一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法

2023-08-03 08:09:41

一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法
【專利摘要】本發明提供一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，該方法包括步驟如下：步驟S1：選取鎘富集型蓖麻品種；步驟S2：獲取中性酸鹼度的鎘鉛砷汙染的土壤；步驟S3：將鎘富集型蓖麻與蜈蚣草以間作方式種植到中性酸鹼度的鎘鉛砷汙染的土壤中成活生長，並定期收穫成熟的蓖麻，執行步驟S5；步驟S4：視蜈蚣草的生長高度，收割蜈蚣草上部，執行步驟S5；在土壤地面上保留一蜈蚣草段茬執行步驟S3；步驟S5：將收穫成熟的蓖麻和蜈蚣草上部送至專屬場所集中並做無害化處理。本發明還提供一種治理鎘汙染土壤的植物修複方法。本發明適用於中度和輕度鎘鉛砷汙染土壤的治理修復，具有良好的實際應用前景。
【專利說明】一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及汙染治理【技術領域】，具體地說是一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法。
【背景技術】
[0002]目前隨著工農業發展和城市化進程的加快，重金屬汙染土壤的現象在我國部分地方比較普遍，在某些有色金屬礦區及冶煉廠周邊地區尤為嚴重，其中鎘(Cd)、鉛(Pb)、砷(As)尤為嚴重，遠遠超過GB15618-1995《土壤環境質量標準》中為保障農林業生產和植物正常生長的土壤臨界值。現在我國受重金屬汙染的農田土壤約2500萬公頃，每年被重金屬汙染的糧食多達1200萬噸，造成的直接經濟損失超過100億元。
[0003]近年來，植物修復技術在國際國內治理土壤重金屬汙染領域逐漸成為主流。植物修復優點主要有:適用汙染因子廣泛，不僅適合重金屬，同時兼治有機汙染；從生態角度看，有利於汙染地生態修復，美化環境；以太陽能為動力，投入少，成本低；不易引起二次汙染。
[0004]在植物修復技術中，選用重金屬超富集植物技術來修復重金屬汙染土壤是較為常見的一種技術。該技術修復效率主要取決於植物體內重金屬的含量和植物生物量。用於植物富集的理想的超富集植物，其地上部的金屬含量應比普通植物高百倍甚至上千倍，同時應具有較高的生長速度和較大的生物量。但遺憾的是，目前發現的大部分超富集植物的生物量普遍較小，從而限制了其在汙染土壤修復中的應用。同時採用該技術修復時間較長，也在一定程度上限制了該技術的推廣。
[0005]目前，選用能源植物在修復重金屬汙染土壤方面有著獨特的優勢，不僅可以在治理土壤汙染的同時，獲得能源效益。研究表明，一些能源植物有著較高的富集或耐受重金屬的能力，可以在重金屬汙染土壤上生長，同時能源物質產量基本不受影響。因此選取適合的能源植物來修復重金屬汙染土壤，不但有利於重金屬汙染土壤治理，而且可以推進新能源的開發，同時使得汙染土地資源得到合理利用。但能源植物修復土壤重金屬汙染也存在生長周期長，修復時間久，後處理困難，長期種植降低土壤肥力等植物共有缺點。同時，與超積累植物相比，許多能源植物富集重金屬的能力也較低。

【發明內容】

[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]針對現有技術中二種植物修復技術的不足，本發明的目的是提出利用蓖麻和蜈蚣草間作技術修復鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]本發明的第一方面是提供一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，該方法包括步驟如下:
[0010]步驟S1:選取鋪g集型昆麻品種；[0011]步驟S2:控制鎘鉛砷汙染土壤的酸鹼度，獲取中性酸鹼度的鎘鉛砷汙染的土壤；
[0012]步驟S3:將鎘富集型蓖麻與蜈蚣草以間作方式種植到中性酸鹼度的鎘鉛砷汙染的土壤中成活生長，通過蓖麻的根系大量吸收汙染土壤中的鎘，並定期收穫成熟的蓖麻，則執行步驟S5 ；
[0013]步驟S4:視蜈蚣草的生長高度，收割蜈蚣草上部，通過蜈蚣草的草根系和收割的蜈蚣草上部大量吸收汙染土壤中的鉛砷，則執行步驟S5 ;在所述土壤地面上保留一蜈蚣草段茬，則執行步驟S3;
[0014]步驟S5:將收穫成熟的蓖麻和蜈蚣草上部送至專屬場所集中並做無害化處理。
[0015]本發明的第二方面是提供一種治理鎘汙染土壤的植物修複方法，該方法包括步驟如下:
[0016]步驟Al:選取鋪g集型昆麻品種；
[0017]步驟A2:控制鎘汙染土壤的酸鹼度，獲取中性酸鹼度的鎘汙染土壤；
[0018]步驟A3:將鎘富集型蓖麻種植到中性酸鹼度的鎘汙染土壤中成活生長，定期收穫成熟的蓖麻，由鎘富集型蓖麻把鎘汙染土壤移除、分解；
[0019]步驟A4:將收穫成熟的蓖麻送至專屬場所集中並做無害化處理。
[0020](三)有益效果
[0021]本發明利用能源植物蓖麻具有一定富集鎘離子能力、修復深層土壤、可大面積種植、美化環境並產生能源效益的特點，而鎘鉛砷富集植物蜈蚣草，具有富集砷鉛砷離子能力強、栽培技術成熟的特點，兩者聯合修復鎘鉛砷複合汙染土壤，可達到更高修復效率，並獲能源效益。本發明提供的在鎘鉛砷汙染土壤中間作蓖麻和蜈蚣草，利用蓖麻生物量較大、生長期較短和對鎘的富集特性大量吸收富集土壤中的鎘，同時利用蜈蚣草生長期較短和對鉛砷的超富集特性大量吸收富集土壤中的鉛砷通過收割地上部而消除土壤中的鎘鉛砷汙染的方法，具有不破壞土壤的理化性質，不對土壤產生二次汙染和鎘鉛砷的吸收富集量高、生物富集係數大和鎘鉛砷遷移總量高，以及同時具有較高的經濟效益、工程投資少、運行成本低、防治水土流失、美化景觀環境等特點，適用於中度和輕度鎘鉛砷汙染土壤的治理修復，其環境效益、社會效益和經濟效益明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1示出治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法的流程圖；
[0023]圖2示出治理鎘汙染土壤的植物修複方法的流程圖；
[0024]圖3示出不同地區的30種不同品種的蓖麻室內盆栽試驗；
[0025]圖4不出對圖1昆麻初步篩選出鋪g集型昆麻品種；
[0026]圖5移栽蜈蚣草幼苗與蓖麻間作示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0028]一.首先，介紹本發明中的蜈蚣草:
[0029]蜈蚣草是陳同斌研究團隊在世界上發現最早的As的超富集植物。蜈蚣草不僅對As表現為極強的耐性能力和獨特的富集能力，而且對Pb具有較強的耐性作用和富集作用。野外調查顯示，蜈蚣草能生長在As含量為23400mg/kg的礦渣和鉛濃度高達3368_3550mg/kg的鉛鋅尾礦附近的汙染土壤中。蜈蚣草具有較強的砷耐性、砷富集能力和快速的砷吸收速率，在砷含量< 1000mg/kg的土壤中生物富集係數(植物體內某重金屬含量與其根區土壤中該重金屬含量之比)可達7-80。蜈蚣草在Pb含量為4325-13254mg/kg的礦區復墾地生長時，蜈蚣草地上部的Pb含量超過了 Pb超富集植物的要求(1000mg/kg)，同時蜈蚣草地上部Pb含量是地下部Pb含量的L 4倍，說明蜈蚣草對Pb有較強的富集能力和轉運能力(以轉運係數表示，即植物地上部某重金屬含量與其根部中該重金屬含量之比)。蜈蚣草地上部不僅可以富集大量的砷鉛，且生長速度快，生物量大。但其推廣方面也存在一些限制因素:蜈蚣草生長需要遮蔭，保溼等更為苛刻的生長條件；對鎘吸收能力不強；蜈蚣草根系淺對土壤耕作層下部修復效果不佳；不能直接帶來經濟利益等。
[0030]二.接著，介紹本發明中的蓖麻:
[0031]蓖麻是"深根作物"，屬一年生或多年生草本植物，是一種經濟價值較高的油料作物，對環境要求不高，在南方可以越冬，生物量大，對重金屬有較強的耐性。有研究顯示，蓖麻對鎘也有較高的耐性和富集能力。經研究表明，對於蓖麻來說，低濃度的鎘暴露不僅沒有抑制其生長，還對蓖麻生長產生一定促進作用。蓖麻在土壤鎘處理濃度為40mg/kg時，蓖麻的株高以及根、莖、葉的乾物重達到最大。蓖麻在土壤Cd濃度較高時候能富集較高濃度的Cd。蓖麻根系在土壤鎘處理濃度為360mg/kg時最大，達到4460mg/kg，地上部葉和莖對鎘的積累分別在鎘處理濃度320mg/kg和360mg/kg時達到最大，其中莖對鎘的最大積累量達到137mg/kg。因此，蓖麻可用於重度和輕度鎘汙染土壤的治理修復；除對鎘的吸收富集量和生物富集係數及轉移係數外，生物量也是評價植物修復鎘汙染土壤潛在能力的一個重要指標。生物量越大，說明在相同生長期內和相同富集係數條件下，該植物從土壤中吸收富集的鎘的量越多，表明在相同種植條件下，該植物使鎘汙染土壤降低到GB15618-1995《土壤環境質量標準》規定臨界值以下所用的時間越短。蓖麻的生物量較大，其生物量約為500?700g/株(乾重)。蓖麻對於提高鎘汙染土壤的修復速率和降低治理成本具有重要意義，為治理土壤的鎘汙染提供了一種經濟適用的植物修複方法。但目前單獨利用蓖麻修復汙染土壤時也存在其對其他重金屬如鉛砷等富集能力不高等，修復時間較長等缺點。
[0032]綜上所述，鑑於蜈蚣草特點及生長條件，及蓖麻與蜈蚣草單獨修復時的優缺點，本發明利用蜈蚣草地上部的優勢，利用蓖麻的優勢，為蜈蚣草的生長提供所需的生長條件，採用蓖麻-蜈蚣草聯合模式修復重金屬汙染土壤，可突顯優勢，互補有無。首先，蓖麻與蜈蚣草對土壤中不同重金屬具有吸收選擇性，兩者聯合可實現優勢互補，以處理土壤重金屬複合汙染問題，用以減少汙染土壤中的鎘鉛砷。其次，蜈蚣草修復淺層土壤，蓖麻可修復重金屬汙染土壤的深層區，實現區間互補。第三，蓖麻可為蜈蚣草遮蔭保溼以滿足蜈蚣草生長所需環境。
[0033]如圖1示出本發明提供的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法的流程圖，本發明將能源作物蓖麻通過與蜈蚣草間作的方式種植到鎘鉛砷汙染的土壤中，控制土壤酸鹼度為中性，當蓖麻長到成熟期時，將植物體從汙染土壤上移走，從而實現去除土壤中汙染物鎘鉛砷的目的；該方法通過蓖麻和蜈蚣草根系大量吸收汙染土壤中的鎘鉛砷，並將其轉移至莖葉等地上部器官，在成熟期將蓖麻整體即包括根、莖、葉、果實部分和蜈蚣草的地上部分包括莖和羽葉從汙染土壤上移走，然後再移栽下一茬蓖麻，之後重複上述過程。
[0034]如圖2示出治理鎘汙染土壤的植物修複方法的流程圖，該方法包括步驟如下:步驟Al:選取鎘富集型蓖麻品種；步驟A2:控制鎘汙染土壤的酸鹼度，獲取中性酸鹼度的鎘汙染土壤；步驟A3:將鎘富集型蓖麻種植到中性酸鹼度的鎘汙染土壤中成活生長，定期收穫成熟的蓖麻，由鎘富集型蓖麻把鎘汙染土壤移除、分解；步驟A4:將收穫成熟的蓖麻送至專屬場所集中並做無害化處理。所述鎘汙染土壤為鹼性土壤時，要對鹼性土壤施用酸性物質，用以調節鹼性土壤的酸鹼度。所述的酸性物質包括乙二銨四乙酸二鈉鹽、草酸、檸檬酸中的一種或幾種。
[0035]在受到鎘鉛砷汙染的土壤中，直接播種鎘富集型蓖麻品種，同時移栽蜈蚣草間作。利用蓖麻對鎘的富集特性和蜈蚣草對鉛砷的富集特性，通過根系大量吸收富集土壤中的鎘鉛砷，並將其向上輸送和轉移到地上部，再通過收割地上部而除去土壤中的鎘鉛砷，從而完成對鎘鉛砷汙染土壤的治理和修復。
[0036]本發明通過以下步驟完成，首先比較30種蓖麻品種的鎘富集能力，從中選取有大面積種植的鎘富集型品種來作為修復材料。其次將鎘富集型品種通過直接播種的方式種植到受鎘鉛砷汙染的土壤中，並控制土壤酸鹼度pH為中性，實踐證明控制土壤的pH值為6.1?7.1時，其根系吸收富集土壤中的鎘量最大，對於偏鹼性的土壤要施用酸性物質加以調節。施用的酸性物質包括乙二銨四乙酸二鈉鹽(EDTA)，草酸、檸檬酸中的一種或幾種；當蓖麻種植成活後，地上部分高度為60cm-100cm時，移栽高度為15cm-30cm蜈蚣草幼苗與蓖麻進行間作，按照0.5m?Im的株距種植單作蓖麻,按照0.2m?0.5m的株距間作蓖麻與蜈蚣草(如圖5示出)；根據土壤缺水情況來澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40?70%;當蜈蟻草生長到60cm?80cm進行首次收割，以後當蜈蟻草生長到50cm?70cm時收割一次；每次收割蜈蚣草地上部分後，留茬高度為IOcm?20cm ;蓖麻成熟後，果實制生物柴油，莖杆用於造紙或建材；每次收割的蜈蚣草地上部進行專門集中處理，處理方法包括焚燒或壓縮後作無害化填埋等。
[0037]以下通過實施例對本發明作進一步說明。
[0038](I)鋪g集型昆麻品種篩選:
[0039]對來自美洲、歐洲、亞洲和非洲不同地區的30種不同品種的蓖麻進行室內盆栽試驗，以篩選鎘富集型蓖麻品種(圖3)。以低度(2mg/kg)和中度(5mg/kg)鎘汙染土壤為蓖麻生長基質，記錄並分析了蓖麻地上部分(莖、葉和果實)生物量和鎘濃度。綜合考慮該30種蓖麻品種地上部分的生物量、鎘含量及其對應土壤的Cd含量，初步篩選出鎘富集型蓖麻品種4種:Zibo-9，Zibo-6, Zibo-5和Zibo_8 (圖4)，並根據低度和中度鎘汙染土壤條件下蓖麻生物量的響應作為耐性評價指標，得出這四種鎘富集蓖麻品種的鎘耐性順序:Zibo-9> Zibo-6 > Zibo-8 > Zibo_50
[0040](2)鎘富集型蓖麻修復模式:
[0041]某重金屬汙染土壤pH值為7.4，通過加入乙二銨四乙酸二鈉鹽將其pH調節到
6.1-7.1。其中的鎘含量平均值為34mg/kg。選取大面積種植的鎘富集蓖麻品種Zibo_8和Zibo-5為修復材料，以盆栽試驗的方式種植在汙染土中，土壤含水量保持在田間持水量的40?70%。生長2個月後，Zibo-5品種不能存活，Zibo-8品種能正常生長。取Zibo_8品種的根部和地上部分(莖葉)進行測定鎘含量分析，生長在調整土壤PH後的Zibo-8品種的根部和地上部分的鎘含量分別為216mg/kg和8.84mg/kg，顯著高於生長在未調整pH土壤上的同種蓖麻地下和地上部分的鎘含量，即205mg/kg和1.84mg/kg。因此，Zibo-8品種不僅適合輕度鎘汙染土修復，也適合重度鎘汙染土修復，同時通過添加酸性物質調節土壤PH的措施可以進一步提聞其對鋪的提取效果。
[0042](3)田間蓖麻-蜈蚣草間作配置模式
[0043]某重金屬汙染土壤pH值為7.7，通過加入乙二銨四乙酸二鈉鹽將其pH調節到
6.1-7.1。其中的鎘含量平均值為3.53mg/kg，其中的鉛含量平均值為274mg/kg，其中的砷含量平均值為24mg/kg。選取大面積種植的鎘富集蓖麻品種Zibo-8為修復材料，當富集型蓖麻種植成活後，地上部分高度為60-100cm時，移栽高度為15-30cm蜈蚣草幼苗與蓖麻進行間作(圖3)，按照0.5?Im的株距種植單作蓖麻，按照0.25?0.5m的株距間作蓖麻與蜈蚣草；土壤含水量保持在田間持水量的40?70%。生長4個月後，首次收割蓖麻其地上部，蜈蚣草在此期間收割2次，收割物送廢物填埋場安全填埋。經分析測定，蜈蚣草地上部中鎘、鉛和砷含量分別為4.lmg/kg，83mg/kg和324mg/kg，蓖麻莖的鎘、鉛和砷含量分別為3.17mg/kg, 14.59mg/kg和2.47mg/kg,蓖麻葉的鎘、鉛和砷含量分別為20.31mg/kg,38.46mg/kg和26.14mg/kg,按照間作條件下每畝蓖麻莖乾重300kg和葉乾重300kg,蜈蟻草地上部分乾重為IOOkg來計算，每年蓖麻收穫2次，蜈蚣草收穫3次，採取間作模式每畝每年可以從土壤帶走15g鎘，57g鉛和114g砷，能有效地帶走土壤中的重金屬汙染物，獲得治理土壤汙染的效果。同時產出蓖麻籽400?500kg，產生物柴油150kg左右。
[0044]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內。
【權利要求】
1.一種治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，該方法包括步驟如下: 步驟S1:選取鎘富集型蓖麻品種； 步驟S2:控制鎘鉛砷汙染土壤的酸鹼度，獲取中性酸鹼度的鎘鉛砷汙染的土壤； 步驟S3:將鎘富集型蓖麻與蜈蚣草以間作方式種植到中性酸鹼度的鎘鉛砷汙染的土壤中成活生長，通過蓖麻的根系大量吸收汙染土壤中的鎘，並定期收穫成熟的蓖麻，則執行步驟S5 ； 步驟S4:視蜈蚣草的生長高度，收割蜈蚣草上部，通過蜈蚣草的草根系和收割的蜈蚣草上部大量吸收汙染土壤中的鉛砷，則執行步驟S5 ;在所述土壤地面上保留一蜈蚣草段茬，則執行步驟S3; 步驟S5:將收穫成熟的蓖麻和蜈蚣草上部送至專屬場所集中並做無害化處理。
2.如權利要求1所述的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述選取鎘富集型蓖麻的步驟包括: 以低度和中度鎘汙染 土壤為蓖麻生長基質，記錄並分析了蓖麻地上部分生物量和鎘濃度； 綜合考慮不同地區的多種蓖麻品種地上部分的生物量、鎘含量及其對應土壤的鎘含量，篩選出鎘富集型蓖麻品種:Zibo-9，Zibo-6，Zibo-5和Zibo-8 ； 根據低度和中度鎘汙染土壤條件下蓖麻生物量的響應作為耐性評價指標，獲得鎘富集蓖麻品種的鎘耐性順序:Zibo_9 > Zibo-6 > Zibo-8 > Zibo-5。
3.如權利要求1所述的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述鎘富集型蓖麻與蜈蚣草間作方式是按照0.25m~0.5m的株距種植間作。
4.如權利要求3所述的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述鎘鉛砷汙染土壤為鹼性土壤時，要對鹼性土壤施用酸性物質，用以調節鹼性土壤的酸鹼度值為6.1~7.1 ;所述的酸性物質包括乙二銨四乙酸二鈉鹽、草酸、檸檬酸中的一種或幾種。
5.如權利要求1所述的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述蜈蚣草的生長高度是當蜈蚣草生長到60cm~80cm進行首次收割，之後當蜈蚣草生長到50cm~70cm時再收割一次。
6.如權利要求1所述的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述蜈蚣草段茬的高度為IOcm~20cm。
7.如權利要求1所述的治理鎘鉛砷複合汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述無害化處理包括焚燒或壓縮後作無害化填埋。
8.—種治理鎘汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，該方法包括步驟如下: 步驟Al:選取鋪g集型昆麻品種； 步驟A2:控制鎘汙染土壤的酸鹼度，獲取中性酸鹼度的鎘汙染土壤； 步驟A3:將鎘富集型蓖麻種植到中性酸鹼度的鎘汙染土壤中成活生長，定期收穫成熟的蓖麻，由鎘富集型蓖麻把鎘汙染土壤移除、分解； 步驟A4:將收穫成熟的蓖麻送至專屬場所集中並做無害化處理。
9.如權利要求8所述的治理鎘汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述鎘汙染土壤為鹼性土壤時，要對鹼性土壤施用酸性物質，用以調節鹼性土壤的酸鹼度值為6.1~. 7.1。
10.如權利要求9所述的治理鎘汙染土壤的植物修複方法，其特徵在於，所述的酸性物質包括乙二銨四乙酸二鈉鹽、草酸、檸檬酸中的一種或幾種。
【文檔編號】B09C1/00GK103894401SQ201410163223
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】郭慶軍, 楊俊興, 張晗芝, 陳同斌, 朱光旭, 魏榮菲, 王春雨, 田麗豔 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所