CN108326022A - 一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法 - Google Patents

一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法 Download PDF

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吴胜春
张进
梁鹏
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Abstract

本发明涉及重金属复合污染土壤的植物修复技术领域，公开了一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，选择需治理的锌镉复合污染土壤作为治理区，伴矿景天与雷竹间作于治理区，雷竹选用移栽的种植方法，雷竹的株行间距为50‑100cm，伴矿景天选用扦插的种植方法，伴矿景天选取地上部7‑8cm部分，伴矿景天的株行间距为15‑20cm。本发明可以实现“边修复，边生产”的锌镉复合污染土壤的植物修复模式，伴矿景天和雷竹的协同作用既可以稳步降低锌镉复合污染土壤中锌、镉含量，又能够在一定程度上增加农作物产量，保证农民具有一定的经济收益。

Description

一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法
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领域，尤其涉及了一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法。
背景技术
当前，土壤重金属污染已经成为一个全球性的环境问题。土壤重金属污染具有滞留时间长、无法通过降解去除等特点，对环境和人类的危害具有长期性、累积性和不可逆性，治理的难度也非同一般。我国人多地少，土地是许多农户赖以生存的最基本的生产资料。因此，在没有其他经济来源的情况下，即便土地遭受了污染，农民仍然会继续进行耕作。目前由于我国农田污染面广，修复基金难以得到保障，污染土壤带“毒”生产有可能在未来一段时间内长期存在。因此，研发具有实用价值的土壤重金属修复技术具有重要的理论意义和现实意义。
土壤的植物修复技术起源于上世纪80年代末，与成本高昂的化学与物理修复技术相比，植物修复技术具有经济、绿色、二次污染风险小的优势，已经逐步成为治理污染土壤的一种新型的修复技术。其主要机理就是利用植物去除、转移、减少、降解污染物载体中的有害污染物。植物修复不仅对土壤中的重金属和有机污染物有修复效果，也对水中的富营养化、大气中的有毒有害气体有一定的修复效果。植物修复技术具体可细分为植物提取、植物固定、植株挥发、植物过滤等。其中，植物提取是最具潜力的植物修复技术。
间作是我国传统农艺措施之一。间作不仅可以提高土地利用率，而且可以增加植物复合群体对光能的利用效率。已有部分国内外学者尝试通过间作进行土壤重金属污染修复，但是对于间作对于植物体内重金属累积的影响结果却不尽相同。例如，Whiting等研究结果发现，与单种相比，Zn超积累植物Thlaspi caerulescens和非超积累植物T.arvense间作后，T.caerulescens的Zn吸取量明显增加，而T.arvense的Zn吸取量却明显降低(S.N.WHITING,J.R.LEAKE,S.P.MCGRATH,et al.Hyperaccumulation ofZnby Thlaspicaerulescens CanAmeliorate Zn Toxicity in the Rhizosphere of CocroppedThlaspi arvense[J].Environmental Science&Technology,2001,35(15):3237-3241)。油菜与镉积累植物印度芥菜间作种植时，油菜地上部的Cd含量显著高于单作条件对照处理(王激清，茹淑华，苏德纯.印度芥菜和油菜互作对各自吸收土壤中难溶态镉的影响[J].环境科学学报，2004，24(5)：890-894)。
发明内容
本发明针对现有技术中单一利用超积累植物存在修复周期较长、农民的经济利益无法保障，而且被认为只适合用于修复轻度污染的农田土壤等缺点，提供了一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，结合当前我国农村经济发展状况和修复基金不足的实际情况，提出以超富集植物伴矿景天与经济作物雷竹间作的植物修复模式，探索能为广大农户所能接受的“边生产、边修复”具有实际应用价值的系统修复方案。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，包括选择需治理的锌镉复合污染土壤作为治理区，伴矿景天与雷竹间作于治理区。
作为优选，雷竹选用移栽的种植方法。
作为优选，雷竹的株行间距为50-100cm。
作为优选，伴矿景天选用扦插的种植方法，伴矿景天选取地上部7-8cm部分。
作为优选，伴矿景天的株行间距为15-20cm。
作为优选，伴矿景天每4-6个月收获一次，伴矿景天收获后，治理区重新施肥，扦插伴矿景天新苗。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
(1)本发明的伴矿景天和雷竹的生物量分别是伴矿景天单作和雷竹单作的生物量的1.5倍以上，因此，本发明的间作对于伴矿景天与雷竹的生长均有利。
(2)本发明可以显著提高伴矿景天和雷竹对土壤中锌、镉的修复效率。与伴矿景天单作相比，本发明可以将锌镉复合污染土壤中的锌、镉含量降低至国家土壤环境质量二级标准(GB15618-1995)的所需时间分别从7.75年和9.83年减少到了4.42和4.75年；与雷竹单作相比，本发明可以将锌镉复合污染土壤中的锌、镉含量降低至国家土壤环境质量二级标准的所需时间分别从9.58年和44.33年减少到了4.42和4.75年。
(3)本发明可以实现“边修复，边生产”的锌镉复合污染土壤的植物修复模式，伴矿景天和雷竹的协同作用既可以稳步降低锌镉复合污染土壤中锌、镉含量，又能够在一定程度上增加农作物产量，保证农民具有一定的经济收益。
附图说明
图1是实施例1和对比例1-2不同处理得到的总生物量。
图2是实施例1和对比例1-2土壤中锌镉浓度随时间的变化情况。
图3是实施例1和对比例1-2土壤中锌镉浓度与植物修复期限的相关性情况。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
治理区位于杭州市富阳市郊区，经纬度分别为119°53′E，29°53′N，属亚热带季风气候，年全年平均气温16.1℃，年平均降雨量为1465mm，夏冬盛行风向分别为东南风和西北风，降水集中于5月和6月。
该治理区东南方向100m处有一处镀锌厂，镀锌厂位于公路旁，路南因靠近小山丘地势略高，厂北为开阔小平原，地势较为平坦，大部分农田种植水稻，并且该治理区长期用镀锌厂排出的污废水灌溉，加之长期大气沉降，造成重金属在治理区中大量积累，因此，该治理区属于重度污染区域，治理区的土壤母质为酸性黏土，该治理区的试验供试土壤为耕层土壤(0-30cm)，其基本理化性质见表1。
表1供试土壤的基本理化性质
实施例1
一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，包括选择需治理的锌镉复合污染土壤作为治理区，伴矿景天与雷竹间作于治理区。
治理区周边有5m隔离带，每个治理区的面积为20m2(10m×2m)。伴矿景天的种植密度是：株行间距15cm×15cm，每列66株，每行13株；雷竹种植密度是：株行间距是50cm×50cm，每列20株，每行4株。雷竹采用移栽的种植方法；伴矿景天采用扦插的种植方法，选取大小均一的伴矿景天，取其地上部7-8cm部分直接扦插于治理区。雷竹于2014年4月22日种植，伴矿景天于2014年4月28日种植，每个治理区施用氮、磷、钾质量百分浓度为15％：15％：15％的氮磷钾复合肥1.5kg，定期浇水和除草。伴矿景天每6个月后收获一次，并重新施肥，扦插新苗。
2014年10月12日采集伴矿景天地上部和雷竹，根据样方计算伴矿景天和雷竹的生物量。
对比例1
治理区周边有5m隔离带，每个治理区的面积为20m2(10m×2m)。伴矿景天的种植密度是：株行间距15cm×15cm，每列66株，每行13株；伴矿景天采用扦插的种植方法，选取大小均一的伴矿景天，取其地上部7-8cm部分直接扦插于治理区。伴矿景天于2014年4月28日种植，每个治理区施用氮、磷、钾质量百分浓度为15％：15％：15％的氮磷钾复合肥1.5kg，定期浇水和除草。伴矿景天每6个月后收获一次，并重新施肥，扦插新苗。
2014年10月12日采集伴矿景天地上部，根据样方计算伴矿景天的生物量。
对比例2
治理区周边有5m隔离带，每个治理区的面积为20m2(10m×2m)。雷竹的种植密度是：株行间距为50cm×50cm，每列20株，每行4株。雷竹采用移栽的种植方法，雷竹于2014年4月22日种植。每个治理区施用氮、磷、钾质量百分浓度为15％：15％：15％的氮磷钾复合肥1.5kg，定期浇水和除草。
2014年10月12日采集雷竹，根据样方计算雷竹的生物量。
实施例2
治理区周边有5m隔离带，每个治理区的面积为20m2(10m×2m)。伴矿景天的种植密度是：株行间距20cm×20cm，每列50株，每行10株；雷竹种植密度是：株行间距是75cm×75cm，每列13株，每行2株。雷竹采用移栽的种植方法；伴矿景天采用扦插的种植方法，选取大小均一的伴矿景天，取其地上部7-8cm部分直接扦插于治理区。雷竹于2014年4月22日种植，伴矿景天于2014年4月28日种植，每个治理区施用氮、磷、钾质量百分浓度为15％：15％：15％的氮磷钾复合肥1.5kg，定期浇水和除草。伴矿景天每4个月后收获一次，并重新施肥，扦插新苗。
实施例3
治理区周边有5m隔离带，每个治理区的面积为20m2(10m×2m)。伴矿景天的种植密度是：株行间距18cm×15cm，每列55株，每行13株；雷竹种植密度是：株行间距是100cm×100cm，每列10株，每行2株。雷竹采用移栽的种植方法；伴矿景天采用扦插的种植方法，选取大小均一的伴矿景天，取其地上部7-8cm部分直接扦插于治理区。雷竹于2014年4月22日种植，伴矿景天于2014年4月28日种植，每个治理区施用氮、磷、钾质量百分浓度为15％：15％：15％的氮磷钾复合肥1.5kg，定期浇水和除草。伴矿景天每5个月后收获一次，并重新施肥，扦插新苗。
实施例4
分别于2014年7月12日(第一年夏)、2014年10月22日(第一年秋)、2015年1月22日(第一年冬)，2015年4月24日(第二年春)，2015年7月10日(第二年夏)，2015年10月20日(第二年秋)和2016年1月22日(第二年冬)采集土壤样品和植物样品。
土壤采集方法为按照梅花型布点用专业采样器采集耕作层土壤(采集深度为20cm)，混合为1.0kg左右土样。采集的土壤样品带回实验室自然风干。将干燥后的部分土壤样品用研钵磨细土壤过120目尼龙筛，置于自封袋中备用。
植物样品(伴矿景天和雷竹)的采集：每个治理区收获1m×1m随机样方内所有伴矿景天植株；每个治理区随机采集带根雷竹3株，带回实验室后先用自来水冲洗干净，再用去离子水清洗3遍后晾干，置于牛皮纸袋中，105℃杀青半小时后，70℃烘干至恒重。然后分成地上和地下部分分别称重，再用植物粉碎机粉碎后混匀备用。
实施例1和对比例2中雷竹的高度分别为3.84m和3.53m。如图1所示，雷竹的生物量分别为6555.56kg/亩和4328.40kg/亩，两者呈现显著性差异(图1中同种植物标注不同字母，表示不同种植方式得到的生物量差异显著(P＜0.05))，实施例1中的雷竹生物量是对比例2的1.51倍；实施例1和对比例1中伴矿景天的生物量分别为10056kg/亩和6617kg/亩，两者具有显著性差异，实施例1中的伴矿景天生物量是对比例1的1.52倍。由此可知，雷竹和伴矿景天间作的生物量比其单作的生物量增加，间作对于伴矿景天与雷竹的生长均有利。
土壤的锌镉采用HClO4-HNO3消解，电感耦合等离子体发射光谱仪测定锌镉含量，分析过程中加入标准土壤样品(GSS-18)进行质量控制，重金属测定的准确度均在允许范围内(80％-120％)。
由图2可知，实施例1和对比例1-2的治理区未修复前的土壤中重金属锌、镉的平均含量分别为2083mg·kg-1、11.49mg·kg-1，超过了国家三级标准，属于重度污染。与未修复前相比，实施例1和对比例1-2对土壤中锌、镉的修复效率分别为26.93％、12.74％、10.81％和29.08％、13.39％、3.65％，实施例1的修复效率明显高于对比例1-2。因此，雷竹和伴矿景天间作处理具有“边生产、边修复”的可行性。
由表2可知，随着种植时间的增加，伴矿景天的地上部锌镉含量逐渐增加，且伴矿景天地上部锌镉的增加量呈现出夏秋季节大于春冬两季的趋势，从第一次收获到最后一次收获，实施例1的伴矿景天地上部的锌镉含量最多可以增加583.30mg·kg-1、47.71mg·kg-1，与治理区土壤中的锌镉减少量基本相吻合。
表2实施例1和对比例1的伴矿景天中锌镉含量在不同时间的变化
注：表中数据为平均值±标准差(n＝3)，同列不同字母表示不同时间收获的锌镉含量差异显著(P＜0.05)。
由表3可知，随着种植年限的增加，雷竹中的锌镉含量也呈现显著增长的趋势。最后一次收获的实施例1的雷竹中的锌镉含量分别最高可以达到125.41mg·kg-1和2.85mg·kg-1，其中锌没有超过国家三级标准(300mg·kg-1)。
表3实施例1和对比例2的雷竹中锌镉含量在不同时间的变化
注：表中数据为平均值±标准差(n＝3)。同列不同字母表示不同时间收获的锌镉含量差异显著(P＜0.05)。
本发明每次实际采样测定土壤中的锌、镉浓度与根据植物地上部锌、镉吸收量计算的土壤锌、镉含量结果非常接近，故本发明可以拟合直线方程预测土壤中锌、镉浓度变化趋势，推算土壤锌、镉浓度降至目标浓度所需要的时间。
如图3所示，对实施例1和对比例1-2的治理区土壤的锌、镉含量时间序列变化进行回归分析，发现土壤中锌、镉含量变化趋势总体上呈线性关系。将实施例1和对比例1-2治理区土壤中锌(Zn)浓度从2105.92mg·kg-1、2060.91mg·kg-1、2083.19mg·kg-1降低至国家土壤质量二级标准(GB15618-1995，300mg·kg-1)，所需时间分别为4.42年、7.75年、9.58年，将实施例1和对比例1-2治理区土壤中镉(Cd)浓度从11.99mg·kg-1、10mg·kg-1、11.53mg·kg-1降低至国家土壤质量二级标准(GB15618-1995，0.3mg·kg-1)，所需时间分别为4.75年、9.83年、44.33年。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于：选择需治理的锌镉复合污染土壤作为治理区，伴矿景天与雷竹间作于治理区。
2.根据权利要求1所述的一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于：雷竹选用移栽的种植方法。
3.根据权利要求2所述的一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于：雷竹的株行间距为50-100cm。
4.根据权利要求1所述的一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于：伴矿景天选用扦插的种植方法，伴矿景天选取地上部7-8cm部分。
5.根据权利要求4所述的一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于：伴矿景天的株行间距为15-20cm。
6.根据权利要求4所述的一种锌镉复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于：伴矿景天每4-6个月收获一次，伴矿景天收获后，治理区重新施肥，种植伴矿景天新苗。
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