柳兰在修复土壤重金属铅污染中的应用

技术领域

本发明涉及环境中重金属污染的植物修复技术领域，具体为柳兰在修复土壤重金属铅污染中的应用。

背景技术

土壤是人类农业生产的重要物质基础。由于重金属矿藏的开采、加工和利用，乡镇企业的兴起以及大量地、不加控制地使用化肥和化学农药，导致土壤中重金属含量急剧增加，造成农田土壤的重金属污染。我国每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨，另外由于土壤大面积污染，我国每年出产重金属污染的粮食多达1200万吨。这不仅严重影响农作物的产量与质量，而且影响到大气及水环境质量，同时大气中的重金属可以通过自然沉降和雨水淋溶作用进入土壤和水环境，产生交叉污染，进而通过食物链危害人体健康。因而治理土壤重金属污染已经成为各级政府高度重视的一个重要环境问题。

Pb是重金属污染元素之一，Pb在土壤中的溶解度小，滞留时间长，是一种不可降解的环境污染物，在土壤中积累后，不仅影响农作物的产量和质量，并且通过食物链影响人类健康。铅中毒的症状为：胃疼、头痛、颤抖、神经性烦躁，严重时可能致人死亡。近年来的研究表明，土壤Pb污染现象比较普遍，特别是在铅锌矿开采区、污灌区和公路两侧。目前我国受Pb等重金属污染的耕地面积近2000万公顷，约占总耕地面积的1/5。考虑到Pb对人体的危害以及土壤Pb污染的普遍性和严重性，如何修复Pb污染土壤己成为世界各国科学家的研究热点。

土壤重金属污染传统的治理修复方法通常为物理和化学的方法，如稀释和覆土法、玻璃化技术、热处理技术、淋洗法、电化学法等，传统的修复方法虽然治理效果好，历时较短，但都存在许多缺陷。为寻求新方法替代传统治理方法的成本高、不易管理、易造成二次污染的缺点，目前一种经济而又高效的植物修复技术得到广泛应用。植物修复技术（phytoremediation）指利用植物及其根际微生物对土壤污染物的吸收、挥发、转化、降解、固定作用而去除土壤中污染物的修复技术。而国内研究发现的能用于修复铅污染土壤的植株都比较矮小，且生长缓慢，所以寻找耐性强、生物量大、生长迅速的植物，成为土壤重金属铅污染治理与修复的重要环节。重金属在土壤中以水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态等形态存在，不同存在形态的重金属其生物有效性不同。

柳兰(Chamaenerion angustifolium)为柳叶菜科柳兰属，又名红筷子、遍山红，多年生草本。我国华北、东北、西北、西南地区均有分布，自然生长于海拔1500m～3200m的林缘、林间、山坡草地、河岸草丛及火烧或采伐迹地，常成群落生长。柳兰喜光、耐寒，适应性较强，长白山区海拔1800m亦有分布，喜湿润不积水的肥沃腐殖性土壤或沙壤土。

植物修复是以植物忍耐和超量固定、转移某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物清除污染介质中的重金属的一类环境整治技术。但是铅在土壤中的浓度对植物的生长具有胁迫作用，会影响植物的生理生化特性。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种既可降低土壤铅污染修复成本又可使铅污染土壤修复效率提高的方法，即柳兰在重金属铅污染土壤修复中的应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

柳兰在修复土壤重金属铅污染中的应用，在重金属铅污染的土壤中种植柳兰，利用柳兰的根系可大量吸收土壤中的铅，并将其转移到植物体内的特性，然后在生长到一定时期定期对绝大部分，约占总面积的4/5进行整株收割，对小部分，约占总面积的1/5只收割地上部分，地下部分留于土壤中作为下一季种苗，并对其收割的柳兰进行灰化处理，提取重金属铅，从而对重金属铅污染的土壤进行修复。

所述的柳兰的种植方法为在种植柳兰时采用将地下横走根状茎挖出，切割成若干段，每段带有一个芽孢，播时将芽苞向上放置，埋入土壤表层10cm-15cm内，分株繁殖。在柳兰开红紫色花时收获，或者将地下横走根状茎挖出进行再次种植。柳兰春播和秋播均可，多在早春进行，播种后应经常保持土壤水分和湿度。

柳兰喜光、喜凉爽及湿润的气候，因此种植管理时要注意多浇水，这样有利于柳兰生长发育。柳兰喜排水良好、肥沃和湿润的土壤，因而可以定期施肥及灌水。

待柳兰开红紫色花时收获，同时根据土壤中铅含量高低等情况，可以将柳兰整株移植出土壤之外用作景观装饰；或者将地下横走根状茎挖出进行再次种植。通过多次种植柳兰来减少土壤中铅的含量，可使受铅污染的土壤得到修复。

发明人通过试验研究发现，柳兰对土壤中铅含量具有很强的耐受性，当铅胁迫浓度为4000mg/kg时，柳兰并未产生明显的受毒害症状，且柳兰生物量大，生长迅速，对高浓度pb具有很强的耐性和较强的吸收能力，所以柳兰对高浓度pb污染土壤具有巨大的修复潜力。

当土壤中铅浓度大于4000mg/kg时，柳兰生长发育会受到明显抑制，生物量大大降低，因而其修复效果较差。

柳兰各部位对重金属铅均有较强的累积能力，柳兰对铅的累积量随土壤中重金属铅浓度的增加而增加，在不同浓度铅胁迫下柳兰各部位的铅含量和累积量都是根＞茎＞叶，其根、茎、叶铅含量最大值分别为3362mg/kg、208mg/kg、188mg/kg。当土壤铅浓度为4000mg/kg时单株柳兰对铅的累积量可达1.33mg/株。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过种植柳兰来吸收提取受污染土壤中的铅，从而用植物修复方法解决土壤铅污染问题。利用柳兰自身生长特性和经济价值对铅污染土壤修复治理，具有对环境扰动少、不破坏土壤理化性质，不引起二次污染；费用低廉，适合于大面积重金属铅污染的土壤；可用于景观装饰等优点；并且对其积累的重金属铅还可回收利用，从而产生一定的经济效益。

附图说明

图1为实施例1中不同铅含量土壤中所收获柳兰的生物量的曲线图。

图2为实施例1中不同铅含量土壤中所收获柳兰单株Pb累积量的曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

实施例1  

盆栽土壤采至四川省雅安市草坝镇水津村，土壤类型为水稻土。土样在室内风干，去除杂质，压碎后过2目筛混匀备用。以分析纯Pb(OAc)₂??3H₂O供给土壤Pb，Pb²⁺设置7个浓度梯度（以Pb²⁺浓度计），分别为0mg/kg、300mg/kg、500mg/kg、1000mg/kg、2000mg/kg、3000mg/kg、4000mg/kg。制备铅污染土壤时用少量去离子水溶解称取的Pb(OAc)₂??3H₂O，然后将溶解的Pb(OAc)₂溶液用木制工具均匀地混合于18 kg土壤中，将土壤分别装入3个已编号的花盆中，每盆约6 kg，反复加水，自然风干，如此反复钝化1个月。钝化后每盆栽植一株柳兰，加入复合肥料做基肥，每处理重复3次，随机排列。生长过程中用去离子水灌溉，土壤湿度保持在田间持水量的60%－70%，保持每盆土壤湿度一致，除草，网室内培养。成熟后收获，称其生物量，并分析植株不同部位的铅含量。

由图1可知，在不同浓度Pb胁迫下柳兰收获后的生物量，随着铅胁迫浓度的增加出现先下降再上升又下降再上升又下降的变化趋势。当Pb胁迫浓度为500mg/kg和3000mg/kg时，柳兰总生物量与对照差异不显著，表现出较强的耐性；同时在4000mg/kg的Pb胁迫浓度下，柳兰生物量显著降低，但是柳兰并未出现明显受毒害症状，表明在该处理条件下Pb胁迫对柳兰的生长起到了一定的抑制作用。另外，可以通过根系耐性来反映植物对土壤重金属的耐受程度。根系耐性指数是各处理的根系长度与对照根系长度的比值，可以反映植物对重金属的耐性。表1显示了不同Pb胁迫浓度下柳兰根系的耐性指数。当Pb胁迫浓度≤3000mg/kg时，根系耐性指数均大于0.5，根的耐性指数在3000mg/kg时达到最大值，这与生物量的研究结果十分吻合，可以看出柳兰根系耐性指数与生物量之间呈显著的正相关，说明柳兰的生长与根的耐性之间存在着紧密的关系，在不同Pb处理浓度下，由于根系耐性指数的相对稳定，柳兰生物量差异不显著，说明柳兰对Pb具有较强的耐受能力但存在一定的限度，即Pb胁迫浓度超过4000mg/kg时，柳兰生物量明显下降。

表1  不同浓度Pb处理下柳兰根系的耐性指数

表2  柳兰不同器官Pb含量

由表2可以看出，柳兰各部位Pb含量随Pb胁迫浓度的增加而增加，各部位的Pb含量都是在4000mg/kg铅处理时最高，其中根部为3361.71mg/kg，叶部为188.07mg/kg，茎部为207.88mg/kg，地上部的最大含量为194.88mg/kg。其中叶、茎和根中Pb含量在3000mg/kg处理之前上升趋势平缓，而在3000mg/kg以上时吸收量突然变大，在4000mg/kg时柳兰叶、茎和根中Pb含量分别是对照的21.8、13.5和144.5倍。而地上部Pb含量从2000mg/kg处理开始上升幅度增大，3000mg/kg和4000mg/kg处理时地上部Pb含量分别是对照的12和16倍。

表3      柳兰不同器官Pb累积量

由表3可以看出，随着Pb胁迫浓度的增加，柳兰各部位对Pb的累积量增加，且柳兰各部位对Pb的累积除了对照外都是根＞茎＞叶，说明其对Pb的转运能力较弱。由表3可知，柳兰在3000mg/kg和4000mg/kg处理浓度下地上部对Pb的累积量都超过了0.3mg/株，柳兰整株对Pb的累积量超过了1mg/株。 

表4   盆栽后土壤中各形态Pb所占的比例

盆栽前土壤中各形态Pb比例关系为残渣态＞有机结合态＞碳酸盐结合态＞铁锰氧化物结合态＞交换态。由表4可知，盆栽后土壤中各形态Pb比例有一定变化，对照和300mg/kg处理各形态Pb比例关系为残渣态＞有机结合态＞碳酸盐结合态＞交换态＞铁锰氧化物结合态；Pb处理浓度≥500mg/kg后，各形态Pb比例关系为残渣态＞碳酸盐结合态＞有机结合态＞交换态＞铁锰氧化物结合态。随着Pb处理浓度的增加碳酸盐结合态所占比例增加，交换态所占比例变化无明显规律。铁锰氧化物结合态比例随Pb处理浓度增加而增加，而残渣态比例逐渐降低，有机结合态比例变化也无明显规律。说明随着铅胁迫浓度的增加，铅形态向着有利于柳兰吸收的形态转化。

图2表示不同浓度铅处理土壤中所收获柳兰单株Pb累积量，随着Pb处理浓度的增加，柳兰对Pb的累积量逐渐增加，可知在Pb处理浓度为4000mg/kg时，柳兰对Pb累积量达到1.325mg/株，且为单株累积量最高，在Pb胁迫浓度≥3000mg/kg时柳兰对Pb有较强的富集能力，对铅污染土壤有很强的修复能力。

上述实施例表明，柳兰对铅胁迫具有较强的耐性和对污染土壤中的铅具有较强的累积能力，对铅污染土壤有较强的修复能力。