CN104858226A - 一种利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，本发明涉及治理污染环境的植物稳定生态修复技术，该方法是将三角梅种植于重金属污染环境主要是土壤，它不但能够正常生长没有任何受毒害现象，其生物量也没有减少，而重金属主要富集于植物根部，植物体内转运系数较低，具备适用于植物稳定修复技术植物的特征。采用本发明植物进行污染土壤修复，在治理污染土壤和地下水的同时又美化环境。

Description

一种利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法

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三角梅花卉植物修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

随着我国工农业生产的迅速发展以及城镇化水平的不断提高，土壤环境污染日趋严重。据多方面数据资料显示，重金属已成为土壤环境污染的罪魁祸首。由于土壤重金属污染具有多源性、隐蔽性、积蓄性、不可逆性和污染后果的严重性等特点，土壤重金属污染被环境学界比喻为“化学定时炸弹”。土壤中重金属来源广泛，而矿业活动是环境中重金属的最主要来源。我国金属矿区众多,开采历史较长,矿区土壤重金属污染较严重[文献1:周涛发,殷汉琴,张鑫,等.2005.铜陵矿区土壤中铅的存在形态及生物有效性.合肥工业大学学报(自然科学版),28(9):1146-1150；文献2:张慧智,刘云国,黄宝荣,等.2004.铜矿尾渣污染土壤上植物受重金属污染状况调查.生态学杂志,23(1):111-113]，对其进行修复治理已迫在眉睫。

经过近年来的不断探索发展，用于治理土壤重金属污染的修复技术主要有物理修复、化学修复和生物修复,但是物理和化学修复技术投资昂贵，对土壤性质、土层结构以及生物多样性破坏较大，对大面积的污染土壤不宜使用。因植物修复能克服以上缺点而成为一项新兴的污染环境治理技术。

植物修复技术是由美国科学家Chaney于1983年提出来的,是指利用植物转移、容纳或转化环境介质中有毒有害污染物，使其对环境无害，使污染环境得到修复与治理。由于植物修复是真正意义上的“绿色修复技术”，此后成为国内外污染环境治理技术方面的研究热点。在20世纪50～70年代美国、英国都先后设立了植物修复公司，如美国的Edenspace公司，专门从事土壤、水体中重金属及放射性元素的植物修复商业化工作。目前，植物修复技术的市场以每年翻一番的速度迅速发展。在我国,植物修复的研究已列入国家863计划,我国学者在锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、砷(As)等重金属植物修复治理方面的研究已取得较大进展。

植物修复较明显的优势是以阳光为能源，以植物为载体，利用植物的新陈代谢活动来提取、挥发、降解、固定污染物质，修复工艺简单，易操作，能耗和成本较低。Cunningham对利用各种技术治理一块4.86hm²铅污染土地的成本进行了估测比较(美元)：挖掘填埋法，1200万；化学淋洗法，6300万；客土法，60万；植物提取法，仅为20万[文献3:Cunningham SD and Berti WR.2000.Phyto-remediation and phyto-stabiliation:technical,economical and regulatoryconsiderations of the soil-lead issue.In:Terry N,Banuelos G.eds.Phytoremediationof Contaminated Soil and water.New York:CRC Press]。此外，植物修复还具有美学价值和经济价值，适用于大面积的污染治理。目前植物修复技术应用范围相当广泛，不仅可以去除土壤、水体、空气中的污染物，还可以保养或改善土壤结构、肥力和生物多样性，有利于土壤生态***的保持。

由于污染物的理化性质和环境行为不同，加之植物新陈代谢各异，污染物植物修复的作用机理也不尽相同，但总体上可以分为六种类型：植物提取、植物挥发、植物降解、植物稳定、植物根际降解和根际过滤[文献4:Cunningham SD,Ow DW.1996.Promises and prospects of phytoremediation.Plant Physiology,110(3):715-719；文献5:Flathman PE,Lanza GR.1998.Phytoremediation current views onan emerging green technology.Journal of Soil Contamination,7(6):415-432]。而主要用于采矿及废弃矿区、冶炼厂污染土壤等重金属污染现场复垦的是植物稳定技术。对于废弃重金属污染场地，原位固定污染物是上策，可以降低风险，减少异地污染。

植物稳定修复是利用耐受性植物来固定污染土壤中的重金属,通过植物的根部吸收并积累以及在其根区的沉淀来达到降低重金属迁移能力、生物可利用性及生物毒性的目的。适合于该方法的植物必须能够忍耐、固定高浓度的重金属,并且重金属在这种植物体内的运输能力很差,从而减少处理地上部分有毒废物的必要性[文献6:王艳杰,傅桦.2004.晚近10年来土壤重金属污染植物修复研究.首都师范大学学报(自然科学版),(81):141-145]。研究表明，在实际应用当中,这类植物完全可以作为矿区废弃地植被恢复的先锋种。因此筛选具备利用植物稳定技术修复重金属污染特征的植物就显得尤为重要。

国外在该领域研究起步较早,成果较多，例如英国科学家在废矿区种植耐重金属植物，不仅稳定了矿山废物，而且还建立了良好的植被，同时筛选出三种植物用于重金属污染土壤的修复，并已开始商业化应用，即Agrostis tenuis(Goginan)修复酸性Pb/Zn废矿，Agrostis tenuis(Parys)修复Cu废矿，Festucarubra(Merlin)修复石灰性的Pb/Zn废矿(Smith and Bradshaw,1979)。相比而言,我国在这方面的研究起步较晚，特别是对于Cd废矿的植物修复研究相对较少。利用植物稳定技术修复矿区废弃地除固定重金属外，还可以增加矿区植被覆盖,有效解决矿山废物由于缺少植被覆盖侵蚀作用加剧的难题,从而有效遏制周边土壤污染加剧,对于金属矿区废弃地及废矿堆的生态恢复、矿区重度污染土壤的修复具有重要的现实意义和较强的可操作性[文献8:周涛发,李湘凌,袁峰,等.2008.金属矿区土壤重金属污染的植物修复研究现状.地质评论,54(4):515-522]。近年来，根据很多学者的研究发现,有将近200种植物能够在不同类型的尾矿库上自然定居生长。其中比较有代表性的植物有香根草、宽叶香蒲、节节草、白茅及禾本科与茄科植物[文献7:魏勃,刘康怀,覃羽雯,等.2006.矿区重金属污染土壤的植物修复.内蒙古环境保护,18(2):21-24]。

如果在花卉植物中也存在对重金属耐性较强植株，将其作为先锋物种治理矿区污染，即在固定矿区重金属修复污染的同时又具备观赏价值，对当地经济发展及环境保护都具有深远意义。但是在这方面，对花卉植物的研究报道较少。

我国在世界上享有“世界园林母国”、“世界花卉宝库”之美誉，是世界花卉原产地最丰富的国家之一，花卉栽培有2000多年的历史，有丰富的种质资源。全球观赏植物共约3万种，我国占2/3，其中较常见的6000多种，我国占1/3。闻名全球的山茶花、杜鹃花、月季、牡丹、桂花、报春花等大多以中国为资源分布中心。

在环境治理方面，人们早已发现花卉的应用潜力。许多花卉对一些特定的有害气体十分敏感，因此可将其作为大气污染的检测器。例如对二氧化硫敏感的花卉有紫苜蓿、牵牛花、百日草、紫菀、美人蕉、矢车菊、彩叶草、非洲菊、三色堇等。对二氧化碳敏感的花卉有紫菀、秋海棠、美人蕉、矢车菊、彩叶草等。对二氧化氮敏感的花卉有矮牵牛、杜鹃、荷兰鸢尾、扶桑等。对氟化氢敏感的花卉有唐菖蒲、美人蕉、仙客来、萱草、风信子等。可作为氯气检测器的花卉有百日草、蔷薇、郁金香、秋海棠、枫叶等。在水污染治理方面花卉也有其应用：黄菖蒲，根系有极佳的重金属吸收作用；黑藻，净化水的效果极佳；美人蕉，根系对重金属有较强的吸收作用；三白草，其根系对重金属有较强的吸收能力[文献9:张颖,朱向涛,邢依琳.2011.杭州地区水生花卉在生态治污中的应用.技术,(24):30-31]。近年来，以花卉作为土壤污染的植物修复研究在国内已见报道，彭胜巍发现紫茉莉、牵牛花、凤仙花可用于修复石油污染土壤。但是对于花卉植物修复重金属污染土壤的研究主要集中在超富集植物，生长周期短，需增加成本处理地上部有害植物部分，不适宜作为先锋物种用于矿区废弃地重金属的植物稳定技术。

以花卉植物为筛选用于植物稳定修复技术的植物对象是有根据可言的：⑴从世界范围来看，花卉资源相当丰富、潜力巨大，这就使筛选工作有了坚实的基础；⑵现已有大量花卉应用于污染环境的治理中，使得筛选工作有了一定的理论基础；⑶人类在长期的农业生产中，积累了丰富的花卉栽培与耕作、品种选育与改良及病虫害防治经验，再加上化学强化措施等手段的不断深入，使得花卉植物对于污染土壤修复在实践应用中有了技术保障。另外花卉类植物除具备一般植物的特点外，还有以下优势：⑴能够在修复土壤污染的同时具有观赏价值，增加当地的经济效益；⑵花卉属观赏性植物，不会进入食物链，可减少对人体的危害；⑶花卉对人类健康也有着一定的作用如刺激感官、味觉；由此可见，从花卉中筛选修复植物是完全可行的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用价格低廉的花卉植物、操作性强、不破坏土壤理化性质，同时又美化环境的修复镉污染土壤的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，在含污染物镉的土壤上种植三角梅，在室外栽培，春秋两季每天浇水一次，夏季每天早晚各浇水一次，使土壤含水量保持在田间持水量的35％-55％，温度保持不低于3℃，日光照时间不低于8个小时。

利用三角梅根部可超量吸收重金属镉并使其稳定于根部，将土壤中的镉固定实现污染土壤的修复。

三角梅将重金属镉主要吸收并富集于根部，其根-茎-叶对重金属镉吸收量逐渐减少。

本发明中，直接将三角梅苗种植在含污染物镉的土壤上。

本发明中，所述的含污染物镉的土壤为矿区废弃地。

本发明具有的优点：

本发明采用适用于植物稳定技术的花卉植物修复镉污染土壤，其操作性强、费用低、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染，同时具有美化环境的作用。实验证明花卉植物三角梅是一种对重金属具有较强耐性的植物，本发明利用三角梅根部对镉金属的超量吸收固定作用，通过在镉污染土壤上种植这种植物，能够在稳定污染土壤及不引起地下水污染的同时美化环境。

附图说明

图1为本发明对照不投加Cd、Cd投加浓度50mg·kg^-1、Cd投加浓度100mg·kg^-1时三角梅生长对比图。

图中：CK：不投加Cd；T1：投加浓度50mg·kg^-1Cd；T2：投加浓度100mg·kg^-1Cd。

具体实施方式

盆栽浓度梯度实验：

盆栽实验地点在南开大学泰达学院温室内，该场地在天津经济开发区，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区，属暖温带半湿润大陆季风型气候，年平均气温约为14℃，年平均降水量在360-970毫米之间。盆栽试验土壤采自塘沽森林公园表层土壤。

本实验共设了3个处理，分别为对照组不投加Cd(CK)，Cd投加浓度：50mg·kg^-1(T1),100mg·kg^-1(T2)。实验投加的Cd形态为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂。取一定量土壤，将其风干并过4mm筛后，装入型号一致的花盆中，每盆中装土量相同，并分别与想要达到各处理浓度所用的CdCl₂·2.5H₂O粉末充分混合拌匀，平衡两周待用。三角梅幼苗购自福建漳州，地茎1cm，高约10cm。选择长势相同的三角梅幼苗分别栽入各处理的盆中，每盆各栽3棵苗，重复3次。每日根据盆缺水情况，不定量浇自来水，生长3个月后收获植株。将盆栽实验所获的植物样分根、茎和叶三部分，先后用自来水及去离子水冲洗干净，沥去水分，于105℃下杀青20min，之后在70℃下烘至恒重，称量干重后粉碎。土壤样品风干后经研磨并过100目筛。植物及土壤样品均采用HNO₃-HClO₄法消解，二者体积比为3：1，原子吸收分光光度计测定其中的重金属Cd含量。

实验结果：

表1不同Cd处理下三角梅各部植物干重

分组	根(g)	茎(g)	叶(g)
				CK	1.25	6.1	4.2
T1	2.58	8.04	6.7
				T2	3.12	8.17	6.98

直至收获时，三角梅的生长情况良好，各处理从外表看无受害现象，参见图1。说明三角梅的长势并没有受Cd投加浓度变化的影响。与对照组相比，处理组的长势更好，叶片数量更多，枝条长度更长，到生长后期，这种差异更明显，对照组叶片逐渐变黄掉落，而处理组仍生长茂盛，有许多新叶长出。

随着污染物浓度的增加，与对照组相比，三角梅各部分的植物样都呈升高趋势，参见表1。这与图1长势的观察是一致的。实验表明当土壤中重金属Cd的浓度达到100mg·kg^-1时，植株的长势及各部植物干重与对照相比都不但没有减少反而有所增加，这一现象的机理目前还不十分清楚，有待进一步研究，但可以肯定的是三角梅对重金属污染物Cd具有很强的耐性，因而具有修复Cd污染土壤的潜力。

表2盆栽实验条件下三角梅对Cd的积累特征

	根/mg·kg-1	茎/mg·kg-1	叶/mg·kg-1	转移系数
					CK	15.08	13.06	13.47	0.88
T1	318.23	22.60	26.69	0.08
					T2	530.97	27.95	35.19	0.06

由表2可以看出，三角梅根、茎、叶中的Cd含量随重金属Cd投加浓度的升高而增加，而根部Cd增加幅度较大，当Cd投加浓度为100mg·kg^-1时，根部的富集浓度已是对照组的35倍。方差分析(P〈0.05)结果显示，Cd浓度对根、茎、叶中富集的Cd含量影响效果显著。随着Cd投加浓度的增加，植物对重金属的转移系数呈下降趋势，说明重金属Cd主要富集于植物的根部，使之较少影响到地上部茎叶的光合作用功能及生长，从而使植物对重金属Cd环境更具耐性。

由以上实验结果可初步推断，三角梅根系对重金属Cd具有极强的抗性和积累特性，已经基本符合适用于植物稳定修复技术植物的标准。

在含污染物镉的土壤上种植三角梅，该含污染物镉的土壤可为矿区废弃地。在室外栽培，春秋两季每天浇水一次，夏季每天早晚各浇水一次，使土壤含水量保持在田间持水量的35％-55％，温度保持不低于3℃，日光照时间不低于8个小时。温度低于3℃时，应采取覆膜或遮盖等方法保持温度。

应当明确的是，上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：在含污染物镉的土壤上种植三角梅，在室外栽培，春秋两季每天浇水一次，夏季每天早晚各浇水一次，使土壤含水量保持在田间持水量的35％-55％，温度保持不低于3℃，日光照时间不低于8个小时。

2.根据权利要求1所述利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：利用三角梅根部可超量吸收重金属镉并使其稳定于根部，将土壤中的镉固定实现污染土壤的修复。

3.根据权利要求1所述利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：三角梅将重金属镉主要吸收并富集于根部，其根-茎-叶对重金属镉吸收量逐渐减少。

4.根据权利要求1所述利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：直接将三角梅苗种植在含污染物镉的土壤上。

5.根据权利要求1或4所述利用三角梅花卉植物修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：所述的含污染物镉的土壤为矿区废弃地。