专利名称：一种提高砷污染土壤植物修复效率的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及污染生态恢复技术，具体涉及砷污染土壤植物修复的方法。
背景技术：
由于地质成因或者砷矿开采、冶炼加工等工业生产活动产生大面积被砷污染的土壤。砷污染不仅造成作物产量下降，严重情况下造成农田废弃，而且土壤中的砷可能通过食物链或者水体进入人体，从而危及家畜和居民身体健康，甚至引发居民群体中毒等恶性事件。在砷污染严重地区(高砷区)，由于植物生长困难，自然景观和生态平衡都遭到不同程度的破坏，一些村落出现荒废现象，其损失难以估量。因此，砷污染土壤的治理与修复成为生态环境工作者的重要工作内容之一。
长时间以来砷污染土壤的治理一直具有特殊的困难。砷的化学行为近于金属，不能被降解。一旦进入土体就只能中土壤粘粒固定，或者迁移、扩散至地下水体，或着通过植物吸收进入食物链。通过施加一定化学物质可能降低土壤中砷的有效性，但并不能从根本上消除砷的潜在危害。
自2001年科学家发现一种特殊的植物以后，人们终于看到了从根本上修复砷污染土壤的希望。这种植物便是蕨类植物蜈蚣草。它不仅对砷具有超强的吸收富集能力，而且生物量大，对环境适应能力强，因而可能通过其吸收作用提取出土壤中过量的砷，达到净化土壤的目的。实验室和野外试验均表明蜈蚣草具有高效修复砷污染土壤的潜力。
然而，应用蜈蚣草修复砷污染土壤也有一些不可避免的局限性。首先，蜈蚣草是蕨类植物，前期生长速度较慢；其次，土壤中过高的砷浓度会抑制蜈蚣草生长；再者，在土壤贫瘠或者复合污染的情况下，蜈蚣草的生长往往因金属毒害或不能获取足够的必需矿质养分而受到限制。
众所周知，丛枝菌根真菌可以通过多种方式或途径影响植物的生理代谢和生长发育过程。许多研究表明丛枝菌根在植物矿质营养(尤其磷营养)与逆境生理(如抗旱、抗盐、抗重金属、抗病等)中起着举足轻重的作用。在资源和环境问题日益严峻的背景下，菌根技术作为一条有效可行的生物学途径，能够发掘生物的自身潜力，提高植物对自然资源的利用能力，从而降低能耗，减轻环境所承受的压力，因而有着广阔的应用前景。
另一方面，我们的野外调查表明，砷及重金属污染地带上自然生长的蜈蚣草通常形成发达的菌根结构(见附图1)。菌根共生体的建立可能对于蜈蚣草适应污染环境具有特殊的意义。通过模拟试验证明，接种菌根真菌能够进一步提高蜈蚣草对砷的耐性。在养分贫瘠并有其它金属复合污染的情况下，菌根显著改善了蜈蚣草矿质营养并促进了植株生长。因此，引入菌根真菌对于砷污染土壤植物修复的成功，加速修复过程具有积极作用。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提出结合应用菌根技术和蜈蚣草修复砷污染土壤。
本发明的目的在于辅助砷超富集植物蜈蚣草适应砷污染特殊生存环境，提高蜈蚣草对贫瘠土壤和复合污染的抗性和获取必需矿质养分的能力，扩大蜈蚣草适用范围，促进蜈蚣草生长，从而加速砷污染土壤植物修复过程，最终达到恢复土地生产力和地区景观和谐、生态平衡与可持续发展的长远目标。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种提高砷污染土壤修复效率的方法，其对蕨类植物接种丛枝菌根真菌，使其菌根化。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其包括以下步骤(1)采集原始蕨类植物材料，获得蕨类植物孢子，培植蕨类植物幼苗；(2)对蕨类植物进行菌根化；(3)将成株幼苗移栽至砷污染土壤。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述第(1)步，包括a.在夏秋季自砷污染地区采集原始蕨类植物材料，获得蕨类植物孢子；b.将无污染土壤与蛭石混合得到培养基质，将基质灭菌处理后，混施基肥，装入盆钵或育苗盘，按基质重18～20％浇水，待水分渗透均匀后，在基质表层撒播蕨类植物孢子；c.然后，均匀覆盖上一层细砂，以保鲜膜对盆钵或育苗盘进行封口或覆盖，在保鲜膜上扎孔；
d.在能够控制温度和光照的培养室或温室中进行培养，培养过程中称重，维持水分含量18～20％；e.培养过程中观察蕨类植物孢子萌发及幼苗生长情况，经2～3月培养，可获得备用蕨类植物幼苗，苗高至2～3厘米；f.将获得的蕨类植物幼苗在室内进行分植培养，即取出幼苗分成单株，分栽至育苗钵或穴盘中，使苗高至5～8厘米。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述第(2)步菌根化蕨类植物，是在蕨类植物育苗时进行，包括a.自菌根真菌菌剂生产提供单位获得接种剂；b.在蕨类植物孢子培养幼苗时，向灭菌后培养基质中混入基肥的同时混入接种剂；c.或者分栽培养蕨类植物幼苗时，再施入接种剂。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述第(3)步在将蕨类植物成株幼苗移栽入砷污染地区时，在苗穴施入接种剂。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述蕨类植物，为蜈蚣草。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述培养基质是无污染土壤与蛭石按1∶1混合，经10KGy辐照灭菌或者121℃高压蒸汽灭菌2小时。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述基肥，为N，200mg kg-1，P，50mg kg-1；K，150mg kg-1，及其它微量元素适量。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述细砂，过0.9～1.1mm筛，覆盖厚度≤1mm。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述在保鲜膜上扎孔，孔径不超过2mm，每平方分米5～8个孔。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述在培养室或温室中进行培养，温度白天25℃/夜间16℃，光照14～16小时，光照强度550mE.m-2.s-1PAR，波段400～700nm。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述在苗穴施入接种剂，为每穴/株施入20～25克。
所述的砷污染土壤修复效率的方法，其所述丛枝菌根真菌，有积极接种效果的菌种包括Glomus mosseae(中国农业大学分离，欧洲菌种保藏中心编号BEG167)、Glomus intraradices(欧洲菌种保藏中心编号BEG141)和Glomus caledonium(中国科学院南京土壤研究所，编号90036)。
本发明试验表明砷污染情况下接种丛枝菌根真菌能够显著改善蜈蚣草的矿质营养(尤其磷营养)状况，促进植株生长并增加对砷的吸收量，从而加速砷污染土壤植物修复过程，最终达到恢复土地生产力和地区景观和谐、生态平衡与可持续发展的长远目标。
图1为野外采集的蜈蚣草样品根中形成发达的菌根结构；图2为在不同施砷水平下接种丛枝菌根真菌Glomus mosseae均促进了蜈蚣草生长，上图为试验照片；下图为相应试验数据图。
具体实施例方式
在砷与其它金属复合污染的情况下，蜈蚣草的生长对于丛枝菌根具有很高的依赖性。接种处理有助于蜈蚣草的存活并显著改善生长。
在应用蜈蚣草修复砷污染土壤时，引入丛枝菌根真菌(直接施加适当丛枝菌根真菌接种剂，或者应用菌根化苗)辅助植物适应复杂的污染生存环境、获取必需矿质养分，从而提高植物个体成活率，促进植物生长，加快植物修复过程。
菌根化蜈蚣草可以在前期育苗时对穴盘施入菌根真菌接种剂而实现，或者田间栽植蜈蚣草时辅以施用菌根真菌接种剂。
菌根真菌接种剂可以是任何形式的商业化接种剂，经验证明具有积极接种效果的菌种包括Glomus mosseae、Glomus caledonium和Glomusintraradices等本发明中基本材料的制备一、超积累植物蜈蚣草幼苗的获取(1)在夏秋季自砷污染地区(如湖南省石门县雄黄矿区)采集原始蜈蚣草材料，获得蜈蚣草孢子。在室温、通风、干燥条件下保藏孢子。
(2)土壤(无污染)与蛭石按1∶1比例混合得到培养基质。将基质灭菌处理(10KGy辐照灭菌或者121℃高压蒸汽灭菌2小时，杀灭病原菌)后，混施基肥(N，200mg kg-1，P，50mg kg-1；K，150mg kg-1。亦可同时施入其它微量元素适量)，装入盆钵或育苗盘，按基质重20％浇水。待水分渗透均匀后，在基质表层撒播蜈蚣草孢子。然后，均匀覆盖上一层细砂(过1mm筛，覆盖厚度不超过1mm)，以家庭用保鲜膜对盆钵或育苗盘进行封口或覆盖以保湿、增温，促进蜈蚣草孢子萌发。为保障供应孢子萌发及后期幼苗生长所需空气，同时方便浇水，用小钉子等工具在保鲜膜上扎孔若干(孔径不超过2mm，每平方分米5至8个孔)。
(3)在能够控制温度和光照的培养室或温室中进行培养(温度白天25℃/夜间16℃，光照时间早6点至晚10点，光照强度550mE.m-2.s-1PAR，波段400-700nm)。培养过程中每周1-2次称重，维持水分含量20％(可通过保鲜膜上小孔补充水分)。
(4)在培养过程中注意观察孢子萌发及幼苗生长情况。一般3周可见长出绿色配子体(似绿藻)。再经2-3月培养，即可获得备用蜈蚣草幼苗(苗高2-3厘米为宜)。
(5)如果准备将蜈蚣草直接移栽到田间，需要将前述方法获得的幼苗预先在室内进行分植培养，即取出幼苗分成单株，分栽至育苗钵或穴盘中。培养基质及培养条件同上所述。代苗高至5-8厘米，即可移栽。
二、对蜈蚣草接种丛枝菌根真菌a)自菌根真菌菌剂生产提供单位(如中国农业科学院，或国外相关单位如欧洲菌种保藏中心)获得接种剂。一般接种剂为控制条件下培养的菌根植物的根际土(或其它基质)，其中含有植物根段、真菌孢子和菌丝体。
b)菌根化蜈蚣草可以通过育苗时在培养基质中施入菌根真菌接种剂实现，接种剂量一般为生长基质总量的5％。具体施入方法与时期为，由蜈蚣草孢子培养幼苗时，向灭菌后培养基质中混入基肥的同时混入接种剂；在分栽培养蜈蚣草幼苗时施入接种剂；在将蜈蚣草幼苗移栽入田间时，在苗穴施入接种剂(每穴/株施入20克接种剂)。菌根化效果以分栽培养蜈蚣草幼苗时接种为佳。
c)原始接种剂可以在温室条件下进行扩繁，可以前述培养蜈蚣草幼苗的基质(必需灭菌处理)接种处理(施入5％原始菌根真菌接种剂)培养宿主植物(如苜蓿，玉米等)。培养2至3个月后收获根际土即为新的菌根真菌接种剂。
d)经验证具有积极接种效果的菌种包括Glomus mosseae(中国农业大学分离，欧洲菌种保藏中心编号BEG167)、Glomusintraradices(欧洲菌种保藏中心编号BEG141)和Glomuscaledonium(中国科学院南京土壤研究所，编号90036)等实施例菌根真菌Glomus mosseae(Nicol.& Gerd)Gerdmann & Trappe以玉米为宿主扩繁，以含有寄主植物根段、菌根真菌孢子及根外菌丝的根际土为接种剂。蜈蚣草(Pteris vittata L.)孢子经预培养获得供移栽的幼苗。
砷污染土采自湖南省郴州市。基本理化性状pH(1∶2.5水浸提)，8.03；有机质含量，5.25％；速效磷(Olsen-P)，15.3mg kg-1；总砷含量，74.3mg kg-1；土壤过2mm筛，辐照灭菌(10KGy)。
采用有机玻璃加工成的方形盒作为培养容器。每盆装土1.5Kg。在背景砷浓度之外，试验另设两个砷施加浓度100mg kg-1和300mg kg-1。在每个砷浓度下对蜈蚣草均设接种和相应对照处理。接种处理每盆接种剂量40g，对照处理施加等量经灭菌处理的接种剂，各处理重复4次。每盆移栽蜈蚣草幼苗1株。
试验在生态环境研究中心温室(自动控温25℃)进行，培养期间采用称重方法控制水分含量。
培养经过3个月，可以观察到在三个砷浓度下接种处理均明显促进了蜈蚣草生长(参见附图2)。
权利要求
1.一种提高砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，对蕨类植物接种丛枝菌根真菌，使其菌根化。
2.如权利要求1所述的砷污染土壤修复效率的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)采集原始蕨类植物材料，获得蕨类植物孢子，培植蕨类植物幼苗；(2)对蕨类植物进行菌根化；(3)将成株幼苗移栽至砷污染土壤。
3.如权利要求2所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述第(1)步，包括a.在夏秋季自砷污染地区采集原始蕨类植物材料，获得蕨类植物孢子；b.将无污染土壤与蛭石混合得到培养基质，将基质灭菌处理后，混施基肥，装入盆钵或育苗盘，按基质重18～20％浇水，待水分渗透均匀后，在基质表层撒播蕨类植物孢子；c.然后，均匀覆盖上一层细砂，以保鲜膜对盆钵或育苗盘进行封口或覆盖，在保鲜膜上扎孔；d.在能够控制温度和光照的培养室或温室中进行培养，培养过程中称重，维持水分含量18～20％；e.培养过程中观察蕨类植物孢子萌发及幼苗生长情况，经2～3月培养，可获得备用蕨类植物幼苗，苗高至2～3厘米；f.将获得的蕨类植物幼苗在室内进行分植培养，即取出幼苗分成单株，分栽至育苗钵或穴盘中，使苗高至5～8厘米。
4.如权利要求2所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述第(2)步菌根化蕨类植物，是在蕨类植物育苗时进行，包括a.自菌根真菌菌剂生产提供单位获得接种剂；b.在蕨类植物孢子培养幼苗时，向灭菌后培养基质中混入基肥的同时混入接种剂；c.或者分栽培养蕨类植物幼苗时，再施入接种剂。
5.如权利要求2所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述第(3)步在将蕨类植物成株幼苗移栽入砷污染地区时，在苗穴施入接种剂。
6.如权利要求3所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述蕨类植物，为蜈蚣草。
7.如权利要求3所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述培养基质是无污染土壤与蛭石按1∶1混合，经10KGy辐照灭菌或者121℃高压蒸汽灭菌2小时。
8.如权利要求3所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述基肥，为N，200mg kg-1，P，50mg kg-1；K，150mg kg-1，及其它微量元素适量。
9.如权利要求3所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述细砂，过0.9～1.1mm筛，覆盖厚度≤1mm。
10.如权利要求3所述的砷污染土壤修复效率的方法，其特征在于，所述在保鲜膜上扎孔，孔径不超过2mm，每平方分米5～8个孔。
11.如权利要求3所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述在培养室或温室中进行培养，温度白天25℃/夜间16℃，光照14～16小时，光照强度550mE.m-2.s-1PAR，波段400～700nm。
12.如权利要求5所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述在苗穴施入接种剂，为每穴/株施入20～25克。
13.如权利要求1所述的砷污染土壤植物修复效率的方法，其特征在于，所述丛枝菌根真菌，有积极接种效果的菌种包括Glomus mosseae(中国农业大学分离，欧洲菌种保藏中心编号BEG167)、Glomusintraradices(欧洲菌种保藏中心编号BEG141)和Glomus caledonium(中国科学院南京土壤研究所，编号90036)。
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域，涉及污染生态恢复技术，具体涉及砷污染土壤植物修复的方法。该方法是对蕨类植物蜈蚣草接种丛枝菌根真菌，使其菌根化。包括以下步骤(1)采集原始蕨类植物材料，获得蕨类植物孢子，培植植物幼苗；(2)对蕨类植物进行菌根化；(3)将成株幼苗移栽至砷污染土壤。本发明能辅助砷超富集植物蜈蚣草适应砷污染特殊环境，提高蜈蚣草对贫瘠土壤和复合污染的抗性以及获取必需矿质养分的能力，促进蜈蚣草生长，从而加速砷污染土壤植物修复过程，最终达到恢复土地生产力和地区景观和谐、生态平衡与可持续发展的长远目标。
文档编号A01G7/00GK1633834SQ20031012340
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月26日 优先权日2003年12月26日
发明者陈保冬, 李晓林, 刘于, 朱永官 申请人:中国科学院生态环境研究中心, 中国农业大学