专利名称：利用棉花萃取土壤中重金属的方法
技术领域：
本发明涉及一种治理环境污染技术，特别是涉及一种利用棉花
(Gossypium hirsutum Linn.)萃耳又土壤中重金属Zn、 Cu和Cr的方法。
背景技术：
鉴于土壤重金属污染的普遍性和严重性， 一些发达国家已纷纷制定相应 的土壤修复计划。美国联邦政府制定了土壤和地下水修复计划，准备投资数 百亿到上千亿美元。1994年美国发起并成立了 "全球土壤修复网络(Global Soil Remediation Net-work),，。
传统的重金属污染土壤治理主要采用土壤固化、玻璃化、淋滤法、洗土 法、客土法、电化学法等物理或化学方法等。这些方法存在着以下缺点(1) 成本高， 一公项的重金属污染土地往往高达数千万美圆，而且难以大规模使 用；(2)破坏土壤生态环境，导致土壤结构丧失、土壤生物活性下降和土壤肥 力退化，往往需要进行二次处理；(3)二次污染，运用物理、化学方法对重金 属污染土壤修复的过程往往又会造成对土壤的再次污染。
因此，从80年代开始，发达国家就非常关注植物修复技术研究，植物修 复(phytoremediation )是一种新兴的重金属污染原位(in situ)绿色寸务复 技术，作为其核心技术之一的植物提取技术(phytoextraction),已发展成 为环境科学领域的研究与应用热点，并引起政府、学术界和企业界的高度重视。到目前为止，北美从事环境生物修复技术开发研究的机构和公司已增长
到两百多个。2000年，美国植物修复市场销售达l亿美元。
发明人发现从当前国内外植物提取技术研究与实践进展来看，尚存在以
下问题(l)可供选择的能富集重金属Zn、 Cu和Cr的植物品种较少，特别是 能同时富集两种以上金属的植物极少；(2)被推荐优先使用的超富集植物 (hyperaccumulator )，普遍生物量偏低，重金属的总体去除效率较低，同时 还存在异地气候适应、缺乏经济效益等问题；(3)污染土壤中重金属生物有效 性(bioavailability)有待提高；(4)从应用来看，发达国家的植物修复技术 部分已投入实际应用，并获得了较好的环境、经济和社会效益，而我国尚处 于起步阶段，相关技术还处于实验室或中试阶段，缺乏推广性和普适性，并 且现在尚未有利用非食用性经济作物棉花来同时连续萃取土壤中多种超标重 金属的方法。
发明内容
本发明实施方式提供一种利用棉花萃取土壤中重金属的方法，通过种植 的可富集重金属的棉花，对土壤中多种超标的重金属进行连续萃取，使土壤 的重金属含量达到安全标准，达到治理土壤重金属污染的目的。
本发明实施方式的目的是通过以下技术方案实现的
本发明实施方式提供一种利用棉花萃取土壤中重金属的方法，该方法包
括
切断待修复土地区域的重金属含量超标土壤的重金属元素污染源； 调节控制所述待修复土地区域土壤的pH值在6 ~ 7. 5之间； 选择棉花作为萃取植物种植在所述待修复土地区域的土壤中；通过种植后的棉花的生长发育对该土地区域土壤中的多种重金属进行萃 取，通过一期或连续多期种植、收割棉花，直到检测土壤中重金属的含量达 到安全标准。
所述切断待修复土地区域的重金属含量超标土壤的重金属元素污染源包
括
停止利用污水对所述待修复土地区域的土壤进行灌溉和/或停止对所述待 修复土地区域施用重金属含量超标的农药或肥料。
所迷调节控制所述土地区域土壤的pH值在6 ~ 7. 5之间包括在所述待修 复土地区域土壤上施用酸性肥料或碱性肥料或石灰调节控制该土壤的pH值在 弱酸性至中性之间。
所述通过一期或连续多期种植、收割棉花包括以一年为周期，在棉花 釆摘完成后对当年种植的棉花进行收割一次，或连续多年中，以一年为周 期，每年在棉花采摘完成后对当年种植的棉花进行收割 一次。
所述连续多期为3 30期。
所述多种重金属包括锌、铜和铬。
所述选择的棉花包括 一年生草本锦葵科植物，花期为7 8月，果期为 IO月的陆地棉。
由上述本发明实施方式提供的技术方案可以看出，本发明实施方式通过 先切断待修复土地区域土壤的重金属元素污染源，及调节该土壤的pH值为6 ~ 7. 5后，通过一期或多期种植棉花对土壤中的重金属进行连续萃取，达到该土 地土壤中的重金属污染。该方法简单、可操作性强、易于推广，成本低，且 得到的棉花植物作物的各部分均可使用，其经济、社会效益大。可以从根本上消除重金属对土壤健康、食品安全与人群健康的危害，该方法不破坏土壤 生态环境，有效避免二次污染的发生。
具体实施例方式
本发明实施方式针对目前土壤中重金属锌(Zn)、铜(Cu)和铬(Cr) 污染严重的问题，提供一种利用棉花萃取土壤中重金属的方法，持续提取并 活化土壤中的锌、铜和铬，同时向上运输和转运到达棉花植株的各个部位， 待棉花成熟后，收割棉花和棉花植抹，持续转移土壤中大量积累的锌、铜和 铬，从而经过一定的提取周期清洁土壤中锌、铜和铬的超量积累，具体是通 过先切断待修复土地区域的重金属Zn、 Cu和Cr含量超标土壤的重金属元素污 染源，并调节控制该土地区域土壤的pH值在6 7. 5之间；将选择的棉花作为 萃取植物种植在所述土地区域的土壤中；通过种植后的棉花对该土地区域土 壤中的重金属Zn、 Cu和Cr进行萃取，通过一期或连续多期种植、收割棉花植 抹，直到检测土壤中重金属的含量达到安全标准为止。即在所治理的土地区 域土壤中种植棉花以一年为周期进行一次收割，并对该土壤中重金属Zn、 Cu 和Cr的含量进行检测，若达不到安全标准，则连续几年进行棉花的种植、收 割，通过棉花的生长、发育连续对土壤中的重金属元素进行萃取，直到土壤 中的重金属Zn、 Cu和Cr含量达到安全标准为止。
为便于理解，下面通过具体实施例作进一步说明。
实施例一
本实施例提供一种利用棉花萃取土壤中重金属的方法，具体是对土壤中 所含有的重金属Zn、 Cu和Cr进行萃取，具体包括下述步骤切断待修复土地区域(一般为农田灌溉区)重金属Zn、 Cu和Cr超标土:t裏 的重金属元素污染源，即通过停止利用污水对待修复土地区域的土壤进行农 田灌溉或停止对该土地区域的土壤施用重金属含量超标的农药等；
控制该土壤的pH值在6 ~ 7. 5之间，具体可以通过施用酸性肥料或碱性肥 料或石灰控制待治理的土壤为弱酸性至中性；
筛选可以富集重金属Zn、 Cu和Cr且属于非食源性经济作物的棉花作为萃 取植物；
在待修复的土地区域土壤中种植棉花作为萃取多种重金属的植物，通过 棉花的生长发育完成对土壤中多种重金属锌、铜和铬的萃取；
连续定期收割所种植物棉花，即在每年棉花成熟季节采摘完棉花果实 后，对该棉花植林进行收割一次，下一年再在该土地的土壤上种植棉花，成 熟后采摘、收割，如此反复直到土壤中Zn、 Cu和Cr含量达到安全标准为止。
上述方法中由于在种植棉花前，将土壤的pH值调整为6 ~ 7. 5的弱酸性至 中性，在该pH值状态下，可以保证棉花的正常生长，同时提高了土壤中重金 属锌、铜和铬的生物有效性，即有效提高棉花对土壤中重金属锌、铜和铬的 萃取量，与未进行控制土壤pH值直接种植的棉花比较，对土壤中多种重金属 的萃取量提高了l-3倍。
上述方法中采摘得到的棉花可用于制作纺织品或用于制造轮胎等的帘 线、火药等，棉花植抹可用于制作木质刨花板的原料。
上述方法可以在尚未达到中度或重度污染的热带、亚热带和暖温带农田 区种植非食源性经济作物一棉花，通过棉花在生长发育过程中对棉田土壤耕 作层中的重金属元素的吸收，逐渐将土壤耕作层中的部分重金属元素富集到 棉花植抹体及其棉花果实内，在棉花成熟之后通过收割棉花植抹用于制造各种人造板材、棉花纤维用于制作服装等，这样便使农田土壤耕作层中的重金 属元素滞留于纺织品和建材之中，并随纺织品或建材扩散到广阔的环境中， 进而实现通过种植棉花萃取土壤中部分重金属元素，达到治理土壤污染的目 的。实际中所用的锌、铜和铬污染修复植物棉花(Gossypium hirsutum Linn.),可以选用陆地棉，该棉花的植物分类学特征如下(1) .别名陆地棉，为锦葵科(Malvaceae )植物， 一年生草本，高l 1.5米；花期7、 8月，果期10月；(2) .枝常疏生长柔毛，叶宽卵形，长宽近相等，直径5-12厘米，成掌状 3 5浅裂，裂片宽三角状卵形，顶端钝尖；叶柄长4 12厘米；(3) .花大，直径4 5厘米；小苞片分离，基部心形，有l腺体，边缘有7 13细长齿裂；花萼5齿裂；花瓣初白或淡黄色，后变红或紫色；(4) .蒴果卵形，长3~4. 5厘米，有喙、4~5室；(5) .种子有长棉毛和不易剥离的淡灰色短棉毛。通过本实施例的方法在已知重金属Zn、 Cu和Cr含量超标的污灌区种植棉 花(Gossypium hirsutum Linn.),在棉花成熟后选l奪棉花各部位，按照国家 环境监测标准方法进行预处理，然后采用ICP-MS测量棉花各部位重金属Zn、 Cu和Cr的含量，测试结果如下棉花植才朱的茎杆中Zn、 Cu和Cr的含量依次为22860. 80 ± 6804. 62 x 10-9、 10445. 35 ± 1398. 30 x 10—9、 6569. 87 ± 2073. 02 x l(T;棉花壳中Zn、 Cu和Cr的含量依次为26501. 40 ± 5001. 36 x 10—9、 5328.63 ± 224. 34 x 10—9、 5565. 50 ± 2869. 93 x 10—9;棉花根部Zn、 Cu和Cr的含量依次为:18182. 00 ± 1244. 07 x 10—9、 5526.48 ± 482. 90 x 10—9、 8662, 80 ± 750. 54 x 10-9;棉花花絮Zn、 Cu和Cr的含量依次为:12676. 63 ± 1152. 03 x 1 0—9、 1433.65 ± 377. 15 x 10—9、 3479. 43 ± 817. 82 x 10—9;棉籽中Zn、 Cu和Cr的含量依次为:38558. 32 ± 9458. 61 x 10—9、 7436. 82 ± 959. 04 x io一9、 2992. 88 ± 1107. 70 x 10—9。根据调查可测算一年每亩地棉花各部位的平均产量依次为棉花茎杆 2000 x 65%kg、棉花根2000 x 30%kg、棉花壳2000 x 5%kg、皮棉70kg、棉籽 70kg,以此折算，每亩棉花一年可从土壤耕作层中萃取重金属Zn、 Cu和Cr的 平均量分别为702. 97g、 270. 73g与221. 22g。一亩棉田土壤耕作层(考虑到棉花属于深根作物，耕作层厚度采用 40cm,耕作层土壤体积密度采用l. 30/cm3)的土壤总质量为346. 84 x l06g,则 每年通过种植棉花可使棉田耕作层土壤中的重金属Zn、 Cu和Cr的含量分别降 低2. 03 mg . kg-1、 0. 78 mg . kg—1、 0. 64 mg . kg—1。已知污灌区土壤耕作层中重金属Zn、 Cu和Cr的实测浓度分别为105.20 mg . kg入25.67 mg . kg人84.20 mg . kg-1;清灌区土壤耕作层中重金属Zn、 Cu和Cr的实测浓度分别为88.89 mg . kg—\ 22.26 mg . kg_1、 65.45 mg . kg— \通过对比可知污灌区和清灌区土壤耕作层中重金属Zn、 Cu和Cr的平均含量 差值约为16. 31 mg . kg\ 3. 41 mg . kg-1、 18. 75 mg kg—\而棉花对棉田耕作层土壤中的重金属Zn、 Cu和Cr年萃取量约为2.03 mg kg_1、 0. 78 mg kg—1、 0. 64 mg . kg—1,因此通过本发明实施例的方法种植棉 花经过大约4年时间即可将上述的污灌区超量积累的Zn减少到清灌区程度，经 过约8年时间即可将污灌区超量积累的Cu减少到清灌区程度，经过约29年时间即可将污灌区超量积累的Cr减少到清灌区程度，达到修复重金属含量超标的土地的效果。实际中，根据所修复土壤中重金属锌、铜和铬的浓度不同，可以采用3 ~ 30期按上述方法种植棉花的方式对该土壤进行修复，如土壤中重金 属锌、铜和铬的浓度高，则修复期长，反之，则修复期短，可以根据实际修 复时对土壤中重金属锌、铜和铬含量的测定来确定。综上所述，本发明实施例中利用种植棉花萃取土壤中重金属元素的方法 可取代常规的棉花种植，完全融合在棉花种植经营管理之中，该方法操作简 单、投入小，在切断土壤重金属元素污染源的前提条件下，通过种植的棉花 将土壤耕作层中的重金属元素富集到棉花根系、茎杆、果壳、棉花纤维和棉 花籽粒之中，在棉花成熟之后得到的各部分除不可以用于食用外，可用于其 它多种用途，如通过收割棉花植林用于制造各种人造板材、棉花纤维用于制 作服装等，这样就可以将棉田土壤耕作层中重金属元素逐渐地扩散到陆地生 态系统食物链之外，达到从本质上消除土壤重金属污染危害和快速修复被污 染土壤之目的。且棉花作为中国第二大农作物，2004年和2005年全国棉花种 植面积分别为569. 3万公项和506.2公项，全国除西藏、青海、内蒙古、黑龙 江、吉林等少数省外，都能种植棉花，而且我国土壤重金属污染区常与棉花 种植区相互重合，也增加该技术的适宜性和可操作性，具有显著的经济效 益、社会效益和环境效益。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种利用棉花萃取土壤中重金属的方法，其特征在于，该方法包括切断待修复土地区域的重金属含量超标土壤的重金属元素污染源；调节控制所述待修复土地区域土壤的pH值在6～7.5之间；选择棉花作为萃取植物种植在所述待修复土地区域的土壤中；通过种植后的棉花的生长发育对该土地区域土壤中的多种重金属进行萃取，通过一期或连续多期种植、收割棉花，直到检测土壤中重金属的含量达到安全标准。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述切断待修复土地区域 的重金属含量超标土壤的重金属元素污染源包括停止利用污水对所述待修复土地区域的土壤进行灌溉和/或停止对所述待 修复土地区域施用重金属含量超标的农药或肥料。
3、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述调节控制所述土地区 域土壤的pH值在6 ~ 7. 5之间包括在所述待修复土地区域土壤上施用酸性肥 料或碱性肥料或石灰调节控制该土壤的pH值在弱酸性至中性之间。
4、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述通过一期或连续多期 种植、收割棉花包括以一年为周期，在棉花采摘完成后对当年种植的棉花 进行收割一次，或连续多年中，以一年为周期，每年在棉花采摘完成后对当 年种植的棉花进行收割 一次。
5、 根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述连续多期为3 30期。
6、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多种重金属包括
7、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述选择的棉花包括 一年生草本锦葵科^i物，花期为7 8月，果期为10月的陆地棉。
全文摘要
本发明公开一种利用棉花萃取土壤中重金属的方法。该方法包括切断待修复土地区域的重金属含量超标土壤的重金属元素污染源；调节控制所述土地区域土壤的pH值在6～7.5之间；选择棉花作为萃取植物种植在所述土地区域的土壤中；通过种植后的棉花对该土地区域土壤中的重金属进行萃取，通过一期或连续多期种植、收割棉花，直到检测土壤中重金属的含量达到安全标准。该方法简单、可操作性强、易于推广，成本低，且得到的棉花植物作物的各部分均可使用，其经济、社会效益大。可以从根本上消除重金属对土壤健康、食品安全与人群健康的危害，该方法不破坏土壤生态环境，有效避免二次污染的发生。
文档编号B09C1/10GK101322975SQ20081010568
公开日2008年12月17日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者刘希涛, 吉艳琴, 强 李, 烨 赵, 陈志凡 申请人:北京师范大学