超富集植物修復鉛汙染土壤的應用及其方法
2023-06-16 17:08:21
專利名稱：超富集植物修復鉛汙染土壤的應用及其方法
技術領域：
本發明涉及汙染環境的植物修復技術，特別涉及利用超富集植物修復被重金屬汙染的土壤的方法。
背景技術：
重金屬汙染土壤的途徑通常有以下兩種一是金屬礦開採活動造成的環境汙染，汙染類型主要有坑口周圍土壤中礦床礦物在水、氣、熱等環境因素長期作用下而形成的重金屬汙染較嚴重的土壤；採礦廢石堆放過程中因淋濾等原因造成的重金屬汙染土壤；含有較高濃度重金屬的礦山含有較高濃度重金屬的礦山廢水對土壤造成的汙染等。二是工業汙水灌溉農田引發的重金屬汙染土壤，雲南省滇東南有色金屬礦區土壤重金屬含量普遍超標，土壤平均鉛含量為500-18096mg/kg，超標率達60-100％，汙染指數3.47-33.66，土壤鉛汙染相當嚴重。鶴慶北衙地區冶煉廠附近山地也受到嚴重汙染，非鉛地區農田土壤中鉛含量範圍為2-100mg/kg，平均10mg/kg，北衙地區農田耕作土壤中鉛含量為850.7-4790.1mg/kg，超過非鉛土壤均值的127-1388倍。通常用於土壤重金屬汙染修復的技術有農業生態措施、工程措施和生物措施。農業生態措施包括兩方面一是農業生態調控，如調節土壤PH值，土壤水分、氧化-還原電位(Eh)等；二是農藝修復措施，包括改變耕作制度、選種抗汙染農作物品種、選擇合適形態化肥等。該種方法的主要機理為固化土壤中的重金屬，增加土壤對重金屬的吸收能力，對減少重金屬被作物吸收具有一定作用，有效降低重金屬對人類健康的威脅。但是這種方法無法從根本上防治土壤重金屬汙染。
工程措施包括土壤化學淋洗、電動修復、電熱修復、改土法、固化技術等。(1)土壤化學淋洗使用能促進土壤中重金屬遷移或溶解的提取劑，使土壤固相結合的重金屬轉移到土壤液相，再把包含有重金屬的液體從土層中抽提出來，進行分離和汙水處理的技術。化學淋洗是有效處理難揮發性重金屬汙染土壤的有效手段之一，選擇合適的提取劑是該項技術的關鍵。但是無論哪種提取劑都存在回收、二次汙染等還未解決或完善的技術問題。(2)電動修複利用電極使重金屬離子從土壤表面解吸及溶解，定向遷移富集在陰極區域，再抽提去除。該技術目前在德國和美國已進行了大範圍的工程試驗，特別適合於低滲透性的黏土和淤泥土，經濟合理。但是由於土壤系統組分的複雜性，經常出現實際應用與實驗結果相反的現象，如土壤的緩衝性能、組分、離子組成、汙染金屬離子的種類等都會影響電動修復的效果，金屬電極本身容易被腐蝕，也會造成土壤的二次汙染。(3)電熱修復向土壤中通入熱蒸汽或用射頻加熱等方法，對土壤進行加熱，將揮發性重金屬從土壤顆粒中解析出來，並收集起來進行處理。該技術的不足之處在於土壤有機質和結構水易遭到破壞，驅趕土壤水分需要消耗大量能量。(4)改土法主要包括客土、換土和翻土等措施，客土是向汙染土壤中加入大量的乾淨土壤；換土是將汙染土壤直接取走，換入新的未汙染土壤；翻土是將汙染重的土壤翻至下層。該項措施對小面積土壤汙染是行之有效的，但是不適用於大範圍土壤汙染治理，且對換出去的土壤依然存在妥善處理，避免二次汙染的問題。(5)固化技術把受汙染土壤與固化劑按一定比例混合，改變土壤的理化性質，通過重金屬的吸附或沉澱作用來降低其生物有效性。汙染土壤中的有毒金屬被固定後，不僅可以在一定程度上緩解重金屬對土壤生物和植物的生理毒害，而且可緩解重金屬向土壤深層和地下水遷移。該方法具有一定效果，原位固化重金屬，大大降低成本，但也有一定局限性只是改變了重金屬在土壤中的存在形態，對土壤長期穩定性和對生態系統的影響不甚了解，目前也缺乏這方面的研究。
生物措施是利用某些特定的動、植物和微生物能夠較快地吸走土壤中的重金屬汙染而達到淨化土壤的目的。與物理、化學處理技術相比，具有安全、費用低廉、效果好等優點，被稱為一種新的環境友好替代技術。(1)微生物修復微生物可吸附積累重金屬，改變作物根部微環境，降低土壤中重金屬的毒性，提高植物對重金屬的吸收、揮發或固定效率。但該技術也面臨一定的難題，一方面微生物生物量小，吸收的金屬量較少；另一方面因其生物量很小而難於進行後處理。(2)植物修復是利用自然生長植物或遺傳工程培育植物修復金屬汙染土壤的技術總稱。這一技術核心是綠色植物的超常作用，以太陽能為驅動力，以其潛在的高效、經濟及其生態協調性等優勢成為學術界研究的熱點。
超積累植物(Hyperaccmulator)也叫超富集植物，是指能超量吸收和積累重金屬的植物，這一定義最初是由Baker和Brooks等提出的。超積累植物應同時具備三個特徵一是植物地上部(莖或葉)金屬含量是未受到汙染或者輕度汙染的環境下其它植物在同一生長條件下的10-500倍，鉛(Pb)的臨界含量為1000mg/kg；二是植物地上部分重金屬含量大於根部該種金屬含量；三是植物的生長沒有出現明顯的毒害症狀。生活在重金屬汙染程度較高土壤上地上部生物量沒有顯著減少是超積累植物區別於普通植物的一個重要特徵。這是超積累植物所具有的區別於普通植物的超強忍耐性的表現特徵之一。而對於普通植物而言，雖有些植物在這種情況下也能生存生長，但其地上部分生物量往往會明顯降低，通常表現為植株矮小，有的生物學特性還會改變，如葉子，花色變色等。具備上述三個特徵，且植物體內的鉛(Pb)含量大於1000mg/kg的，為超富集植物。土壤鉛的移動性較弱，容易以硫酸鹽或磷酸鹽形式被土壤膠體或植物根際吸附固定，不利於植物吸收。因此，目前有關植物富集鉛的研究較少，國內外已報導的鉛超積累植物約14種，如遏藍菜屬(Thlaspi rotundilolium)、燕麥草(Arrhenatherum elatius)、愛遏藍菜(Thlaspi caerulescens)等。但是已發現的鉛超累積植物大多生物量小，且生長緩慢，極大地限制了它在修復汙染土壤方面的應用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種費用低廉，可操作性強，不破壞土壤理化性質，不引起二次汙染，具有良好效果的利用超富集植物對鉛的轉移來修復鉛汙染土壤，超富集植物修復鉛汙染土壤的應用。
本發明的另一目的是提供這種超富集植物修復鉛汙染土壤的應用的的方法。
本發明所述的超富集植物修復鉛汙染土壤的應用，是將植物蓖麻種植在鉛汙染的土壤上。
為了實現上述應用，本發明採用的方法如下一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，所利用的植物為蓖麻，其方法是在含汙染物鉛的土壤上種植蓖麻，通過蓖麻的根系吸收汙染土壤中的鉛，並將鉛轉移至蓖麻的莖和葉等地上部器官，當植物長到花開期或成熟期時，將植物地上部分從汙染土壤上移走，從而實現除去土壤中汙染物鉛的目的所述的利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，在含汙染物鉛的土壤上種植植物蓖麻，是在鉛汙染的土壤上直接播種。按株距×行距＝0.4-0.5m×0.8-1.0m播種，種植密度為13000-20000株/hm2。
所述的利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，所述在含汙染物鉛的土壤上種植蓖麻，可採用複種的方式，即在第一茬蓖麻長到開花期時，將植物整體從汙染土壤上移走，再種植第二茬，重複上述過程，直至徹底除去土壤中超標的鉛。
所述的利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，在含汙染物鉛的土壤上種植蓖麻之前，在土壤中施入農家肥作基肥，施用量根據土壤肥力的不同，一般控制在10000-20000kg/hm2，在不具備施有機肥的地方可用普鈣代替，施用量為300-750kg/hm2，一次性施入，在蓖麻生長過程中用尿素進行追肥，其用量為280-350kg/hm2，使地上面部分的蓖麻植物量增加，從而提高對汙染土壤中鉛的提取率。
所述的利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，在植物長到開花期或成熟期進行收割，收割後可用以焚燒發電，回收金屬、堆肥、壓縮填埋的方法進行處理。
在雲南省鶴慶北衙地區進行了大量的試驗研究，據資料非鉛異常土壤中鉛含量為2-100mg/kg，平均10mg/kg；受鉛汙染的農田耕作土壤中鉛含量為850.7-4790.1mg/kg，超過非鉛異常土壤鉛含量均值的84-478倍；汙染源下風向山地土壤中鉛含量高達4157.3-6810mg/kg，受到嚴重汙染。檢測該地區受鉛汙染的作物，主要糧食水稻和玉米鉛含量最高達17.5mg/kg和16.1mg/kg，青菜和蒜苗為160.5mg/kg和120.3mg/kg，而蓖麻的鉛含量高達2029.5mg/kg。蓖麻體內富集的鉛是同一受汙染地區在同種生長條件下其它作物最高含鉛量的13-126倍，體現出蓖麻在受到鉛嚴重汙染土壤的超富集作用；同時非鉛異常的蓖麻體內鉛含量一般為15-100mg/kg，而在受鉛汙染土壤上生長的蓖麻發揮出其對鉛超富集的能力，體內鉛含量達到原來的20-135倍。
在滇東南有色礦區土壤試驗表明，土壤中鉛汙染超標率大於50％的地區，當在土壤鉛含量為291.2-2802mg/kg範圍內種植的蓖麻體內含鉛量高達1500mg/kg，是其它作物的10-200倍，體現出對鉛的超富集能力。
只有能夠大量吸收並富集鉛的植物才能被用於修復鉛汙染的土壤，因此，在超積累植物品種的篩選過程中，植物體內的鉛含量是最關鍵的指標。根據試驗結果，蓖麻(Kicinus communis L.)體內鉛含量達2029.5mg/kg，經試驗證明，在鉛輕度汙染的土地上種蓖麻和糧食，蓖麻的鉛含量是糧食的2200倍，在鉛中度汙染的土地上種蓖麻和糧食，蓖麻的鉛含量是糧食的110倍，在輕度汙染的土地上種蓖麻和蔬菜，蓖麻的鉛含量是蔬菜的400倍，可見蓖麻對鉛具有較強的吸收富集能力，且由根部向地上部轉移鉛的能力也較強，植物地上部分重金屬含量大於根部該種金屬含量，且蓖麻的生物量沒有減少，生長沒有出現明顯的毒害症狀，具有良好的修復能力。
本發明通過超富集植物蓖麻吸收提取土壤中的鉛，永久性地解決土壤汙染問題，修復鉛汙染土壤，具有能耗較低、費用低廉，可操作性強，不破壞環境理化性質，不引起二次汙染，能大大減少運行費用，可以大面積在汙染土壤上使用。實驗證明蓖麻是一種超富集植物，本發明利用蓖麻對鉛金屬的超富集提取作用，通過在鉛汙染土壤上種植這種超積累植物，能夠在穩定汙染土壤，減少土壤風蝕，水蝕及不引起地下水二次汙染的同時，使汙染土壤得到修復，可以永久性地解決土壤鉛汙染的問題，對環境擾動小，是可靠的、環境相對安全的技術，與現有技術相比，既不破壞汙染現場土壤結構，培肥地力，又大大降低了修復費用。
具體實施例方式
實施例1一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，選用在雲南地區常用的蓖麻種子，TCO-202，1995年由雲南省農科院油料所引入，在雲南栽培屬多年生品種。播種前在土壤中施入農家肥作基肥，施用量根據土壤肥力的不同，一般控制在10000kg/hm2，在不具備施有機肥的地方可用普鈣代替，施用量為300kg/hm2，一次性施入。按株距×行距＝0.5m×1m播種，種植密度為19995株/hm2。按大田管理的方法，播種澆灌一次，當年生蓖麻生育期不進行整枝和打頂，冬天進行相同的冬春管理，在1月30日左右，距地面40cm處進行砍伐。第二年宿生蓖麻在3月中旬蓖麻分枝為20cm左右時進行整枝，每株留健壯的3-4個分枝。尿素追肥分兩次施入，施用量共300kg/hm2，其中苗肥佔1/3，穗肥佔2/3，苗肥在6-7片真葉時追肥，穗肥在主穗開花時追肥。第而二年不施肥，只作冬春管理，進行砍伐和整枝。收割後可用堆肥、壓縮填埋的方法進行處理。
實施例2一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，選用在雲南地區常用的蓖麻種子，TCO-202，1995年由雲南省農科院油料所引入，在雲南栽培屬多年生品種。播種前在土壤中施入農家肥作基肥，施用量根據土壤肥力的不同，一般控制在20000kg/hm2，在不具備施有機肥的地方可用普鈣代替，施用量為750kg/hm2，一次性施入。按株距×行距＝0.5m×1m播種，種植密度為19995株/hm2。按大田管理的方法，播種澆灌一次，當年生蓖麻生育期不進行整枝和打頂，冬天進行相同的冬春管理，在1月30日左右，距地面40cm處進行砍伐。第二年宿生蓖麻在3月中旬蓖麻分枝為20cm左右時進行整枝，每株留健壯的3-4個分枝。尿素追肥分兩次施入，施用量共450kg/hm2，其中苗肥佔1/3，穗肥佔2/3，苗肥在6-7片真葉時追肥，穗肥在主穗開花時追肥。第而二年不施肥，只作冬春管理，進行砍伐和整枝。收割後可用堆肥、壓縮填埋的方法進行處理。
實施例3一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，選用在雲南地區常用的蓖麻種子，TCO-202，1995年由雲南省農科院油料所引入，在雲南栽培屬多年生品種。播種前在土壤中施入農家肥作基肥，施用量根據土壤肥力的不同，一般控制在15000kg/hm2，在不具備施有機肥的地方可用普鈣代替，施用量為525kg/hm2，一次性施入。按株距×行距＝0.4m×0.8m播種，種植密度為20000株/hm2。按大田管理的方法，播種澆灌一次，當年生蓖麻生育期不進行整枝和打頂，冬天進行相同的冬春管理，在1月30日左右，距地面40cm處進行砍伐。第二年宿生蓖麻在3月中旬蓖麻分枝為20cm左右時進行整枝，每株留健壯的3-4個分枝。尿素追肥分兩次施入，施用量共375kg/hm2，其中苗肥佔1/3，穗肥佔2/3，苗肥在6-7片真葉時追肥，穗肥在主穗開花時追肥。第而二年不施肥，只作冬春管理，進行砍伐和整枝。收割後可用堆肥、壓縮填埋的方法進行處理。
實施例4一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，選用在雲南地區常用的蓖麻種子，TCO-202，1995年由雲南省農科院油料所引入，在雲南栽培屬多年生品種。播種前在土壤中施入農家肥作基肥，施用量根據土壤肥力的不同，一般控制在12500kg/hm2，在不具備施有機肥的地方可用普鈣代替，施用量為410kg/hm2，一次性施入。按株距×行距＝0.5m×1m播種，種植密度為10000株/hm2。按大田管理的方法，播種澆灌一次，當年生蓖麻生育期不進行整枝和打頂，冬天進行相同的冬春管理，在1月30日左右，距地面40cm處進行砍伐。第二年宿生蓖麻在3月中旬蓖麻分枝為20cm左右時進行整枝，每株留健壯的3-4個分枝。尿素追肥分兩次施入，施用量共340kg/hm2，其中苗肥佔1/3，穗肥佔2/3，苗肥在6-7片真葉時追肥，穗肥在主穗開花時追肥。第而二年不施肥，只作冬春管理，進行砍伐和整枝。收割後可用堆肥、壓縮填埋的方法進行處理。
實施例5一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，選用在雲南地區常用的蓖麻種子，TCO-202，1995年由雲南省農科院油料所引入，在雲南栽培屬多年生品種。播種前在土壤中施入農家肥作基肥，施用量根據土壤肥力的不同，一般控制在17500kg/hm2，在不具備施有機肥的地方可用普鈣代替，施用量為620kg/hm2，一次性施入。按株距×行距＝0.5m×1m播種，種植密度為19995株/hm2。按大田管理的方法，播種澆灌一次，當年生蓖麻生育期不進行整枝和打頂，冬天進行相同的冬春管理，在1月30日左右，距地面40cm處進行砍伐。第二年宿生蓖麻在3月中旬蓖麻分枝為20cm左右時進行整枝，每株留健壯的3-4個分枝。尿素追肥分兩次施入，施用量共400kg/hm2，其中苗肥佔1/3，穗肥佔2/3，苗肥在6-7片真葉時追肥，穗肥在主穗開花時追肥。第而二年不施肥，只作冬春管理，進行砍伐和整枝。收割後可用堆肥、壓縮填埋的方法進行處理。
權利要求
1.一種超富集植物修復鉛汙染土壤的應用，其特徵在於是將植物蓖麻種植在鉛汙染的土壤上。
2.一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於在含汙染物鉛的土壤上種植蓖麻，通過蓖麻的根系吸收汙染土壤中的鉛，當植物長到花開期或成熟期時，將植物地上部分從汙染土壤上移走。
3.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於在鉛汙染的土壤上直接播種。
4.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於蓖麻的播種按株距×行距＝0.4-0.5m×0.8-1.0m播種，種植密度為13000-20000株/hm2。
5.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於種植蓖麻，採用複種的方式，即在第一茬蓖麻長到開花期時，將植物整體從汙染土壤上移走，再種植第二茬，重複上述過程，直至徹底除去土壤中超標的鉛。
6.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於種植蓖麻之前，在土壤中施入有機肥作基肥，施用量為10000-20000kg/hm2。
7.根據權利要求5所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於所述的有機肥是農家肥。
8.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於種植蓖麻之前，在土壤中施入普鈣，施用量為300-750kg/hm2。
9.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於在蓖麻生長過程中用尿素進行追肥，其用量為280-350kg/hm2。
10.根據權利要求1所述的一種利用超富集植物修復鉛汙染土壤的方法，其特徵在於在蓖麻開花期或成熟期收割後，用以焚燒發電、回收金屬、堆肥、壓縮填埋的方法中的一種或幾種進行處理。
全文摘要
本發明涉及汙染環境的植物修復技術，特別涉及利用超富集植物修復被重金屬汙染的土壤的方法。本發明在含汙染物鉛的土壤上種植蓖麻，通過蓖麻的根系吸收汙染土壤中的鉛，當植物長到花開期或成熟期時，將植物部分從汙染土壤上移走。本發明通過蓖麻吸收提取土壤中的鉛，永久性地解決土壤汙染問題，修復鉛汙染土壤，具有能耗較低、費用低廉，可操作性強，不破壞環境理化性質，不引起二次汙染，能大大減少運行費用，既不破壞汙染現場土壤結構，培肥地力，又大大降低了修復費用，可以大面積在汙染土壤上使用。
文檔編號B09C1/10GK1887457SQ20061001104
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月14日 優先權日2006年7月14日
發明者劉曉海, 高雲濤, 賀彬, 王志芸, 寧平, 曾向東, 王偉, 陳同斌, 廖曉勇, 董琨, 文斌 申請人:雲南省環境科學研究院