一种利用超富集植物短萼灰叶修复铅污染土壤的方法

摘要

本发明涉及污染环境的植物修复技术，特别涉及利用铅富集植物修复被重金属污染的土壤的方法。本发明所利用的植物为豆科植物短萼灰叶(Tephrosiacandida DC)，其方法是在含污染物铅的土壤上播种植物短萼灰叶种子，播种后4－5个月，当植物长到株高100－120cm时，将植物地上部分收割并从污染土壤上移走。本发明通过超富集植物短萼灰叶吸收提取土壤中的铅，永久性地解决土壤污染问题，修复铅污染土壤，具有能耗较低、费用低廉，可操作性强，不破坏环境理化性质，不引起二次污染，能大大减少运行费用，可以大面积在污染土壤上使用。

说明书

技术领域

本发明涉及污染环境的植物修复技术，特别涉及利用铅富集植物修复被重金属污染的土壤的方法。

技术背景

重金属污染土壤的途径通常有以下两种：一是金属矿开采活动造成的环境污染，污染类型主要有坑口周围土壤中矿床矿物在水、气、热等环境因素长期作用下而形成的重金属污染较严重的土壤；采矿废石堆放过程中因淋滤等原因造成的重金属污染土壤；含有较高浓度重金属的矿山含有较高浓度重金属的矿山废水对土壤造成的污染等。二是工业污水灌溉农田引发的重金属污染土壤。铅污染土壤的现象在我国部分地方比较普遍，云南省在某些有色金属矿区及冶炼厂周边地区也尤为严重，典型的如滇东南有色金属矿区土壤中铅平均含量达500～18096mg/kg，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，临界值为≤500mg/kg，超标率达60-100％，污染指数3.47-33.66，土壤铅污染相当严重。又如北衙地区农田耕作土壤中铅含量为850.7-4790.1mg/kg，超过非铅土壤均值的127-1388倍。

铅是一种积累性毒物。土壤中的铅能被生物吸收而向生物体转移，人则通过食物链摄取铅。铅能侵犯神经系统，易激动，血象红细胞增多，出现失眠、多梦、记忆减退、疲乏，进而发展为狂躁、失明、神志模糊、昏迷，严重导致脑血管缺氧而死亡。铅及其化合物会导致心悸，且具有致癌和致突变作用。

目前，通常用于土壤重金属污染修复的技术有：农业生态措施、工程措施和生物措施。农业生态措施包括两方面：一是农业生态调控，如调节土壤PH值，土壤水分、氧化-还原电位(Eh)等；二是农艺修复措施，该种方法的主要机理为固化土壤中的重金属，增加土壤对重金属的吸收能力，对减少重金属被作物吸收具有一定作用，有效降低重金属对人类健康的威胁。但是这种方法无法从根本上防治土壤重金属污染。

工程措施包括土壤化学淋洗、电动修复、电热修复、改土法、固化技术等。土壤化学淋洗是有效处理难挥发性重金属污染土壤的有效手段之一，选择合适的提取剂是该项技术的关键，但是无论哪种提取剂都存在回收、二次污染等还未解决或完善的技术问题；电动修复特别适合于低渗透性的黏土和淤泥土，经济合理，但是由于土壤系统组分的复杂性，经常出现实际应用与实验结果相反的现象，如土壤的缓冲性能、组分、离子组成、污染金属离子的种类等都会影响电动修复的效果，金属电极本身容易被腐蚀，也会造成土壤的二次污染；电热修复的不足之处在于土壤有机质和结构水易遭到破坏，驱赶土壤水分需要消耗大量能量；改土法对小面积土壤污染是行之有效的，但是不适用于大范围土壤污染治理，且对换出去的土壤依然存在妥善处理，避免二次污染的问题；固化技术具有一定效果，原位固化重金属，大大降低成本，但也有一定局限性：只是改变了重金属在土壤中的存在形态，对土壤长期稳定性和对生态系统的影响不甚了解，目前也缺乏这方面的研究。

生物措施是利用某些特定的动、植物和微生物能够较快地吸走土壤中的重金属污染而达到净化土壤的目的。与物理、化学处理技术相比，具有安全、费用低廉、效果好等优点，被称为一种新的环境友好替代技术。但微生物修复也面临一定的难题，一方面微生物生物量小，吸收的金属量较少；另一方面因其生物量很小而难于进行后处理；植物修复：是利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复金属污染土壤的技术总称。这一技术核心是绿色植物的超常作用，以太阳能为驱动力，以其潜在的高效、经济及其生态协调性等优势成为学术界研究的热点。

超积累植物(Hyperaccmulator)也叫超富集植物，是指能超量吸收和积累重金属的植物，这一定义最初是由Baker和Brooks等提出的。超积累植物应同时具备三个特征：一是植物地上部，如茎或叶，金属含量是普通植物在同一生长条件下的10-500倍，其临界含量为1000mg/kg；二是植物地上部分重金属含量大于根部该种金属含量；三是植物的生长没有出现明显的毒害症状。生活在重金属污染程度较高土壤上地上部生物量没有显著减少是超积累植物区别于普通植物的一个重要特征，这是超积累植物所具有的区别于普通植物的超强忍耐性的表现特征之一。而对于普通植物而言，虽有些植物在这种情况下也能生存生长，但其地上部分生物量往往会明显降低，通常表现为植株矮小，有的生物学特性还会改变，如叶子，花色变色等。由于土壤中铅的移动性较弱，且容易以硫酸盐或磷酸盐形式被土壤胶体或植物根际吸附固定，不利于植物吸收。因此，目前有关植物吸收富集铅及耐铅胁迫的研究较少。国外已报道的铅超积累植物，有遏蓝菜属(Thlaspi rotundilolium)、燕麦草(Arrhenatherum elatius)、爱遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)等约14种。国内报道了土荆介(Chenopodiumambrosioides)、绿叶苋菜(Amaranthus tricolor)、紫穗槐(Sophora japonica)和羽叶鬼针草(Bidens maximowicziana)等4种铅超积累植物。另外，东南景天(S.alfredii)和酸膜(Rumex acetosa)等植物对土壤中的铅也有一定的吸收富集作用。但已发现的铅超累积植物大多生物量较小，生长缓慢，极大地限制了它们在修复铅污染土壤方面的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种费用低廉，可操作性强，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染，对修复铅污染土壤有良好效果的超富集植物修复铅污染土壤的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的方法如下：

一种利用超富集植物短萼灰叶修复铅污染土壤的方法，其方法是在含污染物铅的土壤上播种植物短萼灰叶种子，播种后4-5个月，当植物长到株高100-120cm时，将植物地上部分收割并从污染土壤上移走，通过短萼灰叶的根系吸收污染土壤中的铅，并将铅转移至短萼灰叶的地上部器官，再移走植物地上部分从而实现除去土壤中污染物铅的目的。

所述的利用超富集植物短萼灰叶修复铅污染土壤的方法，在含污染物铅的土壤上种植植物短萼灰叶，播种前，用50-60℃温水浸种半小时，晾干后播种，播种期为每年的3月至4月，株距×行距＝50-130cm×60-130cm，每公顷播种量4-7kg。

所述的利用超富集植物短萼灰叶修复铅污染土壤的方法，所述在含污染物铅的土壤上种植短萼灰叶，播后4-5个月后，株高100-120cm时可刈割，留茬45-60cm，当年可割1-2次，第二三年可割2-3次，利用年限3-4年，再种植第二茬，重复上述过程，直至彻底除去土壤中超标的铅。

所述的利用超富集植物短萼灰叶修复铅污染土壤的方法，在植物收割后可用以焚烧发电，回收金属、堆肥、压缩填埋的方法进行处理。

短萼灰叶，豆科灰叶属的一个种，学名Tephrosia candida DC.。又名山毛豆、灰叶豆。多年生小灌木。原产亚洲热带地区。分布于热带和亚热带地区。广东省主要作为幼龄橡胶园、柑桔园的绿肥覆盖作物和幼龄咖啡园的荫蔽树。云南、广西、福建等地亦有栽培。株高1-3m，枝有棱，密生褐色或灰色绒毛。奇数羽状复叶，叶面无毛，叶背密生白色平贴长柔毛。总状花序顶生或腋生，长15-20cm；花冠长约2cm；荚果长7-10cm，宽约8mm，密生褐色平贴丝毛；有种子10-15粒。每千克种子约5万粒。适应性强，耐酸、耐瘠、耐旱，喜光，喜热，亦能忍受0℃左右的低温，在南亚热带和热带地区都能生长，尤其在干热河谷区显示出优势。短萼灰叶萌生力强，秋季砍伐第二年底就可恢复原貌，可多次砍伐利用。在自然状态下生长，无需特殊管理，无需特殊控制土壤的酸碱性，对土壤要求不严，在云南大部分地区用于红壤边坡种植。

只有能够大量吸收并富集铅的植物才能被用于修复铅污染的土壤，因此，在超积累植物品种的筛选过程中，植物体内的铅含量是最关键的指标。根据试验结果，短萼灰叶体内铅含量最高达5000-6000mg/kg，对铅具有较强的吸收富集能力，且由根部向地上部转移铅的能力也较强，植物地上部分重金属含量大于根部该种金属含量，且短萼灰叶的生物量没有减少，生长没有出现明显的毒害症状，在受铅污染环境中较为常见，生长状况较好，具有广泛的适应性。

在鹤庆北衙地区进行了大量的试验研究，据资料非铅异常土壤中铅含量为2-100mg/kg，平均10mg/kg；受铅污染的农田耕作土壤中铅含量为850.7-4790.1mg/kg，超过非铅异常土壤铅含量均值的84-478倍；污染源下风向山地土壤中铅含量高达4157.3-6810mg/kg，受到严重污染。检测该地区受铅污染的作物，主要粮食水稻和玉米铅含量最高达17.5mg/kg和16.1mg/kg，青菜和蒜苗为160.5mg/kg和120.3mg/kg，而短萼灰叶的铅含量高达2231.6mg/kg。短萼灰叶体内富集的铅是同一受污染地区在同种生长条件下其它作物最高含铅量的14-138倍，是同一地区非铅异常土壤作物铅含量的446-1116倍，非铅异常土铅含量为2-5mg/kg，体现出短萼灰叶在受到铅严重污染土壤的超富集作用；同时非铅异常的短萼灰叶体内铅含量一般为8-20mg/kg，而在受铅污染土壤上生长的短萼灰叶发挥出其对铅超富集的能力，体内铅含量达到原来的200多倍。

在滇东南有色矿区土壤试验表明，土壤中铅污染超标率大于50％的地区，当在土壤铅含量为291.2-2802mg/kg范围内种植的短萼灰叶体内含铅量高达1600mg/kg，体现出对中度和轻度铅污染土壤的超富集修复能力。

本发明通过超富集植物短萼灰叶吸收提取土壤中的铅，永久性地解决土壤污染问题，修复铅污染土壤，具有能耗较低、费用低廉，可操作性强，不破坏环境理化性质，不引起二次污染，能大大减少运行费用，可以大面积在污染土壤上使用。实验证明短萼灰叶是一种超富集植物，本发明利用短萼灰叶对铅金属的超富集提取作用，通过在铅污染土壤上种植这种超积累植物，能够在稳定污染土壤，减少土壤风蚀，水蚀及不引起地下水二次污染的同时，使污染土壤得到修复，可以永久性地解决土壤铅污染的问题，对环境扰动小，是可靠的、环境相对安全的技术，与现有技术相比，既不破坏污染现场土壤结构，对土壤及种植条件要求不高，具有广泛性和可操作性；又大大降低了修复费用。

具体实施方式

实施例1

某铅污染土壤中的铅含量平均值为800mg/kg，将短萼灰叶种子用50℃温水浸种半小时，晾干后于3月播种，按株距×行距＝50×60cm栽到该土壤中，每公顷播种量为7kg，任其自然生长，5个月后，株高120cm时首次收割其地上部，留茬60cm，经分析测定，地上部中铅含量为1500mg/kg，土壤中的铅含量平均值由原来的600mg/kg降低到450mg/kg，相当于使土壤中的铅含量减少了20％。收割物送废物填埋场安全填埋，所种植的短萼灰叶当年可割1次，第二三年可割2-3次，利用年限3-4年，再种植第二茬，重复上述过程，直至彻底除去土壤中超标的铅。

实施例2

将短萼灰叶种子用60℃温水浸种半小时，晾干后于4月播种，按株距×行距＝60×100cm栽到被铅污染的土壤中，每公顷播种量为4kg，任其自然生长，4个月后，株高100cm时首次收割其地上部，留茬50cm，收割物送废物填埋场安全填埋，所种植的短萼灰叶当年可割2次，第二三年可割2-3次，利用年限3-4年，再种植第二茬，重复上述过程，直至彻底除去土壤中超标的铅。

实施例3

某铅污染土壤中的铅含量平均值为1000mg/kg，按实施例1的方法将短萼灰叶种植两年后，经分析测定，地上部中铅含量为2200mg/kg，地上部对土壤中的铅的吸收富集量随其生长期增长而增多，土壤中的铅含量有不断恢复正常土壤中的铅含量水平(＜100mg/kg)的趋势，从而比较经济有效地达到了消除土壤中铅污染的目的。

实施例4

将短萼灰叶种子用55℃温水浸种半小时，晾干后于4月播种，按株距×行距＝100×100cm栽到被铅污染的土壤中，每公顷播种量为5kg，任其自然生长，4个月后，株高100cm时首次收割其地上部，留茬45cm，收割物采收种子后，送废物填埋场安全填埋，所种植的短萼灰叶当年可割2次，第二三年可割2-3次，利用年限3-4年，再种植第二茬，重复上述过程，直至彻底除去土壤中超标的铅。

实施例5

将短萼灰叶种子用60℃温水浸种半小时，晾干后于4月播种，按株距×行距＝130×130cm栽到被铅污染的土壤中，每公顷播种量为4kg，任其自然生长，4个月后，株高100cm时首次收割其地上部，留茬55cm，收割物送废物填埋场安全填埋，所种植的短萼灰叶当年可割2次，第二三年可割2-3次，利用年限3-4年，再种植第二茬，重复上述过程，直至彻底除去土壤中超标的铅。