專利名稱：一種利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法
技術領域：
本發明屬于環境保護技術領域，涉及一種利用瑞典能源柳2號(Salixdascladus) 修復鎘污染土壤的方法。
背景技術：
隨著全球人口的快速增長、工業生產規模的不斷擴大和城市化的快速發展，土壤 重金屬污染越來越嚴重。據統計，1980年我國工業三廢污染耕地面積266. 7萬hm2，1988年 增加到666. 7萬hm2，1992年增加到1000萬hm2。目前，全國遭受不同程度污染的耕地面積 已接近2000萬hm2，約占耕地面積的1/5。我國每年因重金屬污染導致的糧食減產超過1000 萬t，被重金屬污染的糧食多達1200萬t。據農業部環境監測系統近年的調查，我國24個 省(市)城郊、污水灌溉區、工礦等經濟發展較快地區的320個重點污染區中，污染超標的 大田農作物種植面積為60. 6萬hm2，占調查總面積的20%。其中重金屬含量超標的農作物 種植面積約占污染物超標農作物種植面積的80%以上。在重金屬污染土壤中，以鎘污染較普遍，全國污染面積近1000萬hm2。存在于污染 土壤中的鎘離子，具有極強的生物遷移性，可以通過糧食、果蔬進入人類食物鏈，直接危害 人類健康。人攝取過量鎘可導致蛋白尿、氨基酸和糖尿，影響鈣和磷的吸收代謝，增加腎和 骨的病變，造成貧血、高血壓、神經痛、骨質松軟、腎炎和分泌失調等病癥。鎘在人體積蓄作 用，潛伏朗可長達10 30年。“痛痛病”就是由于長期飲用受鎘污染的自來水或地表水，或 食用受鎘污染的水進行灌溉的稻谷，造成的鎘在體內蓄積的結果。因此，對土壤鎘污染的治 理不僅是營造良好生態環境的需要，也是維護人類健康的當務之急。對鎘污染土壤凈化多采用工程措施和生物措施進行。工程措施主要是通過向污染 土壤中，施加硫酸、磷酸等無機酸，再以灌溉、淋洗等方式，將生成的無機鹽排除土壤。采用 工程措施，不僅工作量大，成本高，而且生成的含有重金屬的土壤溶液，沒有脫離環境，還會 造成二次污染，并不能從根本上解決土壤的重金屬污染問題。凈化污染土壤最為有效的方 法是生物凈化，就是通過耐重金屬的植物根系吸收，將土壤中的重金屬吸收后通過代謝，富 集在自身器官中，不再返回土壤，從而降低土壤中重金屬含量。目前研究植物凈化土壤有兩類植物，即草本植物和木本植物。有些草本植物吸收 重金屬能力很強，但草本植物死亡或者分枯枝落葉，又會將重金屬返回到土壤。而木本植物 一般形成的器官是木材，可以用于建筑、家具、造紙等，使污染土壤的重金屬徹底離開土壤， 脫離食物鏈，不會造成二次污染。Hinesly等(1982)認為植物對鎘的吸收差異是由基因控 制的，基因型在植物對鎘的吸收中占主導地位。根系氧化物不同，其根表淀積的鐵氧化物膠 膜數量存在差異，這種差異直接影響到根表鐵氧化物膠膜對鎘的富集、吸收和運輸。同時， 植物蒸騰速率、根系活性、根系周圍環境和根系分泌物等的不同也導致植物對鎘吸收運輸 的差異。柳屬植物對鎘、鉛等重金屬的富集作用，已經引起有關學者研究，人們開始通過雜 交、克隆等手段，篩選出了一些重金屬抗性和富集能力相對較強的品種。瑞典能源柳是瑞典農業大學和種子集團公司通過雜交培育的速生品種，主要作為能源植物先后在歐洲和北 美引種栽種；國外曾經報道，能源柳生長快，每三年輪伐期，每公頃可收獲約25噸干物質 (Heller et al. ,2003 ；Matthews, 2001) 20世紀90年代，瑞典就開始利用能源柳對城市 廢水、垃圾浙出液及生活污水進行治理，在城市排水溝、垃圾填埋場等營造能源柳林，使排 出的污水達到衛生標準(張文輝等，2006)。張文輝等近年來開展的相關研究證明，能源柳 具有吸附、耐受重金屬能力，可在土壤鎘含量大于200mg/kg的重度污染土壤上生長(薛建 永張文輝，植物研究，2008年7月，不同能源柳無性系對土壤鎘污染的抗性研究)。
發明內容
本發明解決的技術問題在于提供一種利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方 法，通過在鎘污染土壤上栽培能源柳，達到對鎘污染土壤的永久修復。本發明是通過以下技術方案來實現一種利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，包括以下步驟1)選取瑞典能源柳2號(Salix dascladus)，剪取長度為18 20cm，直徑為1. 5 2. Ocm的1年生枝條作為插穗，剪取插穗后立即扦插或者將插穗用沙土掩埋避光保存2 60天;2)扦插前將插穗取出，將下部削成40 45°的馬耳型斜面，然后將插穗下部浸入 雙吉爾-GGR生根粉溶液之中，浸入時間為1 1. 5h ；3)按株距為0. 5 0. 75m，行距為0. 5 Im的密度進行扦插，扦插時將插穗插入 鎘污染的土壤，地面部分露出1. 5 2cm ；4)扦插完成后立即用潔凈的水灌溉，灌溉后覆蓋塑料薄膜；5)當插穗上萌發的嫩枝高度達到10 15cm時，抹芽，每個插穗上保留萌發的嫩枝 2 3個；6)進入苗木生長期后及時澆水、拔草，并在每年秋季收集落葉；7)以3 5年為一個生長周期，采伐地上莖干，保留伐樁高度3 5cm ；伐樁在次 年春天會繼續萌發枝條，萌發枝條后及時抹芽，并保留嫩枝2 3個，開始新一輪的生長周 期。所述的插穗用沙土掩埋避光保存時，沙土的濕度為60% 70%，保存溫度為4 6 °C，掩埋深度4 5cm。所述的馬耳型斜面的長度為3 5cm。所述的雙吉爾-GGR生根粉溶液是將雙吉爾-GGRABT生根粉與水混合配置而成。所述的鎘污染的土壤中鎘的含量< 200mg/kg。所述的收集的落葉作為燃料處理，采伐的莖干作為燃料、木材、纖維材料處理，以
脫離土壤環境。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果本發明通過在被鎘污染的土壤上栽培無性系的瑞典能源柳2號Salixdascladu s 以修復鎘污染的土壤，以三年作為一個生長周期，在鎘脅迫環境下，能源柳生長旺盛，年生 產力大，年生物量可達7. 4 10. 9t/hm2。能源柳土壤年凈化率可以達到0.3% 1.2%， 是一般超富集草本植物(如印度芥菜、白茅等)的4 7倍。鎘在被能源柳吸收后，主要富集在根、莖、葉等部分，地上部分(莖、葉)占總富集量的63% 72%。鎘以螯合態形式存 在于植物體中，具有穩定的化學特性，收獲的能源柳葉子，可用于造紙；莖干可用于造紙，編 織，生物質能，纖維板，建筑材料等，吸收的鎘被固定在紙張、建材中，脫離了土壤環境和食 物鏈，不會對環境造成二次污染。瑞典能源柳無性系對鎘離子的富集作用明顯，對土壤鎘濃度< 200mg/kg的鎘污 染土壤具有修復作用，最佳栽培密度可選用株距0. 5 0. 75m，行距0. 5 Im ；株行距(密 度)因污染嚴重程度確定，土壤污染越嚴重，密度越大。在土壤鎘濃度相同的情況下，扦插 密度越大，單位面積上累積的生物量越大，對鎘的吸附能力越強，土壤凈化率越高。在栽培 密度相同情況下，隨著土壤鎘濃度的增加，單位面積的能柳生物量累積呈下降趨勢，植物體 中富集的鎘濃度呈增加趨勢，土壤凈化率下降。瑞典能源柳2號Salix dascladus為速生木本植物，每年的莖生物量高，可以用做 工業燃料、發電或制取工業酒精，在鎘污染區種植能源柳不但能凈化土壤中的鎘，也可以提 供生物質能源，還改善了生態環境，這對鎘污染土壤的生態修復具有重要的意義。而且瑞典能源柳2號Salix dascladus的樹形優美，具有一定的園林觀賞價值，在 凈化土壤的同時，還起到綠化、美化環境的作用，適合城市污染土壤，垃圾填埋場，污灌區等 鎘污染地區栽培。
具體實施例方式下面結合具體的實施例和瑞典能源柳2號Salix dascladus對土壤鎘污染的修復 的前后對比來對本發明作詳細的說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。實施例1利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，包括以下步驟1)在春天，選取瑞典能源柳2號Salix dascladus的直徑為1. 5 2. Ocm的1年生 枝條，剪成長度18 20cm作為插穗，然后將插穗用沙土掩埋避光保存，沙土的濕度為60 70%，掩埋深度4 5cm，保存溫度為4 6°C，保存時間因剪插穗時間與大田扦插時間確 定，一般沙藏時間不多于60天；或者剪取插穗后立即扦插，但要確保插穗不失水。2)在3 4月進行扦插，扦插前將插穗取出，將下部削成長度為3 5cm、傾角為 40 45°的馬耳型斜面，然后將插穗下部濃度為100 150ppm的雙吉爾-GGR生根粉溶液 之中，浸入時間為1 1. 5h ；所述的雙吉爾-GGR生根粉溶液為將雙吉爾-GGR生根粉(商 購獲得)與水混合配置，濃度為100 150ppm ；在扦插之前進行對基部進行浸泡，是為了通過外源激素刺激，促進插穗不定根萌 發，提高扦插成活率。3)按株距為0. 5 0. 75m,行距為0. 5 Im的密度進行扦插，扦插時將插穗全部 插入鎘污染的土壤，地面部分露出1. 5 2cm(包含1 2個芽)。4)扦插完成后立即用小水灌溉，灌溉用水來自潔凈、無污染水源，灌溉后覆蓋塑料 薄膜防止水分蒸發。5)當插穗上萌發的嫩枝達到10 15cm時，及時抹芽，每個插穗保留2 3個健壯 的萌發枝，抹去其他的萌發枝；
這樣做的好處是為了減少同一插穗上萌發枝條對養分的競爭，促進健壯萌發枝條 的生長。6)進入苗木生長期后及時的澆水、拔草，并在每年秋季收集落葉；第二年及以后 年份，除過分干旱時(土壤含水量低于7%時)需要灌水外，不需要其他特殊管理。7)以3 5年為一個生長期周期，在生長期結束后，采伐地上部分莖干，保留伐樁 高度3 5cm ；伐樁在次年春天會繼續萌發枝條，開始新一輪的生長期周期。第二輪生長周 期的生長速度和生物量累積明顯優于第一個生長周期。每年收集的落葉，以及采伐后的莖干，可直接用于生物質能源(燃燒發電)、生產 酒精(木纖維發酵制酒精)、造紙、家具制造等，這樣將鎘帶出被污染的土壤。下面設計具體的能源柳2號修復鎘污染土壤對比實驗，來說明本方法對鎘污染土 壤的修復能力[實驗設計]設置土壤鎘濃度不同的土壤凈化池，每個濃度按照3個密度(株距X行距為 0. 5mX0. 5m ；0. 75mX0. 75m ；0. 75mXl. 0m)分別來檢測瑞典能源柳2號的修復凈化能力，土 壤鎘濃度的設置為200mg/kg，100mg/kg, 50mg/kg三個梯度濃度。瑞典能源柳2扦插后測定 土壤含鎘量，作為初始土壤含鎘量。以三年作為一個生長周期，每年收集每個池子內所有能 源柳葉片，測定其生物量和葉片含鎘量；3年后收獲莖干，測定能源柳莖干鎘含量；同時測 定土壤含鎘量，三年后土壤鎘濃度與原始鎘濃度比值，即為土壤凈化率，以此評價能源柳對 土壤修復的效果。[具體實驗過程]土壤凈化池建造建立體積為長3m、寬3m、深Im 土壤凈化池9個。在地表挖掘土 坑，四壁和底面修平并用雙層塑料布(0. 5mm聚氯乙烯塑料布)，封閉，池子外緣用磚加高出 地面10cm，以防止水、土(包括鎘)流失或者滲入。含鎘土壤處理在使用普通農田土上加入不同量的鎘。每個池子土壤(約8m3)施 入尿素1kg，磷肥1. 5kg，土壤容重1. Ig/cm3，每池土壤重8. 8t ；將CdCl2 · 2. 5H20配成水溶 液按不同鎘濃度的設計要求噴施到土壤中，使土壤含鎘量分別接近200mg/kg，100mg/kg， 50mg/kg，上下翻動3次，充分混勻。插穗準備選取瑞典能源柳2號Salix dascladus，1年生枝條，粗度1. 5 2. 0cm， 剪成長度18 20cm插穗，沙藏避光保存。扦插扦插前將插穗取出，下部削成40 45°馬耳型斜面，將插穗基部分別浸入 雙吉爾-GGR溶液之中，濃度為100 150ppm，經1小時后取出，即可扦插。在3月下旬進行扦插，扦插時將插穗全部插入土壤，地面露出1 2個芽為準， 扦插于土壤的凈化池內，扦插密度分別按(株距X行距)0. 5mX0. 5m,0. 75X0. 75m, 0. 75X lm，每一密度同時扦插于土壤鎘濃度為200mg/kg，100mg/kg, 50mg/kg的三個凈化池 內，共使用9個土壤凈化池。灌溉、覆膜插后立即用潔凈的水灌透，灌溉水不要溢出凈化池。覆蓋塑料薄膜防 止水分蒸發。每年進入落葉后，將能源柳2號枯落物，包括落在地上的枯枝、落葉，收集起來，風 干后存放。在三年生長期結束后，采割能源柳地上部分莖干，保留伐樁高度3-5cm ；莖干含
6鎘量測定用電感耦合等離子體發射光譜測定。同時測定各池子土壤含鎘量。[指標測定]土壤取樣扦插后和三年生長期采伐后，兩次取樣。取樣時，沿土壤凈化池對角線， 設置三個樣點，每個樣點分上中下3層取土樣，充分混合后，三個樣點的土壤鎘含量平均值 分別作為該土壤凈化池凈化前、凈化后的實際土壤含鎘濃度。生物量測量按照含鎘濃度和扦插密度對土壤凈化池編號，對收集的枯枝、落葉， 以及最后的地上莖干部分。鎘濃度的測定采用HNO3-HClO4法(Bhargava & Raghupati，1998)硝化樣品，最后 用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AES，LEEMAN LABS INC.，New Hampshire, USA)測定其含量。[實驗結果]下面通過對不同濃度鎘污染土壤的修復來對具體的修復結果來說明，其中表1為 輕度鎘污染土壤，表2為中度鎘污染土壤，表3為重度鎘污染土壤表1對輕度鎘污染土壤(Cd濃度50. 316mg/kg)修復
權利要求
一種利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步驟1)選取瑞典能源柳2號(Salix dascladus)，剪取長度為18～20cm，直徑為1.5～2.0cm的1年生枝條作為插穗，剪取插穗后立即扦插或者將插穗用沙土掩埋避光保存2～60天；2)扦插前將插穗取出，將下部削成40～45°的馬耳型斜面，然后將插穗下部浸入雙吉爾 GGR生根粉溶液之中，浸入時間為1～1.5h；3)按株距為0.5～0.75m，行距為0.5～1m的密度進行扦插，扦插時將插穗插入鎘污染的土壤，地面部分露出1.5～2cm；4)扦插完成后立即用潔凈的水灌溉，灌溉后覆蓋塑料薄膜；5)當插穗上萌發的嫩枝高度達到10～15cm時，抹芽，每個插穗上保留萌發的嫩枝2～3個；6)進入苗木生長期后及時澆水、拔草，并在每年秋季收集落葉；7)以3～5年為一個生長周期，采伐地上莖干，保留伐樁高度3～5cm；伐樁在次年春天會繼續萌發枝條，萌發枝條后及時抹芽，并保留嫩枝2～3個，開始新一輪的生長周期。
2.如權利要求1所述的利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，其特征在于，插 穗用沙土掩埋避光保存時，沙土的濕度為60% 70%，保存溫度為4 6°C，掩埋深度4 5cm0
3.如權利要求1所述的利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，其特征在于，所述 的馬耳型斜面的長度為3 5cm。
4.如權利要求1所述的利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，其特征在于，所述 的雙吉爾-GGR生根粉溶液是將雙吉爾-GGR生根粉與水混合配置而成。
5.如權利要求1所述的利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，其特征在于，所述 的鎘污染的土壤中鎘的含量< 200mg/kg。
6.如權利要求1所述的利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，其特征在于，收集 的落葉作為燃料處理，采伐的莖干作為燃料、木材、纖維材料處理，以脫離土壤環境。
全文摘要
本發明公開了一種利用瑞典能源柳2號修復鎘污染土壤的方法，選取瑞典能源柳Salix dascladus的直徑為1.5～2.0cm的1年生枝條，剪取長度18～20cm作為插穗，然后將插穗在沙床上避光保存；扦插前將插穗取出，浸入雙吉爾-GGR生根粉溶液之中，按株距為0.5～0.75m，行距為0.5～1m的密度進行扦插，扦插時將插穗插入鎘污染的土壤，地上露出3-5cm，以3～5年為一個生長期周期。在鎘脅迫環境下，瑞典能源柳2號生長旺盛，生物量可達7.4～10.9t/hm2/年，土壤凈化率0.3％～1.2％/年，年凈化效率是超富集草本植物的4～7倍。
文檔編號B09C1/00GK101965785SQ201010504708
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月13日 優先權日2010年10月13日
發明者張文輝, 薛建永, 馬闖 申請人:西北農林科技大學