专利名称：利用柏科苗木修复镉污染土壤的方法
技术领域：
本发明涉及环境污染的植物修复技术领域，特别涉及一种利用柏科绿化苗木修复 被镉污染土壤的方法。
背景技术：
镉是自然界中广泛存在的一种重金属元素。近年来由于人为活动，如矿产开采、污 水灌溉、长期施用各种含镉增肥物料、磷肥以及工业废气沉降等这些非自然来源，使由镉引 起的环境污染问题日益严峻。根据《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)，土壤镉污染的 临界值为Img kg—1。我国农业土壤镉污染已比较普遍，1990年受镉污染的土壤已达20余万 亩。例如，上海蚂蚁滨区受镉污染土壤平均含镉21. 48mg kg—1，最高达130mg kg—1 ；广州郊 区老污灌区土壤含镉最高达228mg kg—1。在沈阳张士污灌区，土壤含镉量在5-7mg kg—1的 农田面积高达330ha，生产的稻米含镉0. 4-1. Omg kg—1，是国家卫生标准的8_12倍，称得上 是典型的“镉米”，当地政府已在1994年下达了停耕指令。目前，国内外对重金属污染土壤十分重视，采取了各种技术进行治理，包括物理修 复、化学修复和生物修复等几个方面；如施用化学稳定剂以降低重金属的活性，或用电渗析 法对重金属离子进行清除，或利用冲洗溶剂如EDTA进行淋洗。然而上述方法均存在如投资 大、效果不稳定、对土壤自然属性具有强烈破坏作用等的缺陷，故较适合于对工矿企业的场 地修复等，但对污染面积大的农田土壤来说是不适合的。近年来植物修复技术已受到各方 面的高度重视，即利用超积累植物来吸收土壤中的某些特定重金属元素，并将其转移至该 植物的地上部分，当吸收、积累至一定量时通过连续收割或连续种植，直到将土壤中的重金 属降到可接受的水平。然而，目前筛选的超累积植物和理想植物之间还有一定差距(1)超 累积植物通常是在重金属胁迫环境下长期诱导、驯化的一种适应性突变体，往往其表现生 长缓慢、生物量低，导致修复效率不高，且常常受到杂草的竞争性威胁；(2)超累积植物多 为野生型稀有植物，对生物气候条件的要求比较严格，区域性分布较强，严格的适生性使对 其的引种、推广受到严重限制；(3)超累积植物的专一性很强，往往只对某种特定的重金属 表现出超富集能力，且大部分仍处于试验阶段，到实际应用还有一定距离；(4)超累积植物 收获后若处理不当，可能会带来二次污染；(5)超累积植物修复时间相对较长(5-20年)，将 污染农田土壤长期撂荒进行修复，对于我国宝贵的耕地资源来讲可操作性不强。因此，近年来一些学者提出对一些中等或较轻污染程度的土壤(如土壤镉浓度低 于20mg kg"1)，没有必要将其撂荒来进行各种各样的修复，而可通过种植一些虽对污染物 积累量较小，但其仍具一定抗污染能力、且有经济价值的作物或植物，从而既使土地资源得 到充分利用，又使中、轻度污染土壤及时得到修复。然而，目前虽已有报导筛选出了一批籽 粒中重金属累积量较低的作物，但其毕竟与食物链相连，在食品安全利用上仍存在一定的 风险；而筛选出的可脱离食物链的植物，多数无经济价值，种植费用还需要政府财政进行补 贴，且收获后的处理仍存在诸多问题，操作不当，二次污染风险较大。因此，针对各类土壤污 染，发掘、筛选出一批既对某一污染具一定的抗污染与吸聚能力，又属非食物链、并有一定
3经济价值的作物或植物品种，这对土地资源较为紧张的我国来说是一项具有重要意义的工作。
发明内容
本发明目的是，针对目前镉污染超累积植物修复效率低、修复时间长、易产生二次 污染等的缺陷，提供一种边修复边开发、投资少、见效快、安全可靠，适用于中、轻度镉污染 土壤的植物修复方法。本发明的依据是通过筛选试验已明确，一、柏科苗木对镉具有较高的耐性，可在 彡IOOmg kg—1的镉污染土壤上正常生长，并吸聚、积累一定量的镉元素；二、将吸聚、积累有 一定量镉元素的柏科苗木移栽至其它地块后，由于镉已固定于苗木体内，经测定明确其根 部的镉不存在释放的情况，不会对移栽地块土壤产生二次污染；三、经连续种植、移栽若干 年次后，最终可达到修复、安全利用镉污染土壤的目的。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。利用柏科苗木修复镉污染土壤的方法，该方法按以下步骤进行(1)选择镉污染彡IOOmg kg—1的土壤，待用；(2)春天将1-2年生，株高20-30cm的柏科苗木，按6-10万棵/每公顷进行露天种 植；(3)根据土壤水肥状况，适时浇水、补肥，使土壤含水量保持在60% -80% ；(4)种植至当年秋天或第二年春天即可出圃销售或移栽；(5)在原地块上连续重茬复种、管理、出圃销售或移栽柏科苗木，直至该地块土壤 镉污染降至低于Img kg—1的安全标准。所述的柏科苗木为龙柏、侧柏和蓝冰柏中的任选一种苗木。本发明的有益效果是本发明与以往利用超累积植物修复镉污染土壤的方法相比较，有以下几点提高 ⑴柏科苗木(龙柏、侧柏或蓝冰柏)耐镉毒害能力较强，可在含有彡IOOmg kg—1镉的土壤 中正常生长；(2)柏科苗木根系发达，苗期生长快，生物量大，可以高效吸聚土壤中的镉，修 复效率高；(3)通过试验明确，镉主要被吸聚、固定于柏科苗木的根部，其镉浓度可达300 500mg kg、约为地上部的100 300倍；(4)经测定，苗木整体移栽1个月后，苗木根部的含 镉量与初期相比无显著变化，可见镉被植物固定于体内尤其是根部后，不存在对周围土壤 进行释放的情况，不会对周围的土体产生二次污染；(5)柏科苗木适应性强，价格适中，在 绿化工程中应用极为广泛，经整体移栽后在修复污染土壤的同时也产生了经济效益，能够 在污染土壤上建立新型经济增长模式，缓解污染土壤与区域农业发展之间的矛盾。因此，本 发明方法既克服了超累积植物修复效率低、修复时间长，易产生二次污染的缺点，又使中、 轻度镉污染土壤及时得到再利用，因此，本发明与以往利用超累积植物修复技术较比较，其 可操作性得到了大幅度的提高。
具体实施例方式通过以下实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不受以下内容所限 制。
4
实施例1 (蓝冰柏苗木盆栽不同镉处理浓度对比试验)(一)试验材料与方案布置1.试验材料土壤采自浙江省上虞市海涂的粗粉沙性土壤，其基本理化性状如下pH5. 7、有 机质含量5. 3g kg—1、有效磷3.4mg kg—1、碱解氮45mg kg—1、速效钾67mg kg—1，镉未测出(原 子吸收仪器进行测定，美国PE公司)。蓝冰柏购自于浙江省萧山苗圃区。2.盆栽试验供试盆栽土壤设4个镉浓度处理，分别为Omg kg"\50mg kg—1、IOOmg kg"\200mg kg"1,以CdCl2形式加入。其中，不加镉(Omg kg"1)处理为4次重复，其余3个处理各为8次 重复，4处理共计为28盆。供试盆钵为直径15cm，高12cm，每盆装土 1. 4kg，APEX缓施肥按 4g kg—1 土施入。盆钵内附塑料袋，以防土壤中镉随水析出。选取生长一致的蓝冰柏苗木， 进行栽种，栽种期间土壤湿度保持60% 80%。栽种60天后每个处理收获4盆，测定苗木 根、茎、叶部生物量及镉吸收量；余下的3个处理(12盆)进行破坏性取样，即将苗木完整 取出(根部尽量保留完整)，抖落根部固着的土壤，并用清水将吸附的土壤冲洗干净，再移 栽至装有无镉土壤的盆钵中，盆钵大小及装土量同上。移栽种植30天后收获，测定苗木根、 茎、叶部镉含量。3.分析方法3. 1种植60天和90天(移栽苗)后的苗木样品预处理将植株分为叶、茎和根三部分，叶、茎两部分用去离子水冲洗涤、滤纸吸干。根部 先用自来水将附着根部的土壤冲洗干净，再在0. 05mol Γ1的CaCl2溶液冲洗和浸泡15分 钟，以去除吸附在根表的镉，最后用蒸馏水冲洗干净，滤纸吸干。根、茎、叶先在105°C杀青 15min,然后于70°C烘干至恒量，称重，磨碎后过筛，备用。3. 2 分析称取一定量样品(0. 10 0. 15g)，纯HNO3 (优级纯)消煮24小时，定容，利用原子 吸收分光光度计(美国PE公司)测定Cd含量。苗木各部位镉含量(μ g)=苗木各部位中镉浓度(μ g/g) X苗木各部位干重(g)4.1数据处理采用Microsoft Excel和SPSS 12. 0相结合，对不同处理的数据进行LSD-单因素 最小显著性差异分析(ANOVA)，比较各处理与对照间差异显著性，数据以平均值士标准误 表不。( 二)试验结果表1各处理蓝冰柏根、茎、叶及整株干重(g/株)镉处理浓度
0 mg kg"1 50 mg kg-1
干重
叶(g)
茎(g)
根(g)
总体(g)
1. 92 ± 0. 33 a 3. 57 土 0. 39 a 3. 37 士 0. 38 a 8. 86 ± 1. 42 a 1. 92 ± 0. 47 a 3. 14 ± 46 a 3. 27 ± 0. 35 a 8. 33 ± 1· 79 a
100 mg kg 1 1. 97 士 0. 35 a 3. 21 ± 0. 23 a 3. 17 士 0. 48 a 8. 35 ± 1. 24 a 200 mg kg"1 1. 29 士 0. 26 b 2. 61 ± 0. 40 b 2. 53 ± 0· 45 b 6. 43 ± 1. 09 b表中不同字母代表显著性差异(ρ < 0. 05)由表1可以看出，蓝冰柏根和茎的生物量在整个植株中所占的比例较大，分别为 38%和40%，而叶部占得比例相对较小。在50和IOOmg kg—1镉处理下，其根、茎、叶干重与 对照相比(不加镉)均无显著变化(P < 0. 05)，表现出较强的耐性。但当镉污染水平较高 时，即在200mg kg"1镉处理下，根、茎、叶干重均显著下降(ρ < 0. 05)，即超出了蓝冰柏的耐 受范围，抑制了蓝冰柏的生长。表2各处理蓝冰柏根、茎、叶及整株中的镉含量(μ g) 表中不同字母代表显著性差异(ρ < 0. 05)由表2可以看出，蓝冰柏根、茎、叶三个部位中根部的聚镉能力最强，在50、100和 200mg kg—1镉处理60天后，根部镉吸收量分别占整个植株的77. 0%、90. 0 %和93. 1 %，而 茎部和叶部镉吸收量在整个植株中所占比例很少。随着镉处理浓度增加，蓝冰柏根、茎、叶 及整体植株的镉吸收量均显著增加(P < 0. 05)。为了检测移栽后，蓝冰柏根部的镉是否存在释放的情况，对移栽至无污染土壤30 天后苗木的根、茎、叶中镉含量进行了测定。结果表明，移栽30天后，根、茎、叶中的镉含量 与移栽前相比，无显著差异，这说明镉已被固定于苗木根部，未释放到土体当中。蓝冰柏属于锥形松柏科常绿乔木，生长迅速，每年至少可长高5cm以上，全年树叶 呈迷人的霜蓝色，在园艺的色块配置中发挥着独特的作用。蓝冰柏在我国开发时间还不长， 价格偏高，市场上通常以株高每公分1元钱的价格销售，以每公顷种植60000棵进行计算， 年利润可达30万元/公顷以上。同时，蓝冰柏可耐IOOmg kg—1的镉胁迫，可在一般污染农 田土壤中正常生长(绝大多数农田的污染程度在20mg kg"1以下)。在镉污染的土壤上种植 蓝冰柏，通过吸聚镉后再以移栽的方式进行转移，由于镉固定于根内，不会产生二次污染， 这样连续种植、连续移栽，使污染土壤能重新发挥其生产力，最终达到修复土壤以及高效安
6全利用污染土壤的目的.实施例2 (龙柏苗木盆栽不同镉处理浓度对比试验)(一)试验材料与方案布置龙柏苗木购于浙江省萧山苗圃区；其余试验材料、盆栽试验、分析方法及数据处理均同于同实施例1(二)试验结果表3各处理龙柏根、茎、叶及整株干重(g/株)
镉处理浓度 0 mg kg"1 50 mg kg-1 100 mg kg"1 200 mg kg 1
干重
叶(g)
根(g)
总体(g)
6. 41 ± 1. 78 a 6. 39 ± 0. 91 a 5. 81 ± 1. 12 a 3. 99 土 0. 54 b3.3.3.3.
5. 29 土 0. 89 a 5.31 士 0.66 a 4. 97 士 0. 55 a 3. 53 ± 0. 67 b
15.27 ±2. 53 a
15. 04 ±2. 27 a
15. 09 ±2· 28 a
10. 57 ±1. 86 b
茎(g) I. 57 土 0. 39
a
34 土 0. 46 a
31 士 0. 23 a
05 土 0. 40
a表中不同字母代表显著性差异(ρ < 0. 05)由表3可以看出，龙柏叶和根的生物量在整个植株中所占的比例较大，分别为 45%和37%，而茎部所占比例相对较小。在50和IOOmg kg—1镉处理下，龙柏根、茎、叶干重 与对照处理相比(不加镉)均无显著变化(P < 0. 05)，表现出较强的耐性。但当镉污染水 平较高时，即在200mg kg"1镉处理下，根、茎、叶干重均显著下降(ρ < 0. 05)，整株干重仅为 对照的70 %，即超出了龙柏的耐受范围，抑制了龙柏的生长。表4各处理龙柏根、茎、叶及整株中的镉含量(μ g)
镉处理60天后龙柏的镉含量 莲(pg)根(pg)
39 ± 13 c 289 ± 50 b 441 ± 69 b 1443 士 352 a 420 士 79 a 1802 士 360 a
镉处理浓度叶(pg)50 mg kg"18± 2 c100 mg kg"112± 2 b200 mg kg 195+12 a镉处理浓度叶(pg)50 mg kg"17± 3 c100 mg kg"112± 3 b200 mg kg-190+20 a
移栽至无污染土壤30天后龙柏的镉含量
总体(μ§) 336 ± 54 b 1897 士 280 a 2316 士 365 a
根(pg) 256 + 58 c
总体(Mg) 305 ±24 c
茎(鸺) 42 ± 17 c 427 ± 57 b 409 ± 60 a表中不同字母代表显著性差异(ρ < 0. 05)由表4可以看出，在龙柏根、茎、叶三个部位中，根部的聚镉能力最强，50、100和 200mg kg—1镉处理60天后，根部镉吸收量分别占整个植株的86. 0%、76. 1 %和77. 8%，而茎部和叶部镉吸收量在整个植株中所占比例较少。IOOmg kg—1镉处理中根、茎、叶的镉吸收 量显著高于50mg kg—1镉处理，但与200mg kg—1镉处理差异不显著。为了检测移栽后，龙柏根部的镉是否存在释放的情况，对移栽至无污染土壤30天 后苗木的根、茎、叶中镉含量进行了测定。结果表明，移栽30天后，根、茎、叶中的镉含量与 移栽前相比，无显著差异，这说明镉已被固定于苗木根部，未释放到土体当中。龙柏侧枝扭曲螺旋状抱干而生，别具一格，观赏价值很高，我国各地广为栽培。每 年可长高5cm以上，每公顷定株12万棵以上。按市场价格每公分0. 1元价格计算，年利润 可在6万元/公顷以上。同时，龙柏可耐IOOmg kg—1的镉胁迫，可在一般污染农田、土壤中 正常生长。在镉污染的土壤上种植龙柏，通过吸聚镉后再以移栽的方式进行转移，由于镉固 定于植物体内，不会产生二次污染，这样连续种植、移栽，最终达到修复土壤以及安全利用 污染土壤的目的。
实施例3 (侧柏苗木盆栽不同镉处理浓度对比试验)
(一)试验材料与方案布置 侧柏苗木购于浙江省萧山苗圃区；
其余试验材料、盆栽试验、分析方法及数据处理均同于同实施例1 ；
(二)试验结果
表5各处理侧柏根、茎、叶及整株干重(g/株)
干重
镉处理浓度
0 mg kg-1 50 mg kg-1 100 mg kg"1 200 mg kg 1表中不同字母代表显著性差异(P < 0. 05)由表5可以看出，侧柏叶的生物量在整个植株中所占的比例较大，为55%，而茎部 和根部占得比例相对较小。在50和IOOmg kg—1镉处理下，侧柏根、茎、叶干重与对照处理相 比(不加镉)均无显著变化(P<0. 05)，表现出较强的耐性。但当镉污染水平较高时，即在 200mg kg—1镉处理下，根、茎、叶干重均显著下降(ρ < 0. 05)，整株干重为对照的75%，即超 出了侧柏的耐受范围，抑制了侧柏的生长。表6各处理侧柏根、茎、叶及整株中的镉含量(μ g) 表中不同字母代表显著性差异(ρ < 0. 05)由表6可以看出，在侧柏根、茎、叶三个部位中，根部的聚镉能力最强，50、100和 200mg kg—1镉处理60天后，根部镉吸收量分别占整个植株的84. 5%、65. 6%和48. 1%，茎 部镉吸收量其次，叶部在整个植株中所占比例最少。随着镉处理浓度增加，蓝冰柏根、茎、叶 及整体植株的镉吸收量均显著增加(P < 0. 05)。为了检测移栽后，侧柏根部的镉是否存在释放的情况，对移栽至无污染土壤30天 后苗木的根、茎、叶中镉含量进行了测定。结果表明，移栽30天后，根、茎、叶中的镉含量与 移栽前相比，无显著差异，这说明镉已被固定于苗木根部，未释放到土体当中。侧柏人工栽培范围遍布全国，是优良的园林绿化树种，耐性强，适用范围广，每年 可长高IOcm以上，每公顷定株12万棵以上。按市场价格每公分0. 01元价格计算，年利润 可在1. 2万元/公顷以上。同时，侧柏可耐IOOmg kg—1的镉胁迫，可在污染农田、土壤中正 常生长(绝大多数的农田的污染程度在20mg kg"1以下)在镉污染的土壤上种植侧柏，通过 吸聚镉后再以移栽的方式进行转移，由于镉固定于植物体内，不会产生二次污染，这样连续 种植、连续移栽，最终达到修复土壤以及安全利用污染土壤的目的。
9
权利要求
利用柏科苗木修复镉污染土壤的方法，其特征在于按以下步骤进行(1)选择镉污染≤100mg kg 1的土壤，待用；(2)春天将1 2年生，株高20 30cm的柏科苗木，按6 10万棵/每公顷进行露天种植；(3)根据土壤水肥状况，适时浇水、补肥，使土壤含水量保持在60％ 80％；(4)种植至当年秋天或第二年春天即可出圃销售或移栽；(5)在原地块上连续重茬复种、管理、出圃销售或移栽柏科苗木，直至该地块土壤镉污染降至低于1mg kg 1的安全标准。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的柏科苗木为龙柏、侧柏和蓝冰柏中的 任选一种苗木。
全文摘要
本发明公开了利用柏科苗木修复镉污染土壤的方法，属于环境污染的植物修复技术领域。方法包括选择镉污染≤100mg kg-1的土壤；将1-2年生的柏科苗木进行露天种植；适时浇水、补肥，土壤含水量保持在60％-80％；当年秋天或第二年春天出圃销售或移栽；在原地块上连续重茬复种、管理直至该地块土壤镉污染降至低于1mg kg-1的安全标准。本方法具有柏科苗木耐镉毒害能力强、修复效率高、移栽苗木不会对土体产生二次污染，使中、轻度镉污染土壤及时得到修复与利用等特点。该方法可在中、轻度镉污染土壤地区推广应用。
文档编号B09C1/00GK101912872SQ20101024386
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者丁能飞, 傅庆林, 刘琛, 李凝玉, 李华, 李橙, 林义成, 郭彬 申请人:浙江省农业科学院