一种治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法
【专利摘要】本发明提供一种治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，该方法包括步骤如下：步骤S1：选取镉富集型蓖麻品种；步骤S2：获取中性酸碱度的镉铅砷污染的土壤；步骤S3：将镉富集型蓖麻与蜈蚣草以间作方式种植到中性酸碱度的镉铅砷污染的土壤中成活生长，并定期收获成熟的蓖麻，执行步骤S5；步骤S4：视蜈蚣草的生长高度，收割蜈蚣草上部，执行步骤S5；在土壤地面上保留一蜈蚣草段茬执行步骤S3；步骤S5：将收获成熟的蓖麻和蜈蚣草上部送至专属场所集中并做无害化处理。本发明还提供一种治理镉污染土壤的植物修复方法。本发明适用于中度和轻度镉铅砷污染土壤的治理修复，具有良好的实际应用前景。
【专利说明】一种治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及污染治理【技术领域】，具体地说是一种治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法。
【背景技术】
[0002]目前随着工农业发展和城市化进程的加快，重金属污染土壤的现象在我国部分地方比较普遍，在某些有色金属矿区及冶炼厂周边地区尤为严重，其中镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)尤为严重，远远超过GB15618-1995《土壤环境质量标准》中为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。现在我国受重金属污染的农田土壤约2500万公顷，每年被重金属污染的粮食多达1200万吨，造成的直接经济损失超过100亿元。
[0003]近年来，植物修复技术在国际国内治理土壤重金属污染领域逐渐成为主流。植物修复优点主要有:适用污染因子广泛，不仅适合重金属，同时兼治有机污染；从生态角度看，有利于污染地生态修复，美化环境；以太阳能为动力，投入少，成本低；不易引起二次污染。
[0004]在植物修复技术中，选用重金属超富集植物技术来修复重金属污染土壤是较为常见的一种技术。该技术修复效率主要取决于植物体内重金属的含量和植物生物量。用于植物富集的理想的超富集植物，其地上部的金属含量应比普通植物高百倍甚至上千倍，同时应具有较高的生长速度和较大的生物量。但遗憾的是，目前发现的大部分超富集植物的生物量普遍较小，从而限制了其在污染土壤修复中的应用。同时采用该技术修复时间较长，也在一定程度上限制了该技术的推广。
[0005]目前，选用能源植物在修复重金属污染土壤方面有着独特的优势，不仅可以在治理土壤污染的同时，获得能源效益。研究表明，一些能源植物有着较高的富集或耐受重金属的能力，可以在重金属污染土壤上生长，同时能源物质产量基本不受影响。因此选取适合的能源植物来修复重金属污染土壤，不但有利于重金属污染土壤治理，而且可以推进新能源的开发，同时使得污染土地资源得到合理利用。但能源植物修复土壤重金属污染也存在生长周期长，修复时间久，后处理困难，长期种植降低土壤肥力等植物共有缺点。同时，与超积累植物相比，许多能源植物富集重金属的能力也较低。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]针对现有技术中二种植物修复技术的不足，本发明的目的是提出利用蓖麻和蜈蚣草间作技术修复镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]本发明的第一方面是提供一种治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，该方法包括步骤如下:
[0010]步骤S1:选取铺g集型昆麻品种；[0011]步骤S2:控制镉铅砷污染土壤的酸碱度，获取中性酸碱度的镉铅砷污染的土壤；
[0012]步骤S3:将镉富集型蓖麻与蜈蚣草以间作方式种植到中性酸碱度的镉铅砷污染的土壤中成活生长，通过蓖麻的根系大量吸收污染土壤中的镉，并定期收获成熟的蓖麻，则执行步骤S5 ；
[0013]步骤S4:视蜈蚣草的生长高度，收割蜈蚣草上部，通过蜈蚣草的草根系和收割的蜈蚣草上部大量吸收污染土壤中的铅砷，则执行步骤S5 ;在所述土壤地面上保留一蜈蚣草段茬，则执行步骤S3;
[0014]步骤S5:将收获成熟的蓖麻和蜈蚣草上部送至专属场所集中并做无害化处理。
[0015]本发明的第二方面是提供一种治理镉污染土壤的植物修复方法，该方法包括步骤如下:
[0016]步骤Al:选取铺g集型昆麻品种；
[0017]步骤A2:控制镉污染土壤的酸碱度，获取中性酸碱度的镉污染土壤；
[0018]步骤A3:将镉富集型蓖麻种植到中性酸碱度的镉污染土壤中成活生长，定期收获成熟的蓖麻，由镉富集型蓖麻把镉污染土壤移除、分解；
[0019]步骤A4:将收获成熟的蓖麻送至专属场所集中并做无害化处理。
[0020](三)有益效果
[0021]本发明利用能源植物蓖麻具有一定富集镉离子能力、修复深层土壤、可大面积种植、美化环境并产生能源效益的特点，而镉铅砷富集植物蜈蚣草，具有富集砷铅砷离子能力强、栽培技术成熟的特点，两者联合修复镉铅砷复合污染土壤，可达到更高修复效率，并获能源效益。本发明提供的在镉铅砷污染土壤中间作蓖麻和蜈蚣草，利用蓖麻生物量较大、生长期较短和对镉的富集特性大量吸收富集土壤中的镉，同时利用蜈蚣草生长期较短和对铅砷的超富集特性大量吸收富集土壤中的铅砷通过收割地上部而消除土壤中的镉铅砷污染的方法，具有不破坏土壤的理化性质，不对土壤产生二次污染和镉铅砷的吸收富集量高、生物富集系数大和镉铅砷迁移总量高，以及同时具有较高的经济效益、工程投资少、运行成本低、防治水土流失、美化景观环境等特点，适用于中度和轻度镉铅砷污染土壤的治理修复，其环境效益、社会效益和经济效益明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1示出治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法的流程图；
[0023]图2示出治理镉污染土壤的植物修复方法的流程图；
[0024]图3示出不同地区的30种不同品种的蓖麻室内盆栽试验；
[0025]图4不出对图1昆麻初步筛选出铺g集型昆麻品种；
[0026]图5移栽蜈蚣草幼苗与蓖麻间作示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0028]一.首先，介绍本发明中的蜈蚣草:
[0029]蜈蚣草是陈同斌研究团队在世界上发现最早的As的超富集植物。蜈蚣草不仅对As表现为极强的耐性能力和独特的富集能力，而且对Pb具有较强的耐性作用和富集作用。野外调查显示，蜈蚣草能生长在As含量为23400mg/kg的矿渣和铅浓度高达3368_3550mg/kg的铅锌尾矿附近的污染土壤中。蜈蚣草具有较强的砷耐性、砷富集能力和快速的砷吸收速率，在砷含量< 1000mg/kg的土壤中生物富集系数(植物体内某重金属含量与其根区土壤中该重金属含量之比)可达7-80。蜈蚣草在Pb含量为4325-13254mg/kg的矿区复垦地生长时，蜈蚣草地上部的Pb含量超过了 Pb超富集植物的要求(1000mg/kg)，同时蜈蚣草地上部Pb含量是地下部Pb含量的L 4倍，说明蜈蚣草对Pb有较强的富集能力和转运能力(以转运系数表示，即植物地上部某重金属含量与其根部中该重金属含量之比)。蜈蚣草地上部不仅可以富集大量的砷铅，且生长速度快，生物量大。但其推广方面也存在一些限制因素:蜈蚣草生长需要遮荫，保湿等更为苛刻的生长条件；对镉吸收能力不强；蜈蚣草根系浅对土壤耕作层下部修复效果不佳；不能直接带来经济利益等。
[0030]二.接着，介绍本发明中的蓖麻:
[0031]蓖麻是"深根作物"，属一年生或多年生草本植物，是一种经济价值较高的油料作物，对环境要求不高，在南方可以越冬，生物量大，对重金属有较强的耐性。有研究显示，蓖麻对镉也有较高的耐性和富集能力。经研究表明，对于蓖麻来说，低浓度的镉暴露不仅没有抑制其生长，还对蓖麻生长产生一定促进作用。蓖麻在土壤镉处理浓度为40mg/kg时，蓖麻的株高以及根、茎、叶的干物重达到最大。蓖麻在土壤Cd浓度较高时候能富集较高浓度的Cd。蓖麻根系在土壤镉处理浓度为360mg/kg时最大，达到4460mg/kg，地上部叶和茎对镉的积累分别在镉处理浓度320mg/kg和360mg/kg时达到最大，其中茎对镉的最大积累量达到137mg/kg。因此，蓖麻可用于重度和轻度镉污染土壤的治理修复；除对镉的吸收富集量和生物富集系数及转移系数外，生物量也是评价植物修复镉污染土壤潜在能力的一个重要指标。生物量越大，说明在相同生长期内和相同富集系数条件下，该植物从土壤中吸收富集的镉的量越多，表明在相同种植条件下，该植物使镉污染土壤降低到GB15618-1995《土壤环境质量标准》规定临界值以下所用的时间越短。蓖麻的生物量较大，其生物量约为500?700g/株(干重)。蓖麻对于提高镉污染土壤的修复速率和降低治理成本具有重要意义，为治理土壤的镉污染提供了一种经济适用的植物修复方法。但目前单独利用蓖麻修复污染土壤时也存在其对其他重金属如铅砷等富集能力不高等，修复时间较长等缺点。
[0032]综上所述，鉴于蜈蚣草特点及生长条件，及蓖麻与蜈蚣草单独修复时的优缺点，本发明利用蜈蚣草地上部的优势，利用蓖麻的优势，为蜈蚣草的生长提供所需的生长条件，采用蓖麻-蜈蚣草联合模式修复重金属污染土壤，可突显优势，互补有无。首先，蓖麻与蜈蚣草对土壤中不同重金属具有吸收选择性，两者联合可实现优势互补，以处理土壤重金属复合污染问题，用以减少污染土壤中的镉铅砷。其次，蜈蚣草修复浅层土壤，蓖麻可修复重金属污染土壤的深层区，实现区间互补。第三，蓖麻可为蜈蚣草遮荫保湿以满足蜈蚣草生长所需环境。
[0033]如图1示出本发明提供的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法的流程图，本发明将能源作物蓖麻通过与蜈蚣草间作的方式种植到镉铅砷污染的土壤中，控制土壤酸碱度为中性，当蓖麻长到成熟期时，将植物体从污染土壤上移走，从而实现去除土壤中污染物镉铅砷的目的；该方法通过蓖麻和蜈蚣草根系大量吸收污染土壤中的镉铅砷，并将其转移至茎叶等地上部器官，在成熟期将蓖麻整体即包括根、茎、叶、果实部分和蜈蚣草的地上部分包括茎和羽叶从污染土壤上移走，然后再移栽下一茬蓖麻，之后重复上述过程。
[0034]如图2示出治理镉污染土壤的植物修复方法的流程图，该方法包括步骤如下:步骤Al:选取镉富集型蓖麻品种；步骤A2:控制镉污染土壤的酸碱度，获取中性酸碱度的镉污染土壤；步骤A3:将镉富集型蓖麻种植到中性酸碱度的镉污染土壤中成活生长，定期收获成熟的蓖麻，由镉富集型蓖麻把镉污染土壤移除、分解；步骤A4:将收获成熟的蓖麻送至专属场所集中并做无害化处理。所述镉污染土壤为碱性土壤时，要对碱性土壤施用酸性物质，用以调节碱性土壤的酸碱度。所述的酸性物质包括乙二铵四乙酸二钠盐、草酸、柠檬酸中的一种或几种。
[0035]在受到镉铅砷污染的土壤中，直接播种镉富集型蓖麻品种，同时移栽蜈蚣草间作。利用蓖麻对镉的富集特性和蜈蚣草对铅砷的富集特性，通过根系大量吸收富集土壤中的镉铅砷，并将其向上输送和转移到地上部，再通过收割地上部而除去土壤中的镉铅砷，从而完成对镉铅砷污染土壤的治理和修复。
[0036]本发明通过以下步骤完成，首先比较30种蓖麻品种的镉富集能力，从中选取有大面积种植的镉富集型品种来作为修复材料。其次将镉富集型品种通过直接播种的方式种植到受镉铅砷污染的土壤中，并控制土壤酸碱度pH为中性，实践证明控制土壤的pH值为6.1?7.1时，其根系吸收富集土壤中的镉量最大，对于偏碱性的土壤要施用酸性物质加以调节。施用的酸性物质包括乙二铵四乙酸二钠盐(EDTA)，草酸、柠檬酸中的一种或几种；当蓖麻种植成活后，地上部分高度为60cm-100cm时，移栽高度为15cm-30cm蜈蚣草幼苗与蓖麻进行间作，按照0.5m?Im的株距种植单作蓖麻,按照0.2m?0.5m的株距间作蓖麻与蜈蚣草(如图5示出)；根据土壤缺水情况来浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40?70%;当蜈蚁草生长到60cm?80cm进行首次收割，以后当蜈蚁草生长到50cm?70cm时收割一次；每次收割蜈蚣草地上部分后，留茬高度为IOcm?20cm ;蓖麻成熟后，果实制生物柴油，茎杆用于造纸或建材；每次收割的蜈蚣草地上部进行专门集中处理，处理方法包括焚烧或压缩后作无害化填埋等。
[0037]以下通过实施例对本发明作进一步说明。
[0038](I)铺g集型昆麻品种筛选:
[0039]对来自美洲、欧洲、亚洲和非洲不同地区的30种不同品种的蓖麻进行室内盆栽试验，以筛选镉富集型蓖麻品种(图3)。以低度(2mg/kg)和中度(5mg/kg)镉污染土壤为蓖麻生长基质，记录并分析了蓖麻地上部分(茎、叶和果实)生物量和镉浓度。综合考虑该30种蓖麻品种地上部分的生物量、镉含量及其对应土壤的Cd含量，初步筛选出镉富集型蓖麻品种4种:Zibo-9，Zibo-6, Zibo-5和Zibo_8 (图4)，并根据低度和中度镉污染土壤条件下蓖麻生物量的响应作为耐性评价指标，得出这四种镉富集蓖麻品种的镉耐性顺序:Zibo-9> Zibo-6 > Zibo-8 > Zibo_50
[0040](2)镉富集型蓖麻修复模式:
[0041]某重金属污染土壤pH值为7.4，通过加入乙二铵四乙酸二钠盐将其pH调节到
6.1-7.1。其中的镉含量平均值为34mg/kg。选取大面积种植的镉富集蓖麻品种Zibo_8和Zibo-5为修复材料，以盆栽试验的方式种植在污染土中，土壤含水量保持在田间持水量的40?70%。生长2个月后，Zibo-5品种不能存活，Zibo-8品种能正常生长。取Zibo_8品种的根部和地上部分(茎叶)进行测定镉含量分析，生长在调整土壤PH后的Zibo-8品种的根部和地上部分的镉含量分别为216mg/kg和8.84mg/kg，显著高于生长在未调整pH土壤上的同种蓖麻地下和地上部分的镉含量，即205mg/kg和1.84mg/kg。因此，Zibo-8品种不仅适合轻度镉污染土修复，也适合重度镉污染土修复，同时通过添加酸性物质调节土壤PH的措施可以进一步提闻其对铺的提取效果。
[0042](3)田间蓖麻-蜈蚣草间作配置模式
[0043]某重金属污染土壤pH值为7.7，通过加入乙二铵四乙酸二钠盐将其pH调节到
6.1-7.1。其中的镉含量平均值为3.53mg/kg，其中的铅含量平均值为274mg/kg，其中的砷含量平均值为24mg/kg。选取大面积种植的镉富集蓖麻品种Zibo-8为修复材料，当富集型蓖麻种植成活后，地上部分高度为60-100cm时，移栽高度为15-30cm蜈蚣草幼苗与蓖麻进行间作(图3)，按照0.5?Im的株距种植单作蓖麻，按照0.25?0.5m的株距间作蓖麻与蜈蚣草；土壤含水量保持在田间持水量的40?70%。生长4个月后，首次收割蓖麻其地上部，蜈蚣草在此期间收割2次，收割物送废物填埋场安全填埋。经分析测定，蜈蚣草地上部中镉、铅和砷含量分别为4.lmg/kg，83mg/kg和324mg/kg，蓖麻茎的镉、铅和砷含量分别为3.17mg/kg, 14.59mg/kg和2.47mg/kg,蓖麻叶的镉、铅和砷含量分别为20.31mg/kg,38.46mg/kg和26.14mg/kg,按照间作条件下每亩蓖麻莖干重300kg和叶干重300kg,蜈蚁草地上部分干重为IOOkg来计算，每年蓖麻收获2次，蜈蚣草收获3次，采取间作模式每亩每年可以从土壤带走15g镉，57g铅和114g砷，能有效地带走土壤中的重金属污染物，获得治理土壤污染的效果。同时产出蓖麻籽400?500kg，产生物柴油150kg左右。
[0044]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
【权利要求】
1.一种治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，该方法包括步骤如下: 步骤S1:选取镉富集型蓖麻品种； 步骤S2:控制镉铅砷污染土壤的酸碱度，获取中性酸碱度的镉铅砷污染的土壤； 步骤S3:将镉富集型蓖麻与蜈蚣草以间作方式种植到中性酸碱度的镉铅砷污染的土壤中成活生长，通过蓖麻的根系大量吸收污染土壤中的镉，并定期收获成熟的蓖麻，则执行步骤S5 ； 步骤S4:视蜈蚣草的生长高度，收割蜈蚣草上部，通过蜈蚣草的草根系和收割的蜈蚣草上部大量吸收污染土壤中的铅砷，则执行步骤S5 ;在所述土壤地面上保留一蜈蚣草段茬，则执行步骤S3; 步骤S5:将收获成熟的蓖麻和蜈蚣草上部送至专属场所集中并做无害化处理。
2.如权利要求1所述的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述选取镉富集型蓖麻的步骤包括: 以低度和中度镉污染 土壤为蓖麻生长基质，记录并分析了蓖麻地上部分生物量和镉浓度； 综合考虑不同地区的多种蓖麻品种地上部分的生物量、镉含量及其对应土壤的镉含量，筛选出镉富集型蓖麻品种:Zibo-9，Zibo-6，Zibo-5和Zibo-8 ； 根据低度和中度镉污染土壤条件下蓖麻生物量的响应作为耐性评价指标，获得镉富集蓖麻品种的镉耐性顺序:Zibo_9 > Zibo-6 > Zibo-8 > Zibo-5。
3.如权利要求1所述的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述镉富集型蓖麻与蜈蚣草间作方式是按照0.25m~0.5m的株距种植间作。
4.如权利要求3所述的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述镉铅砷污染土壤为碱性土壤时，要对碱性土壤施用酸性物质，用以调节碱性土壤的酸碱度值为6.1~7.1 ;所述的酸性物质包括乙二铵四乙酸二钠盐、草酸、柠檬酸中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述蜈蚣草的生长高度是当蜈蚣草生长到60cm~80cm进行首次收割，之后当蜈蚣草生长到50cm~70cm时再收割一次。
6.如权利要求1所述的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述蜈蚣草段茬的高度为IOcm~20cm。
7.如权利要求1所述的治理镉铅砷复合污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述无害化处理包括焚烧或压缩后作无害化填埋。
8.—种治理镉污染土壤的植物修复方法，其特征在于，该方法包括步骤如下: 步骤Al:选取铺g集型昆麻品种； 步骤A2:控制镉污染土壤的酸碱度，获取中性酸碱度的镉污染土壤； 步骤A3:将镉富集型蓖麻种植到中性酸碱度的镉污染土壤中成活生长，定期收获成熟的蓖麻，由镉富集型蓖麻把镉污染土壤移除、分解； 步骤A4:将收获成熟的蓖麻送至专属场所集中并做无害化处理。
9.如权利要求8所述的治理镉污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述镉污染土壤为碱性土壤时，要对碱性土壤施用酸性物质，用以调节碱性土壤的酸碱度值为6.1~. 7.1。
10.如权利要求9所述的治理镉污染土壤的植物修复方法，其特征在于，所述的酸性物质包括乙二铵四乙酸二钠盐、草酸、柠檬酸中的一种或几种。
【文档编号】B09C1/00GK103894401SQ201410163223
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】郭庆军, 杨俊兴, 张晗芝, 陈同斌, 朱光旭, 魏荣菲, 王春雨, 田丽艳 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所