专利名称：：一种利用观赏植物缨绒花修复镉污染土壤的方法
技术领域：
：本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用超富集观赏植物缨绒花修复镉污染土壤的方法。
背景技术：
：土壤中的镉污染已成为一个日益严重的环境问题。我国土壤环境中的镉污染主要来源于工矿企业排放的废水、废气和废渣，以及污水灌溉、污泥农用等农业生产活动。据2001年农业部对全国24个省巿320个重点污染区548万ha农田进行的调查表明，全国污染区大田类产品中污染物超标面积占污染区农田总面积的20%。其中，重金属是土壤与农产品中的主要污染物，占污染物超标农产品总面积和总产量的80%,而Cd污染农产品超标面积达27.86万ha，其中严重污染面积占10%以上[文献1:中国社会科学院环境与发展研究中心.中国环境与发展评论:第l卷[M].北京:社会科学文献出版社,2001:32.]。由此可见，我国土壤镉污染不仅面积大，而且污染程度较重，严重威胁到我国的食品和生态安全，治理任务已刻不容缓。目前可用于治理土壤重金属污染的技术很多，主要包括各种物理化学治理技术和生物修复技术。其中，物理化学治理技术主要是指一类基于机械物理和化学原理的工程技术，常见的有客土法、固化法、化学淋洗法等。这些物理化学治理技术各有其优点，在治理小范围环境污染以及处理严重突发污染事故中作用较大，但是一般存在着技术难度大、花费高、工程量大以及易造成二次污染等问题，很难在面积大、程度轻的环境污染治理中推广应用。在生物修复技术中，常用于治理环境重金属污染的方法主要是植物修复技术。植物修复(Phytoremediation)是指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤中的有毒有害污染物[文献2:王晓飞.花井植物在污染土壤修复中的资源潜力分析.硕士论文，沈阳:中科院沈阳应用生态研究所,2005.]。作为一种新兴的原位绿色修复技术，植物修复具有费用低廉、不破坏环境、易于为人们所接受等优点，已经成为环境科学领域的研究与应用热点，并引起学术界、政府和企业界的高度重视。在植物修复技术中，作为其核心技术之一的植物提取修复技术(Phytoextraction)，即利用超富集植物(Hyperaccumulator)去吸收去除土壤中过量的重金属，被认为是最有发展前景的植物修复技术。在欧美以及我国，大多数获得成功的示范性植物修复项目都是运用了植物提取修复技术[文献4:Jo@eL,Jose民RosaGParsonsJGPhytoremediationofheavymetalsandstudyofthemetalcoordinationbyX-rayabsorptionspectroscopy.CoordinationChemistryReviews,2005,249:1797-1810;文献5:陈同斌，张斌才，黄泽春,等.超富集植物蜈蚣草在中国的地理分布及其生境特征.地理研究,2005，24:825-833.]。在植物提取修复技术的研究和实践中，筛选出能够超量累积重金属的超富集植物是开展工作的必要前提和基础。然而，迄今为止，在已发现的400-500种超富集植物中，镉超富集植物种类很少，而具有我国自主知识产权的镉超富集植物就更少；而已筛选出的镉超富集植物大多数是野生品种，地域适应性差，生长慢且地上部生物量小，加之在农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生理学方面的研究不完备，严重影响其在实际修复的应用[文献6:UteK.Phytoremediation:novelapproachestocleaninguppollutedsoils.CurrentOpinioninBiotechnology,2005,16:133-141.]。因此，寻找更多更为理想的超富集植物仍然是当前植物提取修复研究的一项重要任务。观赏植物是人类利用历史悠久的一大植物类群，包含40万个以上的栽培品种，种质资源极其丰富，而我国是世界上拥有观赏植物种类最为丰富的国度之一[文献7:郭维明,毛龙生,观赏园艺概论[M].北京:中国农业出版社，2001.]。在观赏植物中筛i!M富集植物并用于修复研究和实践具有以下优点(1)观赏植物种质资源丰富，既有草本也有木本植物，为筛选工作奠定了坚实的基础；(2)能够在进行治理污染同时美化环境，一举两得；(3)观赏植物一般不会进入食物链，可减少对人体的危害；(4)很多观赏植物都有一定的经济价值，修复后植物材料可以作为原材料，以提高修复产出，降低修复成本；(5)人类在长期的农业生产中，积累了丰富的观赏植物栽培管理经验，使得观赏植物的修复实践有了充分的农业技术保障[文献8:刘家女,周启星,孙挺，等.花丼植物应用于污染土壤修复的可行性研究.应用生态学报,2006,18:1617-1623.]。因此，从观赏植物中筛i^M富集植物并4用于修复实践是完全可行的。
发明内容本发明的目的是提供一种利用超富集观赏植物缨绒花(五m龜y"謂^)修复镉污染土壤的方法，解决现有技术中存在着技术难度大、花费高、工程量大以及易造成二次污染等问题，不破坏土壤的理化性质，且可以在治理污染土壤的同时美化环境，可以在大面积环境污染治理中推广应用。为实现上述目的，本发明的技术方案为在镉污染土壤上种植缨绒花，由缨绒花根系从污染土壤大量吸收镉并向地上部转移，收获植株并将其妥善处理，然后再种植第二茬缨绒花，重复上述操作，就可持续吸收去除土壤中过量的镉，经过若干修复周期就可以达到清除土壤中的镉污染的目的。本发明的具体实施步骤如下(1)将株高6-10cm或含4片展开真叶的缨绒花幼苗移载到镉污染土壤中；(2)在镉污染土壤中种植的缨绒花釆用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70-80%;(3)当缨绒花长至开花或成熟期时，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬缨绒花，重复上述操作，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。收获的缨绒花可以作为观赏花卉(商品)进行出售，在获得经济效益的同时,自动获得对生物量的处理(千家万户可以把使用过的花卉扔到各自的垃圾箱，随着垃圾的处理，就解决了生物量的处理)。因此，大规模栽培，意味着大规模修复,同时也意味着通过商品交换取得更大的经济效益。当然，如果不考虑成本，可以进行集中处理，或者卫生填埋，或者进行资源化加工处理，回收其中的镉，可以避免二次污染。本发明首次把缨绒花确定为重金属镉超积累或超富集植物，所釆用的缨绒花(五m/fe^"ra"^)为一年生草本花丼，具有较好的观赏价值。其植物分类学特征如下菊科一点红属植物。株高40—60cm。根系浅，侧根多。茎直立或近直立，秃净或被疏毛，粉绿色，分技多。叶稍肉质，基部和下部叶柄具狭翅，叶片披针状矩圆形；上部叶柄有阔翅，抱茎；叶面灰绿色，叶背常为紫红色。头状花序，花径l.O-Ocm,单生或簇生于技端呈伞房状，小花红色，管状，全为两性。果实为痩果，狭矩圆形，有棱，冠毛白色。种子细小，披针形，浅褐色，表面有纵条紋。用种子繁殖。缨绒花对土壤要求不严格，耐旱耐贫瘠；实验中发现，撒落在地上的种子在合适的温、湿度条件中可自行萌发生长，是一种适应性较强的花卉。研究表明，缨绒花是一种镉超富集植物，对土壤中的镉具有很强的忍耐、吸收和累积能力。本发明的有益效果是(1)本发明通过种植镉超富集植物缨绒花来修复镉污染土壤。该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点；而且作为一种绿色原位修复技术，所收获植株进行集中处理，不会造成二次污染，同时修复进程不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善因重金属污染而引起的土壤退化和生产力下降，恢复并提高其生物多样性。(2)另外，作为一种观赏植物，种植缨绒花在修复环境镉污染的同时，可以起到美化环境的作用，具有良好的生态效益。图1为实施例2中在不同镉处理浓度下对缨绒花干生物量的检测图。图2为实施例2中在不同镉处理浓度下缨绒花地上部镉提取量和提取率的示意图。具体实施方式实施例1本实验于2006年进行。实验地点设在中国科学院沈阳生态站内，该站地处下辽河平原的中心地带，距沈阳巿区约35km，属暖温带半湿润大陆性气候。盆栽试验土壤釆自该站无污染区表土(0-20cm),土壤类型为草甸棕壤，其tt理化性质为pH值6.60,有机质重量含量1.55%,总Cd含量0.22mg/kg,总As含量10.40mg/kg。实验共设3个处理，分别为CK(对照，不投加重金属)、CdlOmg/kg、Cd10mg/kg+As100mg/kg,每个处理重复3次。实验投加的Cd为分析纯的CdCl2'2.51120,As为分析纯的Na2HAs04.7H20。将供试土壤风干过4讓筛后，以固体形式拌入镉和砷，充分混勾后装入塑料盆(0=20cm,//=15cm)中，每盆装土2.5kg，平衡2个月待用。同时进行花丼育苗，将土壤、河沙、蛭石按照7:2:l的重量比例混匀装入穴盘中，点播缨绒花种子，保持土壤湿润。40-50天后，苗高6-10cm，含4片真叶，选取长势一致的苗移入处理盆中，每盆2棵。根据土壤水分丰缺状况，不定期浇水(水中未检出Cd),使土壤含水量经常保持在田间持水量的70-80%左右。植物生长60天后收获植株。将收获的植物样品分为根、茎、叶和籽实4部分,分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，在85'C杀青1小时。之后，在65'C下烘干至衡重，称量干重后粉碎备用。植物样品釆用HN03-HC104法消化(二者体积比为3:1)，原子吸收分光光度计测定样品中的Cd含量。实验结果如下参见表l可知，在不同污染处理下，缨绒花各部位的镉含量相对大小不同，但是叶片中的镉含量始终最高。无论是在清洁土壤中，还是镉单一污染或镉砷复合污染条件下，缨绒花地上部Cd含量均高于根部，即转移系数大于l;而且其地上部富集系数也大于1,这表明缨绒花对镉有较强的富集转运能力，已具备了镉超富集植物的特征，只是由于土壤中镉含量较低，其体内镉浓度并没有达到临界含量标准(Cdl00mg/kg)，有待进一步实验验证。表1不同污染处理下缨绒花对镉的累积特征处理镉含量(mg/kg)地上部富集系数转移系数籽实叶茎冲艮地上部CK2.182.821.160.891.87—2.10Cd24.8574.5827.3923.5543.124.311.83Cd+As21.0532.0516.6123.5123.942.401.02实施例2本实验于2007年进行。实验地点设在中国科学院沈阳应用生态研究所的网室内，该场地在沈阳巿中心，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区。盆栽试验土壤釆自中国科学院沈阳生态站内无污染区的表层土壤(0-20cm),其M理化性质与实施例l相同。本实验共设8个处理，投加的Cd浓度(mg/kg)分别为O(对照，未投加)、12、24、36、48、72、96和150，每个处理重复3次。实验投加的Cd为分析纯的CdCl22.5H20。将供试土壤风干过4mm筛后，以固体形式拌入镉，充分混勻后装入塑料盆(0=2Ocm,H=15cm)中，每盆装土2.5kg,平衡2个月待用。同时进行花卉育苗，步骤与实施例l相同。40-50天后，苗高6-10cm,含4片真7的苗移入处理盆中，每盆2棵。每日根据盆中土壤水分状况，浇入适量自来水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的70-80%左右。植物生长60天后收获植株，样品处理同实施例l。实验结果如下图1给出了在不同浓度的Cd处理下缨绒花的地上部和根部生物量。方差分析表明，与对照(CdO)相比，在Cd投加浓度为12、24mg/kg的处理中，缨绒花地上部生物量均未显著下降，表现出较强的耐性。但当Cd污染浓度进一步升高时，即镉处理浓度>36mg/kg时，地上部和根部生物量显著下降(尸<0.05),这表明，缨绒花对中低水平的镉污染耐性较强，但当镉污染非常严重时，其生长将会受到抑制。参见表2可知，在所有的镉处理中，缨绒花地上部镉富集系数(地上部和土壤中镉含量的比值)和转移系数(地上部与根部镉含量的比值)始终大于1,即地上部镉含量始终高于土壤中和根部的镉含量，具备了典型的镉超富集植物特征。当镉处理浓度为24mg/kg时，缨绒花地上部镉含量达到了公认的镉超富集植物临界含量标准(Cd100mg/kg)，为106.75mg/kg。随着土壤中镉投加浓度的增加，缨绒花地上部和根部的镉含量逐步升高，在Cdl50mg/kg的处理中，地上部和根部Cd含量达到了最高值，分别为404.23、289.00mg/kg，但其富集系数和转移系数也很低了。表2不同镉处理浓度下缨绒花对镉的累积特征<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上述实验结果表明，在土壤中镉投加浓度为24mg/kg时，缨绒花地上部Cd含量达到了镉超富集植物的临界含量标准，而且地上部Cd含量始终高于根部Cd含量，同时对镉污染表现出较强的耐性，完全具备了Cd超富集植物的特征，是一种镉超富集植物。缨绒花对镉有很强的耐性、吸收、积累和富集能力，这些特征使得它在修复土壤镉污染上有很大的应用潜力。图2给出了不同浓度的Cd处理下缨绒花地上部对Cd的提取量和提取效率。虽然随着Cd处理浓度上升，缨绒花地上部镉含量逐步升高，但是由于其干生物量同时急剧降低，因此地上部Cd提取量(镉含量与干生物量的乘积)并未随处理浓度增加而增加，而是在镉处理浓度为24mg/kg时达到最大值1361ng/盆，随后逐渐下降。而地上部Cd提取效率(地上部镉提取量与土壤中总镉量的比值)则随Cd处理浓度升高迅速降低。因此，从修复效果上来看，缨绒花比较适^f条复中低水平(Cd污染水平《24mg/kg)的镉污染土壤。9权利要求1.一种利用观赏植物缨绒花修复镉污染土壤的方法，其特征在于在镉污染土壤中种植植物，当植物生长至开花或成熟期时将植物整体移除，从而去除土壤中过量镉，所述植物为缨绒花。2.按权利要求1所述的利用观赏植物缨绒花修复镉污染土壤的方法，其特征在于所述种植植物是将高6-10cm或含4片展开真叶的缨绒花幼苗移载到镉污染土壤中。3.按权利要求1所述的利用观赏植物缨绒花修复镉污染土壤的方法，其特征在于在镉污染土壤中种植的缨绒花釆用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70-80%。4.按权利要求1所述的利用观赏植物缨绒花修复镉污染土壤的方法，其特征在于在镉污染土壤中种植缨绒花，缨绒花从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当缨绒花长至开花或成熟期时，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬缨绒花，重复上述操作，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。全文摘要本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用超积累/超富集观赏植物缨绒花(Emiliajavanica)修复镉污染土壤的方法。本发明利用镉超富集植物缨绒花根系大量吸收、富集污染土壤中的镉，并向上转运到地上部，当植株生长到开花或成熟期时将植物整体移除并妥善处理，从而从土壤中吸除大量的镉；通过反复种植该种植物，重复上述过程，就可以连续提取污染土壤中过量的镉，直到其镉含量达到环境安全标准。该方法具有工程量小，不破坏土壤的理化性质，无二次污染，且可以在治理污染同时美化环境等优点。文档编号B09C1/00GK101456028SQ20071015892公开日2009年6月17日申请日期2007年12月14日优先权日2007年12月14日发明者睿刘,周启星,林王申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所