生物修复。
优选的，所述步骤1.2中厌氧发酵菌剂为巨大芽孢杆菌菌剂与嗜酸乳酸杆菌菌剂按照2：1的质量比配制而成。
优选的，所述菌根菌剂为幼套球囊霉菌菌剂。
优选的，所述菌根菌剂中有效活菌数为≥1×108个/g。
优选的，所述EDTA-金属螯合物为EDTA-Fe、EDTA-Mg、EDTA-Zn中的一种或多种。
优选的，所述生长调节剂为芸苔素内酯、赤霉素、萘乙酸中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明通过在种植穴内配制栽培基质来种植修复植物，一方面提高了修复植物的成活率，另一方面使修复植物生长得更为健壮，有利于吸收土壤中的重金属铅和镉。
2)本发明利用三种植物套种，一方面控制了铅、镉在土壤中的迁移，更为重要的是，采取本发明的种植方式，三种植物之间能够相互促进对重金属铅、镉的吸收。
3)本发明在修复植物移植到被铅、镉污染的土壤中后往根部多次施肥，肥料中所含的硝酸铵、聚磷酸铵、黄腐酸钾能够给修复植物提供其生长所需要的营养元素氮磷钾，菌根菌剂能够和修复植物形成共生菌根，增强其对铅、镉的吸收能力，EDTA-金属螯合物可以降低重金属在土壤中的稳定性，从而增强修复植物对重金属的吸收能力，柠檬酸一方面能够促进修复植物对营养元素的吸收，另一方面使土壤保持酸性，有利于加强修复植物对铅、镉的吸收。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明中所用的幼套球囊霉菌菌剂、巨大芽孢杆菌菌剂以及嗜酸乳酸杆菌菌剂均为市售产品，下述各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
需要说明的是，以下实施例中实验地点为湖南郴州矿区受重金属污染的土壤，土壤中重金属铅镉的本底值如下：铅：568mg/kg；镉：6.44mg/kg。
实施例1
一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，包括如下步骤：
步骤1，制备栽培基质
步骤1.1，按重量份称取以下原料：80份枯叶、80份草炭、30份桦树皮、15份动物粪便、5份蚕沙、1份磷酸二氢钾、6份尿素；
步骤1.2，将步骤1.1中称取的枯叶与动物粪便混合，得到混合料，往混合料中加入与混合料等质量的水，并且在加水的过程中持续搅拌混合料，加水完毕后静置12h，然后往其中加入厌氧发酵菌剂，于60℃发酵12天，发酵完毕后将发酵产物干燥至含水率为2％，然后粉碎，过40目筛，得到有机肥；
步骤1.3，将步骤1.1中称取的草炭、桦树皮、蚕沙、步骤1.2中制备出的有机肥混合后粉碎，过20目筛，然后再往其中加入步骤1.1中称取的磷酸二氢钾以及尿素，混合均匀，即得到栽培基质；
步骤2，打造种植穴
在重金属铅镉污染土壤区开挖种植穴，种植穴呈直线排列，且种植穴的长、宽均为30cm，深为20cm，种植穴之间的间距根据种植模式确定；
步骤3，移栽
步骤3.1，起苗后，将幼苗根部置于稀释倍数为3000倍的哈茨木霉菌菌剂中浸泡10min，浸泡完毕得到预处理幼苗；
其中，幼苗分别为鸢尾幼苗、萱草幼苗以及美人蕉幼苗；
步骤3.2，将预处理幼苗按照种植模式移栽于种植穴中，覆土，当覆土深度达到种植穴深度的1/2时，往种植穴中铺设步骤1中制得的栽培基质，栽培基质铺设量为500g/穴；栽培基质铺设完毕后继续覆土至填满种植穴，然后淋足水分；
其中，种植模式为：每两行萱草幼苗之间套种两行鸢尾幼苗，每两行鸢尾幼苗之间套种一行美人蕉幼苗，萱草幼苗的行距为160cm，株距为15cm，鸢尾幼苗与相邻萱草幼苗之间的行距为30cm，鸢尾幼苗的株距为15cm，美人蕉幼苗与鸢尾幼苗之间的行距为50cm，美人蕉幼苗的株距为25cm，三种幼苗的种植同期进行；
步骤4，施肥：移栽完毕后往幼苗根部土壤内施加有效活菌数为2×108个/g的幼套球囊霉菌菌剂，施加量为20g/株，然后每30天往幼苗根部追加肥料一次，追加量为200g/株，连续追加3次；
其中，肥料由以下重量份数的组分组成：40份的硝酸铵、20份的聚磷酸铵、10份的黄腐酸钾、4份的壳聚糖、3份的EDTA-Fe、1份的柠檬酸、0.5份卵磷脂、0.05份的芸苔素内酯；
步骤5，收割：当植物生长6个月后，整株拔除；
步骤6，重复步骤2-步骤5，继续种植植物对重金属铅镉污染土壤进行生物修复，重复种植4次后，检测到土壤中铅的浓度为86mg/kg、镉浓度为0.12mg/kg，达到土壤质量二级标准，即完成对重金属铅镉污染土壤的修复。
实施例2
实施例2的实施步骤同实施例1，不同之处在于，实施例2中栽培基质由以下重量份的组分制备而成：85份枯叶、70份草炭、25份桦树皮、18份动物粪便、8份蚕沙、0.5份磷酸二氢钾、5份尿素；
步骤4中幼套球囊霉菌菌剂的有效活菌数为1×109个/g；
步骤4中肥料由以下重量份数的组分组成：45份的硝酸铵、15份的聚磷酸铵、15份的黄腐酸钾、1份的壳聚糖、2份的EDTA-Mg、2份的柠檬酸、1份卵磷脂、0.1份的赤霉素。
实施例2重复种植4次后，检测到土壤中铅的浓度为102mg/kg、镉浓度为0.16mg/kg，达到土壤质量二级标准。
实施例3
实施例3的实施步骤同实施例1，不同之处在于，实施例3中栽培基质由以下重量份的组分制备而成：90份枯叶、60份草炭、20份桦树皮、20份动物粪便、10份蚕沙、0.8份磷酸二氢钾、3份尿素；
步骤4中幼套球囊霉菌菌剂的有效活菌数为5×108个/g；
步骤4中肥料由以下重量份数的组分组成：50份的硝酸铵、10份的聚磷酸铵、20份的黄腐酸钾、5份的壳聚糖、1份的EDTA-Zn、3份的柠檬酸、0.5份卵磷脂、0.1份的萘乙酸。
实施例3重复种植4次后，检测到土壤中铅的浓度为92mg/kg、镉浓度为0.18mg/kg，达到土壤质量二级标准。
需要说明的是，步骤1.2中厌氧发酵菌剂为巨大芽孢杆菌菌剂与嗜酸乳酸杆菌菌剂按照2：1的质量比配制而成。
实施例1-3所采用的方法种植出的修复植物均能对土壤中的重金属铅、镉进行很好的吸收，为了说明本发明的效果，分别采用在相同的重金属铅、镉污染土壤上采用常规种植方法种植出的鸢尾作为对比例1，种植的萱草作为对比例2，种植的美人蕉作为对比例3。
需要说明的是，所述常规种植方法具体为：在重金属铅、镉污染土壤中划定三块100m2的区域分别种植鸢尾、萱草以及美人蕉，且三者种植与本发明相同的幼苗，同期移栽，移栽后每30天往幼苗根部追加肥料一次，追加量为200g/株，连续追加3次，其中追加的肥料为N：P2O5：K2O为18：8：12的复合肥。在第一次种植拔除后检测拔除到的修复植物中铅、镉浓度，具体实验结果见表1-5。
表1植物的生物量特征
从表1可以看出，采用本发明实施例1-3的方法种植出的鸢尾、萱草、美人蕉相对于对比例1-3来说，生物量更大，因此其必然会对污染土壤中重金属铅、镉的吸收性能更好。
表2鸢尾吸收铅、镉的量
从表2可以看出，采用本发明实施例1-3的方法种植出的鸢尾相对于对比例1来说，对土壤中的重金属铅、镉的吸收性能更好。
表3萱草吸收的铅、镉的量
从表3可以看出，采用本发明实施例1-3的方法种植出的萱草相对于对比例2来说，对土壤中的重金属铅、镉吸收效果更好。
表4美人蕉吸收铅、镉的量
从表4可以看出，采用本发明实施例1-3的方法种植出的美人蕉相对于对比例3来说，对土壤中的重金属铅、镉的吸收效果更好。
表5第一次修复完毕后土壤中铅、镉浓度
项目 土壤中镉含量(mg/kg) 土壤中铅含量(mg/kg)
实施例1 2.25 340.82
实施例2 2.56 318.65
实施例3 2.38 355.12
对比例1 4.62 435.21
对比例2 4.08 412.6
对比例3 3.62 396.55
从表5可以看出，相对于对比例来说，采用本发明实施例1-3的方法对重金属铅镉污染土壤进行第一次种植修复后，土壤中铅、镉浓度能降到更低水平。这充分说明了本发明的种植方法能够提高鸢尾、萱草、美人蕉对重金属污染土壤中铅、镉的吸收能力，极大的提高了其对铅、镉的吸附量。
实施例1-3均采用本发明的方法重复种植4次后，能将土壤中铅镉浓度降低到满足土壤质量二级标准，即土壤中铅浓度≤300mg/kg，镉浓度≤0.3mg/kg。
需要说明的是，实施例1-3均是在修复植物收获后，沿土面剪取地上部分，在105℃烘干后称取干重，然后用硝酸-高氯酸法消煮，再采用ICP测定铅、镉的浓度。从表1-9可以看出，本发明方法种植出的修复植物对污染土壤中的重金属铅和镉均有很好的吸收效果。
本发明配制栽培基质，并将栽培基质填入种植穴中种植修复植物，为修复植物的生长提供适合种植植物生长的性能良好的底肥，种植出的修复植物的成活率达到100％，远远优于传统的直接在污染土地上播种修复植物的成活率(约为70％)，并且由于在苗期就给修复植物提供了足够多的营养，修复植物生长得更为健壮，更有能力吸收土壤中的重金属铅和镉。
本发明在修复植物移植到被铅、镉污染的土壤中后往根部多次施肥，肥料中所含的硝酸铵、聚磷酸铵、黄腐酸钾能够给修复植物提供其生长所需要的营养元素氮磷钾，同时，黄腐酸钾还能够改良土壤结构，疏松土壤，提高土壤的保肥能力，调节pH值，降低土壤中重金属的含量，减少盐离子对修复植物幼苗的危害；菌根菌剂能够和修复植物形成共生菌根，增强其对铅，镉的吸收能力，EDTA-金属螯合物可以降低重金属在土壤中的稳定性，从而增强修复植物对重金属的吸收能力，柠檬酸一方面能够促进修复植物对营养元素的吸收，另一方面使土壤保持酸性，有利于加强修复植物对铅、镉的吸收；壳聚糖一方面能和柠檬酸协同作用，保持土壤的酸性，另一方面能促进植物细胞分裂，增进修复植物根茎的生长；卵磷脂是一种两性离子表面活性剂，可以降低土壤表面张力，使重金属更利于络合或者被修复植物根系吸收，同时，两性离子表面活性剂的两亲性使之能与植物细胞膜中的亲水和亲脂基团相互作用，从而改变细胞膜的结构和透性，促进植物对重金属的吸收。
单独使用鸢尾、萱草或美人蕉中的任何一种植物修复铅、镉污染土壤时，其修复效果均不如本发明套种法种植出的修复植物，三种植物采取本发明的种植方式可以更好的固定重金属铅、镉，防止其在土壤内迁移，更为重要的是，套种增加了物种多样性，多样性物种使植物结构(植物修复系统)更稳定，从而使三种植物对重金属铅、镉的吸收彼此影响，互相促进，极大的提高了富集率。
植物根系的分泌物能影响根际微生物的数量与结构，其也必定对土壤中重金属的活性或者存在状态产生一定的影响，从而也影响植物对重金属的吸收。可见，植物与植物之间互相作用(直接和间接作用)，会在一定程度上影响植物对重金属的吸收。在实际的修复过程中，较丰富的植物结构有利于植物的生长与生态体系的健康发展。一般来说，套种方式可能会减少富集植物的生长量，但是本发明采取的套种方式能够尽最大量的避免植物生长量的减少，并且植物之间相互促进引起的富集能力的提高能有效的抵消因生长量减少对重金属吸收总量的影响，从而保证良好的修复效果。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例1-3相同，为了防止赘述，本发明的描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备栽培基质
步骤1.1，按重量份称取以下原料：80-90份枯叶、60-80份草炭、20-30份桦树皮、15-20份动物粪便、5-10份蚕沙、0.5-1份磷酸二氢钾、3-6份尿素；
步骤1.2，将步骤1.1中称取的枯叶与动物粪便混合，得到混合料，往混合料中加入与混合料等质量的水，并且在加水的过程中持续搅拌混合料，加水完毕后静置12h，然后往其中加入厌氧发酵菌剂，于60℃发酵12天，发酵完毕后将发酵产物干燥至含水率≤5％，然后粉碎，过40目筛，得到有机肥；
步骤1.3，将步骤1.1中称取的草炭、桦树皮、蚕沙、步骤1.2中制备出的有机肥混合后粉碎，过20目筛，然后再往其中加入步骤1.1中称取的磷酸二氢钾以及尿素，混合均匀，即得到栽培基质；
步骤2，打造种植穴
在重金属铅镉污染土壤区开挖种植穴，种植穴呈直线排列，且种植穴的长、宽均为30cm，深为20cm，种植穴之间的间距根据种植模式确定；
步骤3，移栽
步骤3.1，起苗后，将幼苗根部置于稀释倍数为3000倍的哈茨木霉菌菌剂中浸泡10min，浸泡完毕得到预处理幼苗；
其中，所述幼苗分别为鸢尾幼苗、萱草幼苗以及美人蕉幼苗；
步骤3.2，将预处理幼苗按照种植模式移栽于种植穴中，覆土，当覆土深度达到种植穴深度的1/2时，往种植穴中铺设步骤1中制得的栽培基质，栽培基质铺设量为500g/穴；栽培基质铺设完毕后继续覆土至填满种植穴，然后淋足水分；
其中，所述种植模式为：每两行萱草幼苗之间套种两行鸢尾幼苗，每两行鸢尾幼苗之间套种一行美人蕉幼苗，萱草幼苗的行距为160cm，株距为15cm，鸢尾幼苗与相邻萱草幼苗之间的行距为30cm，鸢尾幼苗的株距为15cm，美人蕉幼苗与鸢尾幼苗之间的行距为50cm，美人蕉幼苗的株距为25cm，三种幼苗的种植同期进行；
步骤4，施肥：移栽完毕后往幼苗根部土壤内施加菌根菌剂，施加量为20g/株，然后每30天往幼苗根部追加肥料一次，追加量为200g/株，连续追加3次；
其中，所述肥料由以下重量份数的组分组成：40-50份的硝酸铵、10-20份的聚磷酸铵、10-20份的黄腐酸钾、1-5份的壳聚糖、1-3份的EDTA-金属螯合物、1-3份的柠檬酸、0.5-1份卵磷脂、0.05-0.1份的生长调节剂；
步骤5，收割：当植物生长6个月后，整株拔除；
步骤6，重复步骤2-步骤5，继续种植植物直至完成对重金属铅镉污染土壤的生物修复。
2.根据权利要求1所述的基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，其特征在于，所述步骤1.2中厌氧发酵菌剂为巨大芽孢杆菌菌剂与嗜酸乳酸杆菌菌剂按照2：1的质量比配制而成。
3.根据权利要求1所述的基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，其特征在于，所述菌根菌剂为幼套球囊霉菌菌剂。
4.根据权利要求1所述的基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，其特征在于，所述菌根菌剂中有效活菌数为≥1×108个/g。
5.根据权利要求1所述的基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，其特征在于，所述EDTA-金属螯合物为EDTA-Fe、EDTA-Mg、EDTA-Zn中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于植物的重金属铅镉污染土壤生物修复方法，其特征在于，所述生长调节剂为芸苔素内酯、赤霉素、萘乙酸中的一种或多种。
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