专利名称：利用植物修复砷污染土壤的方法
技术领域：
本发明涉及污染土壤的修复技术领域，是一种通过种植砷超富集植物——蜈蚣草(Pteris vittata L.)快速清除土地中砷污染的成套技术。
背景技术：
砷污染是一个非常普遍和非常严重的环境问题。我国内蒙古、山西及大部分金属矿区都存在着严重的砷污染和砷中毒问题，对人民生活和工农业生产造成极大危害。从19世纪以来，砷一直以来广泛用于工农业生产。以前，含砷物质常用作杀虫剂、杀菌剂、除草剂、落叶剂、杀雄剂、防腐剂、涂料、柔化剂、化工和半导体生产的原料等，使许多果园、农田、木材加工厂和工矿区附近的土地受到严重的砷污染，有的甚至比自然土壤的含砷量高出数千倍。长时间暴露在含砷的环境中可导致膀胱癌、肝癌和皮肤癌，高剂量的砷会干扰细胞的能量代谢，从而导致生物体的死亡。
目前，治理砷等重金属污染土地的方法主要有沉淀法、淋洗法、拮抗法、电化法、磁化法。这些物理或化学方法各有其优点，但一般都存在工程量较大、费用高，同时也容易造成二次污染以及导致土壤结构破坏和土壤肥力退化等次生生态问题。
虽然所有的植物都能够或多或少地吸收土壤中的砷，但是普通植物的含砷量一般不超过0.5mg/kg。譬如我国豆类为0.02～0.56mg/kg，蔬菜类为0.001～0.04mg/kg(廖自基，1989)。因此，种植普通植物很难达到治理和修复砷污染土地的效果。蜈蚣草则不同，其地上部不仅能够富集大量的砷(最高可达8000mg/kg)，其含砷量比普通植物高一万倍以上，此外其生长速度也非常快，生物量很大。田间条件下，其地上部鲜重可达36t/ha(含砷约10～20kg/ha)。而蜈蚣草在砷含量小于1000mg/kg的土地上的生物富集系数可达80。尤其是在人工栽培环境中，砷更容易富集到地上部，即使在低砷浓度下，蜈蚣草也能大量富集砷(陈同斌等，科学通报，2002，47(3)207-210)。因此，通过种植蜈蚣草大量吸收土壤中的砷，无疑为解决土地砷污染问题提供了一条良好的技术途径。
在植物修复技术的实际应用过程中，应用适宜的种植技术有利于蜈蚣草的生长发育、有利于其对土地中砷的吸收，进而提高修复效率、缩短修复时间、降低修复成本。植物修复配套辅助技术的应用非常重要，如合理施用磷肥可显著提高植物修复效率，在最佳施磷量条件下，田间土壤中砷的去除效率高达8％(廖晓勇等，环境科学学报，2004，24(3)455-462)。我们课题组通过室内盆栽研究发现，随着蜈蚣草收获次数的增加，不同砷浓度处理之间蜈蚣草生物量的差异逐步缩小，多次收获并没有降低砷的积累速度，通过适当增加蜈蚣草的收获次数可提高砷修复效率(李文学等，生态学报，2005，25(3)538-542)。但田间应用刈割策略对蜈蚣草生长和砷累积的影响还并不清楚。
发明内容
本发明以凤尾蕨属砷超富集植物(hyperaccumulator)—蜈蚣草(Pterisvittata L.)为材料，提高其修复砷污染土地(包括湿地)效率的辅助技术。该方法通过育苗→调整种植密度→多次刈割等技术组合的成套技术，提高蜈蚣草对污染土地中砷的吸收量，更快地降低土地中污染物砷的含量。该方法主要种植能够从土地中大量富集砷的特殊植物—蜈蚣草，通过沟穴育苗(图1)、适宜的种植密度(20cm×20cm或10cm×40cm)和刈割(一年刈割2～3次，每次留茬5～10cm高)等成套技术，提高蜈蚣草地上部对土地中砷的吸收效率，达到从污染土地中快速清除砷污染的目的。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种利用植物修复砷污染土壤的方法，可用于土地，包括湿地，其以砷超富集植物—蜈蚣草作为治理和修复砷污染土壤的材料，通过育苗→调整种植密度→刈割一系列技术的组合，提高蜈蚣草对土地中砷的吸收量，更快地降低环境中污染物砷的含量，达到快速净化土壤污染的目的。
所述的方法，其所述系列栽培技术，步骤为a、挖制育苗沟穴，将蜈蚣草孢子撒播在沟穴中；b、待蜈蚣草幼苗长至10～15cm时进行移栽，其种植密度为20cm×20cm或10cm×40cm；c、蜈蚣草植株生长到50～100cm高度时，或者生长2～4个月后，开始收割地上部；d、蜈蚣草一年中的生长期为10～11个月，在其整个生育期间，收割2～3次，每次收割的留茬，为地上部高度5～10cm；e、将收获物转移到其他地方集中安全处理，以达到从污染土地中迅速清除砷污染物并避免二次污染的目的。
所述的方法，其所述挖制育苗沟穴，蜈蚣草的最佳育苗方式为沟穴式育苗，所挖沟穴的横截面呈等腰梯形，上底长15～20cm，高10～15cm，内角60～85°，梯形腰的正投影区为蜈蚣草孢子的撒播区。
所述的方法，其所述在其整个生育期间，收割2～3次，其收割时间分别为蜈蚣草移栽后的4～5个月和9～10个月，或分别为蜈蚣草移栽后的3～4个月，3～4个月和2～3个月。
所述的方法，其所述集中安全处理，是在其他地方进行安全焚烧或安全填埋。
本发明方法与传统的污染土地治理方法相比，通过种植蜈蚣草修复污染土地，主要是利用蜈蚣草从土地环境中大量吸收、富集砷，收割其地上部生物量则可从土地中带走大量砷。应用本发明提供的成套技术可以大大提高蜈蚣草修复砷污染土地的效率，且具有投资少和维护成本低、工程量小，管理技术要求不高，不破坏土壤理化性质，不产生二次污染等优点。
图1蜈蚣草育苗沟穴横截面示意图；图2种植密度对蜈蚣草砷累积量的影响示意图；图3刈割频率对蜈蚣草砷累积量的影响示意图；图4收获时留茬高度对蜈蚣草砷累积量的影响示意图。
具体实施例方式
实施例1在砷污染农田中，按照图1所示方法，将蜈蚣草孢子撒播在特定区域，每平方米(地表沟所占面积)可生长超过100颗蜈蚣草；如果将孢子直接撒在土地表面，则其萌发受精的比例非常低，很难长成蜈蚣草植株。
实施例2取实施例1中的蜈蚣草苗(10～15cm高)进行移栽，其种植密度设定为10×10cm，10×40cm，20×20cm；20×40cm，按照普通农作物的管理办法进行管理，蜈蚣草全生育期收获1次。从图2可以看出，种植密度为20×20cm时蜈蚣草的总砷累积量最高(1.74kg/ha)，因此20×20cm的种植密度有利于提高蜈蚣草对砷的去除效率。采用10×40cm的种植密度，其砷积累也较高，考虑到田间作业方便，10×40cm的种植密度也是一种值得推荐的方案。
实施例3蜈蚣草种植及管理方法同实施例2。本试验设4个处理刈割1次(移栽后10个月)；刈割2次(收获时间分别为移栽后5个月和10个月)；刈割3次(收获时间分别为移栽后4个月、8个月和10个月)；刈割4次(收获时间分别为移栽后4个月、6个月、8个月和10个月)。每次取样后蜈蚣草地上部留茬高度为5cm。从图3可以看出，蜈蚣草砷总累积量的顺序是刈割3次＞刈割4次＞刈割2次＞刈割1次，其中刈割3次的砷总累积量为刈割1次的砷总累积量的1.9倍。这说明，多次收获比全生育期仅收获1次的修复效果要更好，多次收获可有效地避免叶片脱落带走部分砷和植物生长的相对“稀释”效应。多次收获在保证植株体内的砷浓度相对较高同时，并没有增加植株的总生物量和收获后蜈蚣草的后续处理。
实施例4蜈蚣草种植及管理方法同实施例2。蜈蚣草全生育期收获2次，待蜈蚣草植株生长到50～100cm高度时，或者生长2～4个月后，开始第一次收割。第1次收获后，蜈蚣草地上部留茬高度分别设为0cm、2.5cm、5cm、7.5cm、10cm和12.5cm。刈割后的蜈蚣草继续生长，当植株高度达至50～100cm高度时进行第2次收获，所有处理蜈蚣草地上部留茬高度为5cm。从图4可以看出，留茬高度为7.5cm时，蜈蚣草的总砷累积量最高(1.01kg/ha)；其次是10cm和12.5cm，其总砷累积量分别为0.83和0.87kg/ha。这3个处理的总砷累积量要显著高于其余3个处理的总砷累积量。各处理间第1次收获的砷累积量并无显著差异，引起总砷累积量的差异主要是在第2次收获。根据植物修复效率、收获的难易程度、下茬作物的生长等因素综合考虑，留茬高度为5～10cm，以利于提高蜈蚣草对砷的去除效率。
权利要求
1.一种利用植物修复砷污染土壤的方法，可用于土地和湿地，其特征在于，以砷超富集植物——蜈蚣草作为治理和修复砷污染土壤的材料，通过育苗→调整种植密度→刈割措施组合的成套技术，提高蜈蚣草对土地中砷的吸收量，更快地降低环境中污染物砷的含量，达到快速净化土壤污染的目的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成套技术，其步骤为a、挖制育苗沟穴，将蜈蚣草孢子撒播在沟穴中；b、待蜈蚣草幼苗长至10～15cm时进行移栽，其种植密度为20cm×20cm或10cm×40cm；c、蜈蚣草植株生长到50～100cm高度时，或者生长2～4个月后，开始收割地上部；d、蜈蚣草一年中的生长期为10～11个月，在其整个生育期间，收割2～3次，每次收割的留茬，为地上部高度5～10cm；e、将收获物转移到其他地方集中安全处理，以达到从污染土地中迅速清除砷污染物并避免二次污染的目的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，蜈蚣草的最佳育苗方式为沟穴式育苗，所挖沟穴的横截面呈等腰梯形，上底长15～20cm，高10～15cm，内角60～85°，梯形腰的正投影区为蜈蚣草孢子的撒播区。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在其整个生育期间，蜈蚣草的收割次数为2～3次，其收割时间分别为蜈蚣草移栽后的4～5个月和9～10个月，或分别为蜈蚣草移栽后的3～4个月，3～4个月和2～3个月。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述集中安全处理，是在其他地方进行安全焚烧或安全填埋。
全文摘要
本发明提供一种利用植物修复砷污染土壤的方法，是以砷超富集植物——蜈蚣草为材料，修复砷污染土地(包括湿地)的技术。该方法包括由育苗、种植密度和刈割组合的成套技术，可以提高蜈蚣草修复砷污染土地的修复效率，使其从土地中带走更多砷，从而达到快速清除砷污染的目的。蜈蚣草在田间进行孢子原位育苗的最佳方式为沟穴式；最佳种植密度为20cm×20cm；当蜈蚣草生长高度达到50～100cm时进行刈割，整个生育期间刈割2～3次，每次刈割留茬5～10cm。本发明使蜈蚣草更好地发挥对砷的特殊吸收、富集功能，修复砷污染土地具有投资少和维护成本低、工程量小，管理技术要求不高等特点。本发明方法有良好的环境效益、社会效益和经济效益。
文档编号B09C1/10GK1981947SQ20051013446
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年12月15日
发明者廖晓勇, 陈同斌, 阎秀兰 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所