CN101941018A - 一种利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重金属污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法。本发明通过在镉污染土壤上(包括湿地)种植一种红苋(国家农作物种质保存中心保藏，品种名称：J589193)，通过该红苋根系大量吸收污染土壤中的镉，并将其转移至植株地上部，当植物长到营养生长末期或者地上部生物量最大时，将植物地上部分从污染土壤上移走并妥善处理，通过反复种植该植物和重复上述过程，从而实现连续提取、去除土壤中镉的目的。本发明利用富集植物红苋修复治理镉污染土壤，具有效率高、费用低、操作性强、易于推广应用、不破坏土壤结构、不引起二次污染等优点，而且在污染场地的水土流失防治和景观美化上具有良好的效果。

Description

一种利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法

【技术领域】

本发明属于重金属污染环境的植物修复技术领域，具体涉及一种具有对重金属镉具有耐性并高效吸收、富集的植物及其在镉污染土壤上的应用方法。

【背景技术】

重金属污染是土壤污染的主要形式和最突出的问题之一，严重威胁到农作物产量、品质及食物链安全。其污染主要来源于采矿、冶炼、电镀、化工、废物焚化处理等行业排放的废水、废气、废渣，以及汽车尾气排放、农药和化肥的施用等。据报道，目前我国受镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)等重金属污染的耕地面积近2000万hm²，约占总耕地面积的1/5。据国家环保部组织调查显示，珠三角、长三角、环渤海这些经济先发展起来的地区，都出现严重的土壤重金属污染问题。在众重金属污染物中，由于镉的相对活性高，毒性大，其污染问题尤为突出。镉主要是通过农作物吸收蓄积并沿食物链进入人体，可引起嗅觉缺失、肺气肿、心力衰竭、骨质疏松、脑血管梗塞、蛋白尿症及各类癌症疾病的发生(文献1：Lalor GC.Review of cadmium transfer from soil to humans and itshealth effects in the Jamaican environment.Science of The Total Environment，2008，400(1-3)：162-172)。我国镉污染农田不仅面积大，而且部分地区污染严重，农产品超过国家食品卫生标准几倍以上。例如，沈阳张土灌区2533hm²的农田因污水灌溉遭受镉污染，其中严重污染面积(所产稻米的Cd含量≥1.0mg·kg^-1)占13％；江西大余县有44％的耕地受到污染，并形成670hm²的“镉米”区；广东珠海叶菜类蔬菜镉污染超标高达20余倍；其他诸如浙江富阳、广西南宁、河南郑州、上海沙川灌区、湖南衡阳等地亦存在严重的镉污染问题(文献2：顾继光，周启星，王新.土壤重金属污染的治理途径及其研究进展.应用基础与工程科学学报，2003，11(2)：143-151；文献3：唐世荣.污染环境植物修复的原理和方法.北京：科学出版社，2006)。土壤重金属污染已严重危及居民身体健康，治理任务刻不容缓。

土壤重金属污染治理方法很多，主要包括各种物理、化学、生物修复技术及相关的联合修复技术。传统的物理、化学治理方法，主要包括客土法、动电修复法、化学淋洗法等，这些方法各具优点，但也存在着投资大、能耗高、易造成二次污染等问题，在治理小范围污染土壤中的作用较大，但是对于大面积、中轻度污染农田来说，操作困难，难以推广应用。新发展起来的生物修复技术，特别是植物修复技术，因具有高效、经济和生态协调性等优点，有望成为解决重金属污染问题的新途径。植物修复技术是指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤中有毒有害物质的技术方法。作为一种绿色的土壤原位修复技术，已成为国际环境学术领域研究的热点，并引起各国政府和企业界的高度关注，在美国等一些发达国家，土壤重金属植物修复技术也已经商业化(文献4：Ute K.Phytoremediation：novel approaches to cleaning up polluted soils.Current Opinion inBiotechnology，2005，16：133-144)。在我国，也有一定的示范与应用，但离商业化和大面积的应用还比较遥远。

开展重金属污染土壤的植物修复技术，关键是寻找富集/超富集植物，目前取得了一定的进展，先后发现了蜈蚣草、印度芥菜、东南景天等超富集植物。然而，目前发现的一些富集/超富集植物存在诸如种类匮乏、生物量小、生长缓慢、不易栽培及专性强等问题，实际使用中操作困难，难于大面积推广应用(文献5：周东美，郝秀珍，薛艳等.污染土壤的修复技术研究进展.生态环境，2004，13(2)：234-24)。对于重金属镉来说，发现的超富集植物更是相当有限，而且有我国自主知识产权的更是欠缺。因此，寻找富集/超富集植物是解决重金属污染土壤植物修复技术的关键。

【发明内容】

本发明提供一种利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法。

本发明利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法，在镉污染土壤中(包括湿地)种植红苋，品种名称为J589193，实现去除土壤中过量镉的目的。

在镉污染土壤上种植红苋，通过红苋根系大量吸收土壤中的镉，并将其转移至植株地上部，当植物长到1米以上或开花初期时，将植株整体移除，再多次反复种植该红苋并重复上述操作，实现去除土壤中污染物镉，使土壤中的镉含量达到环境安全标准。

在镉污染土壤中(包括湿地)种植红苋，种植方式为直播或者移栽，并根据土壤肥力等情况，适时施肥、浇水，使红苋正常生长。

在镉污染土壤上种植红苋，通过红苋根系大量吸收污染土壤中的镉，并将其转移至植株地上部，当植物长到地上部生物量最大或开花初期时，将植物地上部分从污染土壤上移走并妥善处理，通过反复种植该植物和重复上述过程，从而实现连续提取、去除土壤中污染物镉、以及美化污染场地环境的目的。所述红苋是重金属镉富集植物。

为了更好的利用红苋修复镉污染土壤，根据待修复或美化的污染场地土壤肥力情况，施用促进红苋生长的氮、磷、钾肥，种植的红苋可以直播，也可以采取先育苗后移栽的方式，每亩种子用量500g，移栽株行距20×40cm，待植株长到开花初期时，可收割移除。

本发明提供的对重金属镉具有耐性强并大量吸收的植物红苋，现保藏于国家农作物种质保存中心，品种名称为J589193。

本发明的优点和积极效果：

本发明与传统的重金属污染土壤治理方法相比，具有成本低、易操作、效率高、无二次污染、技术要求不高等优点。该红苋生物量大，对镉的吸收富集量大，富集系数高。而且，该红苋具有很好的观赏价值，被用于污染土壤的原位修复，在治理修复重金属镉污染土壤的同时，起到美化受损污染场地的作用。应用该红苋修复镉污染土壤，可以取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。

该红苋属野生类植物，抗性强，易栽培，便于推广应用。从4.5mg Cd/kg土的污染土壤中，叶片含量达到117.34mg/kg，茎部含量达到89.52mg/kg，地上部Cd含量达到99.46mg/kg，非常接近镉超富集植物的临界含量标准，即地上部镉含量大于100mg/kg。每年种植一茬，预计地上部每亩干重超过800kg/亩，每茬可从土壤提取约80g的镉，相当于移除耕作层土壤(深度20cm)0.4mg镉/kg干土。在南方每年可种植两茬，效果会更加显著。该红苋适用于大面积的中低度镉污染农田(包括湿地)和土壤污染废弃地的修复治理。

【附图说明】

图1是实施例1中的红苋在上述不同浓度Cd处理下地上部和地下部生物量的变化

【具体实施方式】

实施例1：水培条件下红苋对镉的吸收

实验方法：本实验在农业部环境保护科研监测所人工气候室开展。植物种子经1％次氯酸钠溶液浸泡10min并用无菌水充分冲洗后，用35℃温水烫种，自然冷却后浸种8h，播撒于用高温高压灭菌后的珍珠岩与蛭石的混合(1∶1)基质上，再撒一层细蛭石覆盖种子，于人工气候室内(温度为25℃，光照时间为16h)进行萌发。每天加去离子水培养，3叶期后，改用1/4Hoagland培养液(Hoagland and Arnon，1938)浇灌。培养液浇灌一周后，选取大小一致的健康幼苗，转入水培装置中进行培养。水培装置为容积1L的玻璃杯(Φ10*11cm)，用锡纸包裹，其上盖泡沫板，板正中打一Φ2cm的孔，用以放置植株，植株基部用海绵包裹起固定作用，大孔旁边打一小孔，通入通气软管持续曝气。植株移入后，先用1/2Hoagland营养液培养3天，再用全培养液培养，每天调节pH至6.5，每3天更换一次营养液。培养2周后，营养液加Cd处理，设4个Cd(CdCl₂)水平(0、0.5、1.0、4.0mg/L)，3次重复，每天定时加去离子水保持水位，测定pH值并用0.1mol/L的NaOH或HCl调至6.5。培养液每3天更换一次，连续培养14天后收获。将植株按根、茎、叶分别收获，每部分先用自来水反复冲洗干净，再用去离子水冲洗，滤去水分，用牛皮纸做的样品袋装好，置于烘箱中，先在105℃条件下杀青1小时，然后在75℃下烘干至恒重。称量干重后粉碎备用。植物样品用微波消解法消解后，用原子吸收分光光度计测定消煮液Cd含量。

实验结果：图1给出了红苋在上述不同浓度Cd处理下地上部和地下部生物量的变化。方差分析显示，与对照(不施加Cd)相比，Cd在0.5mg/L处理下，地上部地下部的生物量没有显著下降，显示出较强的耐性；在更高Cd处理浓度下，生物量显著下降。结果表明，红苋对Cd有一定的耐性，但是当镉污染过高时，红苋的生长会受到抑制。

红苋对Cd的吸收情况见表1，在Cd 0.5mg/L条件下，叶片的Cd积累浓度就达到140mg/kg，茎含量达到56.23mg/kg，地上部Cd浓度达到116.18mg/kg，达到了公认的镉超富集植物临界含量标准(Cd 100mg/kg)。在Cd最高处理浓度下(4.0mg/L)条件下，茎叶Cd浓度均超过400mg/kg，地上部Cd含量达到426mg/kg。在各浓度处理下，红苋对Cd的转移系数(地上部与根部Cd含量的比值)在0.7左右。这些结果显示出红苋对Cd具有较大的吸收富集能力。

表1水培条件下红苋对Cd的富集特征

注：数值为平均值±标准差

实施例2：土培条件下红苋对Cd的富集特征

实验方法：本实验在农业部环境保护科研监测所玻璃温室开展。用镉污染土壤进行盆栽实验，土壤pH值6.6，全量镉为4.5mg/kg。土壤风干、过筛，充分混和。装盆，每盆装土5kg，施加尿素、磷酸二氢铵和硫酸钾，使N、P、K分别达到150、100、150mg/kg。种子经1％次氯酸钠溶液消毒10min后，洗净，用35℃温水烫种，自然冷却后浸种8h。每盆播种8粒左右，出苗后间苗，每盆留2株，定期浇水管理，待植株生长2月后进行收割。按植株根、茎、叶子、分别收获，每部分先用自来水反复冲洗干净，再用去离子水冲洗，滤去水分，用牛皮纸做的样品袋装好，置于烘箱中，于105℃条件下杀青1小时，然后在75℃下烘干至恒重。称量干重后粉碎备用。植物样品用微波消解法消解后，用原子吸收分光光度计测定消煮液Cd含量。

实验结果：见表2，在土壤镉浓度仅为4.5mg/kg情况下，红苋吸收了大量的镉，叶片含量达到117.34mg/kg，茎89.52mg/kg。该籽粒苋按株行距20×40cm种植，预计地上部每亩干重超过800kg/亩，每茬可从土壤提取约80g的镉，相当于使耕作层土壤(深度20cm)镉下降0.4mg/kg，在南方每年可种植两茬，效果更加显著。

表2土培条件下红苋生物量及其对Cd的富集特征

注：数值为平均值±标准差

Claims (3)

1.一种利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植红苋，品种名称为J589193，实现去除土壤中过量镉的目的。

2.按照权利要求1所述的利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植红苋，通过红苋根系大量吸收土壤中的镉，并将其转移至植株地上部，当植物长到1米以上或开花初期时，将植株整体移除，再多次反复种植该红苋并重复上述操作，实现去除土壤中污染物镉，使土壤中的镉含量达到环境安全标准。

3.按照权利要求1所述的利用观赏植物红苋修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中种植红苋，种植方式为直播或者移栽，并根据土壤肥力等情况，适时施肥、浇水，使红苋正常生长。

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