一种铀污染土壤的高效植物提取修复方法与流程

本发明属于污染土壤修复技术领域，具体涉及一种铀污染土壤的高效植物提取修复方法。

背景技术：

铀(u)既是重金属也是一种核素，具有强烈的毒性。我国是矿山开采大国，先后建立了大量的铀矿开采区和铀尾矿库。我国表层土壤(0-20cm)铀的平均浓度是3.03mg.kg^-1，而铀尾矿库矿渣及污染土壤的u浓度可达26.11-122.1mg.kg^-1。铀矿的开采、冶炼产生的矿渣、废石给周围土壤、农田和水体造成的污染，时间长且危害性大，对矿山周围的环境和人民群众的健康安全构成了严重的威胁。因此，对于铀污染土壤的修复是一个亟待解决的问题。

1983年，美国科学家chaney首次提出植物修复技术。相较于传统的修复方法，植物修复技术具有安全、绿色、经济等独特的优点，根据其特征和用途分为四种：植物提取(植物将污染物从土壤中去除)、植物挥发(植物将易挥发的污染物去除)、根际过滤(植物根系从流动的液体中去除污染物)、植物固定(植物将土壤转变为毒性较低的形式，但不从土壤中去除)。对于土壤的重金属污染修复，一般采用植物提取和植物固定。

目前植物修复界普遍认定理想的重金属提取植物是超富集植物。而重金属超富集植物的四个基本特征是：(1)临界含量特征：超富集植物地上部分干重含量大于一定的临界值；(2)转移特征：地上部分的含量应高于地下部分；(3)耐性特征：超富集植物对有毒污染物耐受力高，特别地，在生长于受污染土壤时地上部分生物量不明显下降；(4)富集系数特征：富集系数＞1，甚至＞10。广大科技工作者针对铀富集植物的筛选，进行了大量的研究。虽然目前尚未发现铀的超富集植物，但已经发现了20余种植物对铀元素具有较好的富集能力，如印度芥菜(brassicajuncea)、向日葵(helianthusannuus)、美洲商陆(phytocaccaamericanal.)、榨菜(b.junceavar.tumidatsenetlee)、艾蒿(artemisiaargyi)、黄香草木犀(melilotusofficinalis)、山黄麻(tremaorientalis)、田皂角(aeschynomeneindica)、五节芒(miscanthusfloridulus)、白茅(imperatacylindrica)、博落回(macleayacordata)、水蜈蚣(kyllingabrevifolia)、四季香油麦菜(lactucadolichophyllakitam.)、吊兰(chlorophytumcomosum)、鸭跖草(commelinacommunis)、铁苋(acalyphaaustralisl.)、酸模(rumexacetosalinn)、菊苣(cichoriumintybusl.)、柳叶苋(amaranth)、蕹菜(iaquaticaforsk)、四季豆(phaseolusvulgarisvar.humilisalef)、高粱(sorghumbicolor(l.)moench)、空心莲子草(alternantheraphiloxeroides(mart.)griseb.)、鬼针草(bidenspilosa)、苍耳(xanthiumsibiricum)、黄秋葵(abelmoschusesculentusl.)、碎米莎草(cyperusirial.)、吊竹梅(zebrinapendula)、雪莲果(saussureainvolucrata)等。

学者们也提出了各种将以上铀富集植物用于铀污染土壤修复的具体方法，但尚存在一些问题：

(1)如果修复植物属于蔬菜或水果等可食用植物(如印度芥菜、向日葵、榨菜、四季香油麦菜、蕹菜、菊苣、四季豆、高粱、黄秋葵、雪莲果)，则存在进入食物链、被人误食而严重影响人体健康的重大风险。

(2)美洲商陆、艾蒿、黄香草木犀、田皂角、五节芒、白茅、博落回、水蜈蚣、吊兰、鸭跖草、铁苋、酸模、柳叶苋、空心莲子草、鬼针草、苍耳、碎米莎草、吊竹梅、榨菜、四季香油麦菜、蕹菜、菊苣等草本植物生物量小，从而导致修复效率低。

(3)美洲商陆、艾蒿、黄香草木犀、山黄麻、田皂角、五节芒、白茅、博落回、水蜈蚣、鸭跖草、铁苋、酸模、柳叶苋、空心莲子草、鬼针草、苍耳、碎米莎草等野生植物的植保措施不完善，缺乏大规模种植的成熟技术。

(4)某些方法没有明确定量研究铀富集植物的耐受力指标，如榨菜(b.junceavar.tumidatsenetlee)、艾蒿(artemisiaargyi)、黄香草木犀(melilotusofficinalis)、山黄麻(tremaorientalis)、田皂角(aeschynomeneindica)、五节芒(miscanthusfloridulus)、白茅(imperatacylindrica)；或者经研究表明耐受力较差，如黄秋葵、柳叶苋。铀富集植物的耐受力不明确或耐受力比较差，将直接影响修复效果。

(5)铀污染土壤常常伴生有其他重金属污染，某些铀富集植物缺乏对多种重金属的修复能力。

(6)绝大部分铀富集植物是根部富集植物，很多学者没有研究其根系分泌物以及根际周围土壤环境在经根际富集后，铀的活性是否降低或毒性是否减弱，就将其用于植物固定修复。如果经植物固定后，铀的活性没有降低或毒性没有减弱，若根部腐烂，有毒重金属将返回土壤，达不到修复污染的目的。

(7)如果采用入侵植物，如美洲商陆，进行污染修复，大规模种植有可能造成生物入侵问题。

苎麻(boehmerianivea)，荨麻科苎麻属多年生亚灌木或灌木，是原产于我国的纤维经济作物，新石器时代长江中下游一些地方就已有种植，在国际上称为“中国草”。世界苎麻产量以中国最大，占世界总产量的90％左右，巴西、菲律宾居二、三位，印度尼西亚、朝鲜、越南及其它东南亚国家有少量种植，地中海地区也已有人工培育成功的报导。

授权公告号为cn102919040b的中国专利公布了一种在重金属中度污染土壤上种植苎麻的方法，可钝化土壤中的镉、铅、砷、铬、镍、铜和锌；其目的在于提高重金属污染土壤的经济效益，而对于钝化后的重金属能否长时间保持钝化，种植苎麻后土壤的重金属污染情况是否有所改善并未涉及。

公开号为cn108015104a的中国专利公布了一种一种修复重金属镉污染土壤的苎麻种植方法，不过该方法对于镉的富集系数分别仅为0.47与0.52，均小于1，其所能达到的修复效果是十分有限的。

为了提高苎麻对于重金属的修复效果，本领域技术人员进行了一些有益的尝试。

公开号为cn102165889a的中国专利公布了一种用于提高对pb和as污染土壤修复能力的苎麻种植方法，该方法通过将苎麻和蜈蚣草进行间作，可以提高对pb和as污染土壤的修复能力。

公开号为cn107952793a的中国专利公布了一种利用黄孢原毛平革菌和苎麻联合修复治理重金属污染农田的方法，该方法通过将黄孢原毛平革菌和苎麻联用，提高了对于镉、砷和铅污染土壤的修复能力。

但是，如何利用植物提取修复方式对铀污染土壤进行修复的研究还较少，且获得的成果不尽人意。因此，这方面的研究是本领域所亟需的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足和需求，本发明的目的在于提供一种铀污染土壤的高效植物提取修复方法，所述方法包括如下步骤：

(1)对受铀污染土壤进行整地并施用基肥；

(2)播种品种为湘苎7号的苎麻种子；

(3)出苗长出新叶之后，施用生长肥；

(4)对生长后的苎麻进行收割；

其中，所述受铀污染土壤中铀含量为25-175μg/g；

所述基肥通过如下方法获得：

1)按重量份计，准备如下原料：

纳米碳8份、尿素32份、磷酸二胺6份、氯化钾10份、草木灰6份、人畜粪25份、橘皮12份、硼砂3份、银杏叶12份、圆褐固氮菌1份、酵母菌2份、黑曲霉0.5份；

2)将纳米碳、尿素、磷酸二胺、氯化钾、草木灰、人畜粪和硼砂混合，搅拌均匀，接种酵母菌和圆褐固氮菌，按固液重量比1:100的比例加入水，在发酵罐中于35-40℃下，无氧发酵12-15天，取发酵产物；

3)将银杏叶和橘皮粉碎，按固液重量比1:8的比例加入水，于20-25℃下静置1天，调整水含量为50-60％，接种黑曲霉，进行堆沤发酵，当温度达到60℃时，翻堆1次，此后翻堆3-4次以保持温度在65-75℃直至腐熟，然后摊开晾晒至含水量为20-25％；

4)将步骤2)和步骤3)所得物混合，即得所述基肥；

按重量份计，所述生长肥的配方为：

多效唑10份、尿素200份、硫酸钾40份、磷酸一铵150份。

步骤(1)中，所述整地的方法为：除草后，深耕0.3-0.4米，保证土壤疏松，保持畦面宽为2-4米。

步骤(2)中，所述播种采取的方法为手播法或细筛筛播法。种子育苗的实生苗根系强大，特别是萝卜根发达，有利于充分利用苎麻的地下部分根茎提取土壤的铀污染，而且吸收肥水能力强，保证苎麻的旺盛生长，所以本发明采用播种的方式种植。当日平均温度在12℃以上就可播种

步骤(2)中，进行所述播种时，播种量为每平方千米土壤75千克种子。

所述基肥的施用量为5×10⁶kg/平方千米。

所述生长肥的施肥方式为，在苗长出新叶之后每隔5-7天施肥一次，每次施用量为100g/株。

步骤(3)前出苗时，进行间苗，密度为0.3m×0.45m，每穴2株苗。

步骤(4)中，对头麻进行收割时，在黑杆达到2/3时收割地上部分；对二麻进行收割时，在黑杆达到2/3时收割地上部分；在三麻成熟后，分别收割地上和地下部分。

进行所述收割之后，进行铀的回收和处理。可取的方法之一为：将收割的苎麻地上部分与地下部分分别集中晒干焚烧，对于铀含量较低的地上部分灰分，可进行填埋；而对于铀含量较高的地下部分灰分，可进一步进行铀的回收。

研究发现，野生苎麻常常是采矿区或者冶炼厂尾矿库的先锋或者优势植物，具有能适应少水、少肥，忍受重金属污染胁迫的优良品质。亚洲最大的雄黄矿湖南石门雄黄矿尾砂坝附近,砷含量高达284.9μg/g,仅生长蜈蚣草、苎麻；苎麻叶的砷含量达到536μg/gdw。湖南省郴州市的柿竹园钨锡铋钼混合矿矿区才山选矿厂植物覆盖度仅5％，只有四种植物生长，苎麻是其中之一。湖南冷水江锑矿区，9个采样点sb含量超过全国土壤背景值40-11503倍，但苎麻在这9个采样点均属优势植物。苎麻对砷、镉、铅、锑、铜、锌等均有富集作用。宝山铅锌银矿苎麻样本在临界含量特征与转移特征两项指标已经达到镉、铅超富集植物的标准。湖南石门、冷水江、浏阳3个矿区的苎麻地上部的cd含量比一般植物的cd含量大2-10倍，as含量大9.9-147.5倍，sb含量大1.2-338.4倍；cd富集系数和转移系数最高值为2.07和3；as富集系数和转移系数最高值为1.04和12.42，sb富集系数和转移系数最高值为1.91和9.04。

本发明的发明人在某铀尾矿库进行了15种优势植物的采样与分析测试，其中苎麻的铀富集能力和转移能力均最强，其样本根、茎、叶的铀含量分别为21.552、22.439和44.264μg/g，明显高于其根际土壤的铀含量7.980μg/g，富集系数和转移系数分别为3.028和1.642，具有良好的铀富集潜质。

发明人随后采用人工培育苎麻品种湘苎7号进行了苎麻铀富集与耐性特征的盆栽实验。以25、75、125、175、275、375、485μg/g7个不同浓度铀采用饱和持水量法配制实验土壤，每个浓度4个重复。按茎、叶、地上部分、地下部分分别计算湘苎7号的铀富集系数和富集量。实验结果表明：在土壤铀含量为25-175μg/g时，湘苎7号的铀整体富集系数和地下部分富集系数均随土壤铀含量增加而升高，分别为1.200-1.834和1.460-2.341(图1)。湘苎7号的生物量与对铀的积累主要集中在其地下部分(表1)。将不同铀处理浓度的最大光化学量子产量、地上部分生物量、株高、根长平均值与ck组的平均值进行了单因素方差分析(α＝0.05)，并计算出耐性指数。对方差齐性检验显著性>0.05的最大光化学量子产量、地上部分生物量、株高采用lsd和duncan两种方法分别进行单因素方差分析。而方差齐性检验显著性<0.05的根长采用tamhane、dunnettt3、games-howell(a)、dunnettc四种方法分别进行了事后检验的多重比较，比较结果显示不同处理浓度组别间没有明显差异(表2)。可见湘苎7号对铀浓度介于25-485μg/g的培养基质都有相当高的耐受性。

由于苎麻对铀及伴生重金属的富集主要集中在地下根茎部分(麻兜)，所以将苎麻用于植物提取修复土壤铀污染的种植环节，均围绕尽量促进麻兜的发育来进行。种子育苗的实生苗根系强大，特别是萝卜根发达，有利于充分利用苎麻的地下部分根茎提取土壤的铀污染。

上述发现表明苎麻对于铀具有天然富集能力、耐性强，而且发明人经过大量实验摸索后，发现施用本发明的基肥和生长肥后，可以显著的提高苎麻的生物量和对于铀的富集能力，更加的利于铀污染土壤的修复(表3)，进一步提高了以植物提取方式利用其修复铀污染土壤的效率。另外，苎麻不进入食物链、生长迅速、生物量大、栽培技术成熟、植保措施完善、地下根茎体积小、便于收割与集中处理、不存在生物入侵问题。因此，利用苎麻作为植物提取修复铀污染土壤具有较好的应用前景。

本发明的有益效果：

本发明的方法可以对铀污染土壤进行高效的植物提取修复，所用的苎麻不进入食物链、生长迅速、生物量大、栽培技术成熟、植保措施完善、耐性强、地下根茎体积小、便于收割与集中处理、不存在生物入侵问题，本发明是一种经济、方便、效率高、生态效益好的修复铀污染土壤的方法。

附图说明

图1为本发明对比例不同处理浓度下湘苎7号各部分的铀含量结果图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

(1)整地与基肥施用：先除尽杂草，用少许农药毒杀地下害虫。深耕细整，一般要求深耕0.3-0.4米，保证土壤疏松；畦面宽一般2米左右，依地势、土层不同可宽至3-4米；施用基肥，基肥的施用量为5×10⁶kg/平方千米。

上述基肥通过如下方法获得：

1)按重量份计，准备如下原料：

纳米碳8份、尿素32份、磷酸二胺6份、氯化钾10份、草木灰6份、人畜粪25份、橘皮12份、硼砂3份、银杏叶12份、圆褐固氮菌1份、酵母菌2份、黑曲霉0.5份；

2)将纳米碳、尿素、磷酸二胺、氯化钾、草木灰、人畜粪和硼砂混合，搅拌均匀，接种酵母菌和圆褐固氮菌，按固液重量比1:100的比例加入水，在发酵罐中于35-40℃下，无氧发酵15天，取发酵产物；

3)将银杏叶和橘皮粉碎，按固液重量比1:8的比例加入水，于20-25℃下静置1天，调整水含量为50-60％，接种黑曲霉，进行堆沤发酵，当温度达到60℃时，翻堆1次，此后翻堆3-4次以保持温度在65-75℃直至腐熟，然后摊开晾晒至含水量为20-25％；

将步骤2)和步骤3)所得物混合，即得所述基肥；

(2)播种。种子育苗的实生苗根系强大，特别是萝卜根发达，有利于充分利用苎麻的地下部分根茎提取土壤的铀污染，而且吸收肥水能力强，保证苎麻的旺盛生长，所以本发明采用播种的方式种植。当日平均温度在12℃以上就可播种。修复1km²的污染土壤需要75kg种子。采用手播法或细筛筛播法来回反复多次播种。在日平均温度20℃左右时，一星期即可出苗。根据出苗情况，适时间苗。栽植密度以0.3m×0.45m为宜，每穴2株麻苗。

(3)生长期的施肥与管理。长江流域苎麻可一年收三季，一般头麻在5月底至6月上旬，二麻7月下旬至8月上旬，三麻在10月下旬。出苗长出新叶之后，施用生长肥。生长肥的施肥方式为：在苗长出新叶之后每隔5-7天施肥一次，每次施用量为100g/株。按重量份计，生长肥的配方为：

多效唑10份、尿素200份、硫酸钾40份、磷酸一铵150份。

在实际使用时，将上述配方物质溶于100000份水中进行施肥。

(4)头麻、二麻收割。头麻麻茎生长到一定时期后，生长速度明显减慢，从上到下逐渐变褐，出现木栓化组织，当黑杆达到2/3，且下部麻叶脱落，梢部手捏不断，麻蔸已萌发“催蔸麻”(二麻)时，此时要进行头麻地上部分的收割。萌发的新苗继续生长为二麻，二麻黑杆2/3后收割其地上部分。

(5)三麻收割：待10月下旬三麻成熟后将其地上部分与地下部分一起收割。

(6)集中处理：将收割的苎麻地上部分与地下部分集中晒干焚烧，灰分可进一步进行回收铀、填埋等处理。

对比例

在实施例1的基础上进行如下调整：

所用的基肥以农家肥为主、化肥为辅，迟效肥和速效肥配合，具体肥料及其每平方千米用来为土杂肥15×10⁶kg、3×10⁶kg人畜粪、过磷酸钙37500kg。

生长肥的施用为：在头麻、二麻、三麻生长旺盛时，施用生长肥，生长肥的施肥方式为：在苗长出新叶之后每隔5-7天施肥一次，每次施用量为100g/株。按重量份计，生长肥的配方为：

多效唑10份、尿素200。

在实际使用时，将上述配方物质溶于100000份水中进行施肥。

为考察实施例1和对比例的技术效果，本发明利用盆栽实验进行验证，以25、75、125、175、275、375、485μg/g7个不同浓度铀采用饱和持水量法配制实验土壤，每个浓度4个重复。按茎、叶、地上部分、地下部分分别计算铀富集系数和富集量。在具体操作中，仅仅是不需要进行相应的整地操作而已，其它操作与上述记载的步骤一致。对实施例1和对比例的结果进行检测，对比例的结果如图1、表1和表2所示。可知，湘苎7号对于铀污染土壤中的铀具有富集作用。对比例所采用的肥料为常用的肥料，我们通过改变所施用的肥料，显著的增强了苎麻对于铀的富集能力。

从盆栽实验可知，本发明可以显著增强苎麻对铀的富集能力、提高修复效率，具有良好的植物提取修复功能。在实际应用中，仅需依照本发明方法用于大田中便可。

表1对比例不同处理浓度下湘苎7号地下部分生物量与铀积累量及其所占比例

表2不同处理浓度下湘苎7号的耐性特征

注：表2中苎麻性状值数据为平均值±标准误差(地上部分生物量n＝4，最大光化学量子产量、株高、根长n＝8)。

表3实施例1不同处理浓度下湘苎7号地下部分生物量与铀积累量及其所占比例