專利名稱：：一種利用觀賞植物纓絨花修復(fù)鎘污染土壤的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說是一種利用超富集觀賞植物纓絨花修復(fù)鎘污染土壤的方法。
背景技術(shù)：
：土壤中的鎘污染已成為一個日益嚴重的環(huán)境問題。我國土壤環(huán)境中的鎘污染主要來源于工礦企業(yè)排放的廢水、廢氣和廢渣，以及污水灌溉、污泥農(nóng)用等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。據(jù)2001年農(nóng)業(yè)部對全國24個省巿320個重點污染區(qū)548萬ha農(nóng)田進行的調(diào)查表明，全國污染區(qū)大田類產(chǎn)品中污染物超標面積占污染區(qū)農(nóng)田總面積的20%。其中，重金屬是土壤與農(nóng)產(chǎn)品中的主要污染物，占污染物超標農(nóng)產(chǎn)品總面積和總產(chǎn)量的80%,而Cd污染農(nóng)產(chǎn)品超標面積達27.86萬ha，其中嚴重污染面積占10%以上[文獻1:中國社會科學(xué)院環(huán)境與發(fā)展研究中心.中國環(huán)境與發(fā)展評論:第l卷[M].北京:社會科學(xué)文獻出版社,2001:32.]。由此可見，我國土壤鎘污染不僅面積大，而且污染程度較重，嚴重威脅到我國的食品和生態(tài)安全，治理任務(wù)已刻不容緩。目前可用于治理土壤重金屬污染的技術(shù)很多，主要包括各種物理化學(xué)治理技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。其中，物理化學(xué)治理技術(shù)主要是指一類基于機械物理和化學(xué)原理的工程技術(shù)，常見的有客土法、固化法、化學(xué)淋洗法等。這些物理化學(xué)治理技術(shù)各有其優(yōu)點，在治理小范圍環(huán)境污染以及處理嚴重突發(fā)污染事故中作用較大，但是一般存在著技術(shù)難度大、花費高、工程量大以及易造成二次污染等問題，很難在面積大、程度輕的環(huán)境污染治理中推廣應(yīng)用。在生物修復(fù)技術(shù)中，常用于治理環(huán)境重金屬污染的方法主要是植物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)(Phytoremediation)是指利用植物提取、吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤中的有毒有害污染物[文獻2:王曉飛.花井植物在污染土壤修復(fù)中的資源潛力分析.碩士論文，沈陽:中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,2005.]。作為一種新興的原位綠色修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)具有費用低廉、不破壞環(huán)境、易于為人們所接受等優(yōu)點，已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點，并引起學(xué)術(shù)界、政府和企業(yè)界的高度重視。在植物修復(fù)技術(shù)中，作為其核心技術(shù)之一的植物提取修復(fù)技術(shù)(Phytoextraction)，即利用超富集植物(Hyperaccumulator)去吸收去除土壤中過量的重金屬，被認為是最有發(fā)展前景的植物修復(fù)技術(shù)。在歐美以及我國，大多數(shù)獲得成功的示范性植物修復(fù)項目都是運用了植物提取修復(fù)技術(shù)[文獻4:Jo@eL,Jose民RosaGParsonsJGPhytoremediationofheavymetalsandstudyofthemetalcoordinationbyX-rayabsorptionspectroscopy.CoordinationChemistryReviews,2005,249:1797-1810;文獻5:陳同斌，張斌才，黃澤春,等.超富集植物蜈蚣草在中國的地理分布及其生境特征.地理研究,2005，24:825-833.]。在植物提取修復(fù)技術(shù)的研究和實踐中，篩選出能夠超量累積重金屬的超富集植物是開展工作的必要前提和基礎(chǔ)。然而，迄今為止，在已發(fā)現(xiàn)的400-500種超富集植物中，鎘超富集植物種類很少，而具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鎘超富集植物就更少；而已篩選出的鎘超富集植物大多數(shù)是野生品種，地域適應(yīng)性差，生長慢且地上部生物量小，加之在農(nóng)藝性狀、病蟲害防治、育種潛力以及生理學(xué)方面的研究不完備，嚴重影響其在實際修復(fù)的應(yīng)用[文獻6:UteK.Phytoremediation:novelapproachestocleaninguppollutedsoils.CurrentOpinioninBiotechnology,2005,16:133-141.]。因此，尋找更多更為理想的超富集植物仍然是當前植物提取修復(fù)研究的一項重要任務(wù)。觀賞植物是人類利用歷史悠久的一大植物類群，包含40萬個以上的栽培品種，種質(zhì)資源極其豐富，而我國是世界上擁有觀賞植物種類最為豐富的國度之一[文獻7:郭維明,毛龍生,觀賞園藝概論[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2001.]。在觀賞植物中篩i!M富集植物并用于修復(fù)研究和實踐具有以下優(yōu)點(1)觀賞植物種質(zhì)資源豐富，既有草本也有木本植物，為篩選工作奠定了堅實的基礎(chǔ)；(2)能夠在進行治理污染同時美化環(huán)境，一舉兩得；(3)觀賞植物一般不會進入食物鏈，可減少對人體的危害；(4)很多觀賞植物都有一定的經(jīng)濟價值，修復(fù)后植物材料可以作為原材料，以提高修復(fù)產(chǎn)出，降低修復(fù)成本；(5)人類在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，積累了豐富的觀賞植物栽培管理經(jīng)驗，使得觀賞植物的修復(fù)實踐有了充分的農(nóng)業(yè)技術(shù)保障[文獻8:劉家女,周啟星,孫挺，等.花丼植物應(yīng)用于污染土壤修復(fù)的可行性研究.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2006,18:1617-1623.]。因此，從觀賞植物中篩i^M富集植物并4用于修復(fù)實踐是完全可行的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種利用超富集觀賞植物纓絨花(五m龜y"謂^)修復(fù)鎘污染土壤的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在著技術(shù)難度大、花費高、工程量大以及易造成二次污染等問題，不破壞土壤的理化性質(zhì)，且可以在治理污染土壤的同時美化環(huán)境，可以在大面積環(huán)境污染治理中推廣應(yīng)用。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為在鎘污染土壤上種植纓絨花，由纓絨花根系從污染土壤大量吸收鎘并向地上部轉(zhuǎn)移，收獲植株并將其妥善處理，然后再種植第二茬纓絨花，重復(fù)上述操作，就可持續(xù)吸收去除土壤中過量的鎘，經(jīng)過若干修復(fù)周期就可以達到清除土壤中的鎘污染的目的。本發(fā)明的具體實施步驟如下(1)將株高6-10cm或含4片展開真葉的纓絨花幼苗移載到鎘污染土壤中；(2)在鎘污染土壤中種植的纓絨花釆用室外栽培，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的70-80%;(3)當纓絨花長至開花或成熟期時，將植物從污染土壤上移除，再種植第二茬纓絨花，重復(fù)上述操作，直至土壤中的鎘含量達到環(huán)境安全標準。收獲的纓絨花可以作為觀賞花卉(商品)進行出售，在獲得經(jīng)濟效益的同時,自動獲得對生物量的處理(千家萬戶可以把使用過的花卉扔到各自的垃圾箱，隨著垃圾的處理，就解決了生物量的處理)。因此，大規(guī)模栽培，意味著大規(guī)模修復(fù),同時也意味著通過商品交換取得更大的經(jīng)濟效益。當然，如果不考慮成本，可以進行集中處理，或者衛(wèi)生填埋，或者進行資源化加工處理，回收其中的鎘，可以避免二次污染。本發(fā)明首次把纓絨花確定為重金屬鎘超積累或超富集植物，所釆用的纓絨花(五m/fe^"ra"^)為一年生草本花丼，具有較好的觀賞價值。其植物分類學(xué)特征如下菊科一點紅屬植物。株高40—60cm。根系淺，側(cè)根多。莖直立或近直立，禿凈或被疏毛，粉綠色，分技多。葉稍肉質(zhì)，基部和下部葉柄具狹翅，葉片披針狀矩圓形；上部葉柄有闊翅，抱莖；葉面灰綠色，葉背常為紫紅色。頭狀花序，花徑l.O-Ocm,單生或簇生于技端呈傘房狀，小花紅色，管狀，全為兩性。果實為痩果，狹矩圓形，有棱，冠毛白色。種子細小，披針形，淺褐色，表面有縱條紋。用種子繁殖。纓絨花對土壤要求不嚴格，耐旱耐貧瘠；實驗中發(fā)現(xiàn)，撒落在地上的種子在合適的溫、濕度條件中可自行萌發(fā)生長，是一種適應(yīng)性較強的花卉。研究表明，纓絨花是一種鎘超富集植物，對土壤中的鎘具有很強的忍耐、吸收和累積能力。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明通過種植鎘超富集植物纓絨花來修復(fù)鎘污染土壤。該方法與傳統(tǒng)的污染土壤治理方法相比，具有投資少、工程量小、技術(shù)要求不高等優(yōu)點；而且作為一種綠色原位修復(fù)技術(shù)，所收獲植株進行集中處理，不會造成二次污染，同時修復(fù)進程不僅不會破壞土壤生態(tài)環(huán)境，還有助于改善因重金屬污染而引起的土壤退化和生產(chǎn)力下降，恢復(fù)并提高其生物多樣性。(2)另外，作為一種觀賞植物，種植纓絨花在修復(fù)環(huán)境鎘污染的同時，可以起到美化環(huán)境的作用，具有良好的生態(tài)效益。圖1為實施例2中在不同鎘處理濃度下對纓絨花干生物量的檢測圖。圖2為實施例2中在不同鎘處理濃度下纓絨花地上部鎘提取量和提取率的示意圖。具體實施方式實施例1本實驗于2006年進行。實驗地點設(shè)在中國科學(xué)院沈陽生態(tài)站內(nèi)，該站地處下遼河平原的中心地帶，距沈陽巿區(qū)約35km，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候。盆栽試驗土壤釆自該站無污染區(qū)表土(0-20cm),土壤類型為草甸棕壤，其tt理化性質(zhì)為pH值6.60,有機質(zhì)重量含量1.55%,總Cd含量0.22mg/kg,總As含量10.40mg/kg。實驗共設(shè)3個處理，分別為CK(對照，不投加重金屬)、CdlOmg/kg、Cd10mg/kg+As100mg/kg,每個處理重復(fù)3次。實驗投加的Cd為分析純的CdCl2'2.51120,As為分析純的Na2HAs04.7H20。將供試土壤風干過4讓篩后，以固體形式拌入鎘和砷，充分混勾后裝入塑料盆(0=20cm,//=15cm)中，每盆裝土2.5kg，平衡2個月待用。同時進行花丼育苗，將土壤、河沙、蛭石按照7:2:l的重量比例混勻裝入穴盤中，點播纓絨花種子，保持土壤濕潤。40-50天后，苗高6-10cm，含4片真葉，選取長勢一致的苗移入處理盆中，每盆2棵。根據(jù)土壤水分豐缺狀況，不定期澆水(水中未檢出Cd),使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的70-80%左右。植物生長60天后收獲植株。將收獲的植物樣品分為根、莖、葉和籽實4部分,分別用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后再用去離子水沖洗，瀝去水分，在85'C殺青1小時。之后，在65'C下烘干至衡重，稱量干重后粉碎備用。植物樣品釆用HN03-HC104法消化(二者體積比為3:1)，原子吸收分光光度計測定樣品中的Cd含量。實驗結(jié)果如下參見表l可知，在不同污染處理下，纓絨花各部位的鎘含量相對大小不同，但是葉片中的鎘含量始終最高。無論是在清潔土壤中，還是鎘單一污染或鎘砷復(fù)合污染條件下，纓絨花地上部Cd含量均高于根部，即轉(zhuǎn)移系數(shù)大于l;而且其地上部富集系數(shù)也大于1,這表明纓絨花對鎘有較強的富集轉(zhuǎn)運能力，已具備了鎘超富集植物的特征，只是由于土壤中鎘含量較低，其體內(nèi)鎘濃度并沒有達到臨界含量標準(Cdl00mg/kg)，有待進一步實驗驗證。表1不同污染處理下纓絨花對鎘的累積特征處理鎘含量(mg/kg)地上部富集系數(shù)轉(zhuǎn)移系數(shù)籽實葉莖沖艮地上部CK2.182.821.160.891.87—2.10Cd24.8574.5827.3923.5543.124.311.83Cd+As21.0532.0516.6123.5123.942.401.02實施例2本實驗于2007年進行。實驗地點設(shè)在中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所的網(wǎng)室內(nèi)，該場地在沈陽巿中心，實驗場地周圍沒有污染源，是重金屬未污染區(qū)。盆栽試驗土壤釆自中國科學(xué)院沈陽生態(tài)站內(nèi)無污染區(qū)的表層土壤(0-20cm),其M理化性質(zhì)與實施例l相同。本實驗共設(shè)8個處理，投加的Cd濃度(mg/kg)分別為O(對照，未投加)、12、24、36、48、72、96和150，每個處理重復(fù)3次。實驗投加的Cd為分析純的CdCl22.5H20。將供試土壤風干過4mm篩后，以固體形式拌入鎘，充分混勻后裝入塑料盆(0=2Ocm,H=15cm)中，每盆裝土2.5kg,平衡2個月待用。同時進行花卉育苗，步驟與實施例l相同。40-50天后，苗高6-10cm,含4片真7的苗移入處理盆中，每盆2棵。每日根據(jù)盆中土壤水分狀況，澆入適量自來水，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的70-80%左右。植物生長60天后收獲植株，樣品處理同實施例l。實驗結(jié)果如下圖1給出了在不同濃度的Cd處理下纓絨花的地上部和根部生物量。方差分析表明，與對照(CdO)相比，在Cd投加濃度為12、24mg/kg的處理中，纓絨花地上部生物量均未顯著下降，表現(xiàn)出較強的耐性。但當Cd污染濃度進一步升高時，即鎘處理濃度>36mg/kg時，地上部和根部生物量顯著下降(尸<0.05),這表明，纓絨花對中低水平的鎘污染耐性較強，但當鎘污染非常嚴重時，其生長將會受到抑制。參見表2可知，在所有的鎘處理中，纓絨花地上部鎘富集系數(shù)(地上部和土壤中鎘含量的比值)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(地上部與根部鎘含量的比值)始終大于1,即地上部鎘含量始終高于土壤中和根部的鎘含量，具備了典型的鎘超富集植物特征。當鎘處理濃度為24mg/kg時，纓絨花地上部鎘含量達到了公認的鎘超富集植物臨界含量標準(Cd100mg/kg)，為106.75mg/kg。隨著土壤中鎘投加濃度的增加，纓絨花地上部和根部的鎘含量逐步升高，在Cdl50mg/kg的處理中，地上部和根部Cd含量達到了最高值，分別為404.23、289.00mg/kg，但其富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)也很低了。表2不同鎘處理濃度下纓絨花對鎘的累積特征<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上述實驗結(jié)果表明，在土壤中鎘投加濃度為24mg/kg時，纓絨花地上部Cd含量達到了鎘超富集植物的臨界含量標準，而且地上部Cd含量始終高于根部Cd含量，同時對鎘污染表現(xiàn)出較強的耐性，完全具備了Cd超富集植物的特征，是一種鎘超富集植物。纓絨花對鎘有很強的耐性、吸收、積累和富集能力，這些特征使得它在修復(fù)土壤鎘污染上有很大的應(yīng)用潛力。圖2給出了不同濃度的Cd處理下纓絨花地上部對Cd的提取量和提取效率。雖然隨著Cd處理濃度上升，纓絨花地上部鎘含量逐步升高，但是由于其干生物量同時急劇降低，因此地上部Cd提取量(鎘含量與干生物量的乘積)并未隨處理濃度增加而增加，而是在鎘處理濃度為24mg/kg時達到最大值1361ng/盆，隨后逐漸下降。而地上部Cd提取效率(地上部鎘提取量與土壤中總鎘量的比值)則隨Cd處理濃度升高迅速降低。因此，從修復(fù)效果上來看，纓絨花比較適^f條復(fù)中低水平(Cd污染水平《24mg/kg)的鎘污染土壤。9權(quán)利要求1.一種利用觀賞植物纓絨花修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于在鎘污染土壤中種植植物，當植物生長至開花或成熟期時將植物整體移除，從而去除土壤中過量鎘，所述植物為纓絨花。2.按權(quán)利要求1所述的利用觀賞植物纓絨花修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于所述種植植物是將高6-10cm或含4片展開真葉的纓絨花幼苗移載到鎘污染土壤中。3.按權(quán)利要求1所述的利用觀賞植物纓絨花修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于在鎘污染土壤中種植的纓絨花釆用室外栽培，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的70-80%。4.按權(quán)利要求1所述的利用觀賞植物纓絨花修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于在鎘污染土壤中種植纓絨花，纓絨花從污染土壤中吸收鎘并向地上部轉(zhuǎn)移，當纓絨花長至開花或成熟期時，將植物從污染土壤上移除，再種植第二茬纓絨花，重復(fù)上述操作，直至土壤中的鎘含量達到環(huán)境安全標準。全文摘要本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說是一種利用超積累/超富集觀賞植物纓絨花(Emiliajavanica)修復(fù)鎘污染土壤的方法。本發(fā)明利用鎘超富集植物纓絨花根系大量吸收、富集污染土壤中的鎘，并向上轉(zhuǎn)運到地上部，當植株生長到開花或成熟期時將植物整體移除并妥善處理，從而從土壤中吸除大量的鎘；通過反復(fù)種植該種植物，重復(fù)上述過程，就可以連續(xù)提取污染土壤中過量的鎘，直到其鎘含量達到環(huán)境安全標準。該方法具有工程量小，不破壞土壤的理化性質(zhì)，無二次污染，且可以在治理污染同時美化環(huán)境等優(yōu)點。文檔編號B09C1/00GK101456028SQ20071015892公開日2009年6月17日申請日期2007年12月14日優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日發(fā)明者睿劉,周啟星,林王申請人:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所