（市政工程专业论文）植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分吸收的动态变化.pdf

桂林工学院硕士学位论文 i i i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在张学洪教授指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员己在论文中作了明确的说明 并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：垄鱼塑 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校 要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存 论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：垄塾麴翌 指导教师签字：二i 骂雌 签字日期：捌! 蒸：! 桂林工学院硕士学位论文 摘要 由于砷污染问题的普遍性和严重性，世界各国对砷污染及其健康问题已给予广泛关 注。土壤砷污染是环境保护领域中普遍关注的问题。植物修复技术是一种主要用于清除 土壤重金属污染的绿色生态技术，其关键步骤是寻找或筛选出能够富集一种或多种重金 属的超富集植物。重金属污染土壤的植物修复技术经济成本较低，操作简单，而且和生 态环境相协调，越来越受到国内外学者重视。 蜈蚣草( p t e r i sv i t t a t al ) 是我国发现的第一种砷超富集植物，并成功用于砷污染土壤 的现场修复。蜈蚣草生长速度快、生物量大、地理分布广、适应性强，应用其修复砷污 染土壤是现有修复方法中的一种成本低廉、快速的绿色修复技术，具有良好的应用前景。 蜈蚣草在富集砷的过程中，其正常生长也需要吸收土壤中的氮、磷、钾等植物必需 的营养元素。土壤中氮、磷、钾的变化是否会直接影响到蜈蚣草的正常生长或其它环境 效应并继而影响其对砷的修复效率这一问题还有待研究。本研究以砷污染土壤的植物修 复基地( 湖南郴州) 为依托，连续5 年对基地土壤和蜈蚣草取样和分析，揭示蜈蚣草富集砷 过程中对基地不同砷污染区土壤养分的吸收与影响。 连续5 年的蜈蚣草种植，土壤中全氮含量明显降低，至2 0 0 7 年底，高、中、低三个区 的全氮含量分别降低了2 7 6 、2 4 2 和2 5 。三个区土壤中全磷含量没有明显降低，三 个区土壤中全磷含量均处于6 0 0m g k g 左右，高砷区土壤全磷含量总体高于中、低砷区。 三个区土壤中全钾含量没有明显的变化规律，其含量处于4 5 7 6m g k g - 7 7 9 2m g k g , 之f b q ， 全钾供应不充足。土壤中砷分布空间变异性大，高砷区和中砷区表层土壤总砷含量与种 植前相比分别降低了2 0 9 和1 6 1 ，低砷区没有明显变化。 2 0 0 2 - - 2 0 0 7 年，不同小区蜈蚣草从土壤中吸收带走的氮、磷、钾总量表现为：中砷 区 低砷区 高砷区。蜈蚣草对不同营养元素的总吸收量表现为：氮 钾 磷。高、中、低 三个区的蜈蚣草每年从土壤中吸收的总氮量为4 3 1 1 7 8 0k g h m 2 ，总磷量为8 8 - - 2 6 0 k g h m z ，总钾量为3 9 3 1 3 7 7k g h m 2 ，都低于其它植物( 水稻、小麦) 对氮、磷、钾的吸 收量。从土壤中氮、磷、钾的含量和动态变化以及蜈蚣草从土壤中吸收带走的总量看， 蜈蚣草对土壤中的营养元素产生的影响小，主要影响因素可能是其它植物( 杂草) 对营养 元素的吸收利用或其它养分流失途径。 关键词：蜈蚣草：养分：吸收；动态变化；植物修复；砷污染土壤 桂林工学院硕士学位论文 d y n a m i cc h a n g e s o fs o i ln u t r i e n tu p t a k eb ya s h y p e r a c c u m u l a t o r p t e r i sv i t t a t al u n d e r p h y t o r e m e d i a t i o n li h a i x i a n g d i r e c t e db y ：p r o f d r z h a n gx u e h o n g ( d e p a r t m e n t o fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ，g u i l i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y , g u i l i n ，5 4 1 0 0 4 ，c h i n a ) a b s t r a c t s o i lc o n t a m i n a t e db ya r s e n i ci sas e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ，w h i c hw a sp a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nd u et ot h eu n i v e r s a l i 哆a n ds e v e r i t yo fa sp o l l u t i o n p h y t o r e m e d i a t i o n , a n e wt e c h n i q u eu s i n gp l a n t st or e m o v ec o n t a m i n a t i o nf r o ms o i l sa n dw a t e r , h a sb e c o m ea t o p i c a lr e s e a r c hf i e l di nt h el a s td e c a d e sa si t i s s a f e ，p o t e n t i a l l yc h e a pa n dh a r m o n i o u s c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lr e m e d i a t i o nt e c h n i q u e s t h ek e yo fp h y t o r e m e d i a t i o ni s t of i n d h y p e r a c c u m u l a t o r s ab r a k ef e r n , p t e r i sv i t t a t al ，w h i c hi st h ef i r s ta sh y p e r a c c u m u l a t o rf o u n di nc h i n a , i t h a sb e e nu s e df o rs i t er e m e d i a t i o no fa s - c o n t a m i n a t e ds o i l s p h y t o r e m e d i a t i o no f a s - c o n t a m i n a t e ds o i l su s i n ga sh y p e r a c c u m u l a t o rp t e r i sv i t t a t alw a se c o n o m i c a l l ya n d e n v i r o n m e n t - f r i e n d l yc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lr e m e d i m i o nt e c h n i q u e s , w h i c hw i l lh a v eg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h er e m e d i a t i o no fa s c o n t a m i n a t e ds o i l s ，b e c a u s et h i sf e r nh a s c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g eb i o m a s s ，g r o w t hr a p i d l y , b r o a d e ng e o g r a p h i cd i s t r i b u t i o na n ds t r o n g c o m p a t i b i l i t y t h es i t eo fp h y t o r e m e d i a t i o nh a sf o u n d e df o r5y e a r ss i n c e2 0 0 2 ，a n dt h e r ew a sn o ta n y f e r t i l i z a t i o no fn pa n dka d d e dt os o i l s t h e s en u t r i t i v ee l e m e n t sw o u l dd e c r e a s e db e c a u s eo f a b s o r p t i o nb yn o r m a lg r o w t ho fp t e r i sv i t t a t al t h ec o n t e n t so fn ，pa n dk o fs o i l s ，w h e t h e r h a sd i r e c t l yi n f l u e n c eo nn o r m a lg r o w t ho fp t e r sv i t t a t al ，e n v i r o n m e n t a le f f e c ta n d r e m e d i a t i o ne f f i c i e n c yo rn o ti s u n c l e a r h v e - y e a r sf i e l ds a m p l i n ga n da n a l y s i s w e r e c o n d u c t e di nt h ep h y t o r e m e d i a t i o ns i t eo fa s - c o n t a m i n a t e ds o i l s ( c h e n z h o u ，h u n a np r o v i n c e ， c h i n a ) f r o m2 0 0 2t o2 0 0 7 ，a n dt h ea b s o r p t i o na n de f f e c to nn u t r i t i v ee l e m e n t so f3p l o t sw i t h d i f f e r e n ta r s e n i cc o n c e n t r a t i o n sb yp t e r sv i t t a t alh a sb e e ne v a l u a t e d a f t e rf i v e - y e a r sr e m e d i a t i o n , t o t a lnc o n c e n t r a t i o n so fs o i l sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y t o 2 0 0 7 ，t h e yw e r er e d u c e db y2 7 6 ，2 4 2 a n d2 5 o fh i g l l ，m e d i u ma n dl o wp l o t sw i t h 2 桂林工学院硕士学位论文 d i f f e r e n tl e v e l so fa si ns o i l s ，r e s p e c t i v e l y t o t a lpc o n c e n t r a t i o n so fs o i l so f3p l o t sd i dn o t d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , a n dt h e ya l lw e r en e a r6 0 0m v , l 【g t o t a lpc o n c e n t r a t i o n so fs o i l so f h i 曲p l o tw e r em o r et h a nt h a to fm e d i u na n dl o wp l o t s t h e r ew a sn o to b v i o u sc h a n g e so n t 0 t a lkc o n c e n t r a t i o n so fs o i l so f3p l o t s ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n sw e r eb e t w e e n4 5 7 6m g k ga n d 7 7 9 2m 如w h i c hr e v e a l e di tw a sd e f i d e n c yo fks u p p l y i n gc a p a c i t yo fs o i l s s p m i a l v a r i a b i l i t yo fs o i la r s e n i cd i s t r i b u t i o nw a sl a r g e t o t a la sc o n c e n t r a t i o n so fs o i l so fh i g ha n d m e d i u mp l o t sw e r er e d u c e db y2 0 9 a n d1 6 1 r e s p e c t i v e l y , b u tt h a to fl o w p l o td i dn o t c h a n g es i g n i f i c a n t l y f r o m2 0 0 2t o2 0 0 7 , t o t a la m o u n t so fn pa n dka b s o r b e db yp t e r sv t t a t alf r o ms o i l s d e c r e a s e di nt h ef o l l o w i n go r d e ro f3p l o t s ：m e d i u m l o w i - i i l g h t o t a la m o u n t sa b s o r b e db y p t e r i sv i t t a t alf r o ms o i l sd c c r e a s e di nt h ef o l l o w i n go r d e ro fn u t r i t i v ee l e m e n t s ：n k ea n d t h e yw e r e4 3 1 1 7 8 0k g h m 。，3 9 3 - 1 3 7 7k g h m 。a n d8 8 - - 2 6 0k g h m z ，r e s p e c t i v e l y t h e s e n u m b e r sw e r el e s st h a nt h a to fo t h e rp l a n t s ( r i c ea n dw h e a 0 f r o mt h ed y n a m i cc h a n g e so f s o i l sn ，pa n dkc o n c e n t r a t i o n so f3p l o t s ，w ec o u l dc o n c l u d et h a tt h ee f f e c t so i ls o i ln u t r i t i v e e l e m e n t sf o r mp t e r i sv i t t a t alw a sm i n o r , a n dt h em a j o ri n f l u e n c ef a c t o r sm a y b en u t r i e n t a b s o r p t i o nb yo t h e rp l a n s ( w e e d s ) o ro t h e rc h a n n e l so fn u t r i e n tl o s i n g k e y w o r d s ：p t e r i s v i t t a t a l ，n u t r i e n t , u p t a k e ，d y n a m i cc h a n g e s , p h y t o r e m e d i a t i o r t , a s c o n t a m i n a t e ds o i l s 3 桂林工学院硕士学位论文 1 1 砷及其危害 1 1 1 环境中的砷 第一章前言 砷o 埘位于元素周期表v 族，是变价元素。自然界中可9 0 价( 砖) 、- 3 价( a s h 3 ) 、+ 3 价( a s 2 0 3 ) 和+ 5 价( n a z a s 0 4 ) 存在( 谢正苗等，1 9 9 8 ) 。砷的物理性质类似金属，具有光泽， 且善于传热导电，故称类金属，只是比较脆，易被捣成粉末，其化学性质类似磷。 自然界中含砷矿物有2 0 0 多种( 新矿物及矿物命名委员会，1 9 8 4 ) 。砷是亲硫元素，故 矿物中的砷主要以硫化物的形态存在。砷的最常见含砷矿物是以硫砷矿( 雌黄厶2 s 3 、雄 黄a s 4 s 4 、砷硫铁矿f e a s s ) 存在或者伴生于铜、铅、锌等硫化物( 蒋成爱，2 0 0 4 ) 。 由于母质等5 大成土因素的综合作用，土壤中平均含砷量变幅很大，0 1 9 5m g k g ( 谢 正苗，1 9 9 8 ) 。世界自然土壤的平均含砷量为9 3 6m g k g ( l h 臬登，1 9 8 3 ；v m o g r a d o w , 1 9 5 9 ) 。 我国一些地区自然土壤的平均含砷量为1 0 3 8m g k g ( 刘全友，1 9 8 4 ；杨学义，1 9 8 1 ) 。 土壤中的砷本底主要来源于成土母质，其浓度大小和分布有成土过程的环境因素所 决定；虽然相对于成土母质有了明显的富集，但一般不会超过1 5m g k g ( 翁焕新等，2 0 0 0 ； n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i lo fc a n a d a , 1 9 7 8 ) 。土壤环境中砷的来源是多种多样，包括自然 来源和人为来源。造成土壤污染的高浓度砷主要来源于各种各样的人为来源。制造行业 砷原料的使用，如玻璃、涂料、化妆品、烟花爆竹等的制造( l e o n a r d , 1 9 9 1 ) ；采矿过程中 砷矿作为铅、锌、铜和金矿伴生成分的砷会造成大气、土壤、沉积物、河流和地下水的 污染( s m i t hc ta 1 ，1 9 9 8 ；吴攀，2 0 0 1 ) ；煤炭中含砷2 - 8 2m g k g ，但褐煤中可高达1 5 0 0 m g k g ，在露天堆放和使用中产生砷污染( a d r i a n o ，1 9 8 0 ；b e r e t k aa n dn e l s o n , 1 9 9 4 ；张军营 等，2 0 0 2 ) ：制革厂用亚砷酸钠来作为动物皮毛处理的杀虫剂，使用后的废弃液排放到土 地上，可使表层土和亚表层土分别高达1 0 1 0 和4 3 5m g k g 的污染( s a d l e re ta 1 ，1 9 9 4 ) ；由 于砷化物具有用作木材保护的优良性能，特别是砷铬酸铜型( c c a ) ，全球的使用量每年 以1 2 的比率增长，我国每年大约生产2 4 0 0 0 万m 3 的木材，需要c c a1 3 万t 年 ( l o e b e n s t e i n , 1 9 9 3 ；彭长宏和唐谟堂，2 0 0 1 ) ；砷化物被广泛用于农业中做杀虫剂、消毒液、 杀菌剂和除草剂，另外一些化肥特别是磷肥中也含有一定量的砷。 1 1 2 砷对植物的影响 一般认为砷不是植物必需的元素，但植物在生长发育过程中能从外界环境吸收砷。 4 桂林工学院硕士学位论文 地上或浅水植物吸收的砷含量通常很低( b a r o n ie ta 1 ，2 0 0 4 ) ，天然植被( 如核桃、栎树) 总 砷浓度背景为2 5 0m g k g d w ，范围为2 5 0 - 1 5 0 0m g k g ( m a e n a i ra n dc u m b e s ，1 9 8 7 ) 。有研 究表明，低剂量的砷可刺激植物生长筒嘉琳，1 9 9 6 ；c a r b o n e l le ta 1 ，1 9 9 5 ；c a r b o n e l le ta 1 ， 1 9 9 8 a ) ，其原因可能是砷的还原作用提高了植物细胞中氧化酶的活性，提高了土壤中磷 的活性：砷可杀死或抑制危害植物的病菌而减少植物的危害，有利于植物正常生长( 廖自 基，1 9 9 2 ；陈同斌和刘更另，1 9 9 3 ) 。介质中较高含量砷会对植物产生毒害效应，降低伤流 和蒸腾速率、抑制根系活性，阻碍对水分、氮、磷、钾、镁、钙等养分的吸收和运输。 其症状一般表现为：植株矮小，叶片萎焉，叶尖及叶边缘褪绿，坏死；根胞质皱缩，根 短而粗，根系生长受阻；植物生长受到明显抑制，生物量急剧降低，甚至导致植株死亡 ( c a r b o n e l le ta 1 ，1 9 9 8 b ；张国祥等，1 9 9 6 ) 。不同种类植物对土壤中砷污染的抗性不同：旱 生植物大于水生植物、禾谷类植物大于豆类、黄瓜等蔬菜( 张国祥等，1 9 9 6 ) 。 b a k e r ( 1 9 8 1 ) 提出，在土壤中重金属含量低的情况下，普通植物对土壤中金属的吸收 存在一种限制机制，植株的地上部重金属含量保持恒定的低浓度。砷并非植物必需的元 素，因此土壤中砷含量较低情况下，植物中砷含量一般为0 0 1 - 5 0m g k g ( k a b a t a p e n d i a s ， 2 0 0 1 ) 。由于人类活动引起土壤重金属污染，导致生长在这些土壤上的植物重金属含量也 受到明显影响，出现了与普通植物不一样的重金属富集型植物，并以这些元素作为自身 生长的营养需求，即所谓的超富集植物。比如1 9 9 9 年陈同斌等人发现砷超富集植物蜈蚣 草( p t e r i sv i t t a t al ) ，这也是我国首先发现的第一种重金属超富集植物( 陈同斌等，2 0 0 2 ) 。 1 1 3 砷的健康危害 砷是一种类金属元素，在自然环境中普遍存在。砷是人和动物的必需元素，同时砷 及其化合物也是致癌、致畸变的物质，当人体摄入超过一定剂量的砷就会引起急性或慢 性中毒，如长期饮用含砷量0 8m g l 的水或每日进食中含砷近3m g 达2 3 周可引起中毒 ( 张华等，1 9 9 8 ) 。砷已被国内外列为优先控制污染物，在我国污灌引起的土壤污染中，砷 居第5 位( 谢正苗等，1 9 9 7 ) 。在自然和人为污染下，土壤中砷的含量会出现异常，造成栽 培的作物减产，影响品质，并可通过食物链进入人体，从而引起人类砷的急、慢性中毒。 砷的异常地球化学行为和人类的生产活动所释放到环境中的砷已严重威胁到人类，因此 对砷污染导致的人体健康危害应当引起重视。 砷的毒性在很大程度上依赖于其化学形态。一般无机砷比有机砷毒性高，而3 价砷又 比5 价砷高得多( s a d i q ，1 9 9 7 ) 。砷的急性中毒症状是口腔、鼻腔灼热干燥，吞咽困难，腹 痛，突发性呕吐，血尿休克麻痹等。急性和慢性砷中毒均可引起皮肤损害，主要表现为 皮炎。慢性砷中毒患者皮肤异常粗糙和干燥，头发脆而容易脱落，掌跖部皮肤增厚，角 5 桂林工学院硕士学位论文 化过度，许多部位出现皮疹，少数可见皮肤溃疡。躯干部位皮肤色素沉着，亦可见到细 小的脱色斑点，俗称“蛤蟆皮”或“花肚皮”。在神经系统方面则表现出多发性神经炎，如 肢体感觉迟钝、麻木、刺痛、压痛，严重者表现肌无力、行动困难、运动失调、四肢远 端麻木乃至失去知觉( 王振刚和杨云，1 9 9 9 ) 。 除引起砷中毒外，无机砷化物已经被公认为致癌物，可引起肺癌、肝癌、膀胱癌及 皮肤癌等。目前慢性砷中毒可致皮肤原位癌已或公认，但砷致癌的潜伏期较长，且与砷 接触的量及长期性密切相关。一般认为，砷致皮肤癌平均2 9 2 ( 1 3 - 5 4 ) 年：内脏癌平均 2 9 7 ( 1 7 一- , 5 4 ) 年。我国某砷矿工肺癌潜伏期平均2 7 一- 3 0 年( 王杰和徐新云，2 0 0 0 ) 。c h e n 和 w a n g ( 1 9 9 0 ) 研究了台湾1 7 0 + 城镇井水中的砷含量与肿瘤间的剂量反应关系，发现井水中 砷浓度每增j n o 1p p m ，人群中男、女性的肝癌、肺癌、皮肤癌、膀肤癌的发病率分别增 加十万分之0 8 和2 0 、5 3 和5 3 、0 9 和1 0 、3 9 和4 2 。捷克燃用高砷煤的某电厂下行风向 3 0k m 以内的蜜蜂大量死亡，附近儿童听力严重下降( v l a d i m i ra n dk a r e l ，1 9 7 7 ) 。 1 1 4 砷的环境危害 由不同来源砷进入环境并在局部地区聚集，引起环境中砷含量的升高，对当地居民 的身体健康和生活带来严重的危害。砷污染及其危害已逐渐成为一个世界性突出的环境 问题。目前世界上受砷危害的国家主要有孟加拉国、印度、智利、泰国、美国和中国( 周 宝利，2 0 0 6 ) 。据r a h r n a n 等( 1 9 9 9 ) 报道，孟加拉国全国“个区中的4 1 个发现砷中毒，病区 人口达至u 3 0 0 0 7 0 0 0 万。随后，k r a i m ( 2 0 0 0 ) 报道，其危害区已扩大n 5 2 个区8 0 的人e l 。 在印度孟加拉邦1 6 个区中有7 个区发现砷中毒，面积达到3 7 4 9 3k m 2 ，病区人e 1 3 4 0 0 万， 其 8 0 万人口处在高砷饮用水的暴露之f i b ( d a sc ta 1 ，1 9 9 5 ) 。日本政府已将砷中毒与铅中 毒、水俣病、骨痛病等严重污染病相并列，宣布为第四公害病。 我国自1 9 5 6 - 1 9 8 4 年共发生3 0 余起砷污染事件( 廖自基，1 9 9 2 ) ，近年来我国又陆续出 现多起砷污染和砷中毒事件。2 0 0 0 年湖南省郴州某砷制品厂的废渣处理和环保措施差导 致附近村民砷中毒，共有2 4 9 人住院治疗；同时砷污染导致该区域约5 0h m 2 稻田及菜地弃 耕而荒芜，在该区砷污染土壤上种植的蔬菜如大白菜、萝卜、菠菜等都严重超标( 廖晓勇 等，2 0 0 3 ) 。湖南省常宁县因采矿和冶炼而导致大面积稻田受砷污染，其砷含量为9 2 - 8 4 0 m g l ( g ( 陈同斌，1 9 9 5 ) 。广西南丹超大型锡多金属矿田下游的刁江流域沿岸农田土壤砷超 标3 6 2 7 6 倍( 宋书巧等，2 0 0 5 ) 。廖晓勇等( 2 0 0 4 ) 和l i a o 等( 2 0 0 5 ) 经过野外调查发现，我国 湖南、广西两省至少有数千平方公里的农田受到砷污染，对当地居民的身体健康造成极 大威胁。而这些砷污染的土壤会直接或间接的影响人体健康，成为一个重要的砷暴露途 径。一些研究者通过野外调查发现，受砷污染的地区其农作物中砷含量远远超过国家标 6 桂林工学院硕士学位论文 准( g b 4 8 1 0 - 1 9 9 4 ) 粮食中砷的限量标准( 0 7m g k g ) ，表现出明显的砷污染效应，对人体健 康构成严重威胁( 蔡保松等，2 0 0 4 ；谢华等，2 0 0 5 ) 。 砷污染是现在社会严重的环境问题，目前在世界范围内已发现的砷污染点非常多( 宋 书巧，2 0 0 4 ；h i n g s t o nc ta 1 ，2 0 0 1 ) 。土壤系统砷污染过程具有隐蔽性、长期性、积累性、 不可逆性和地域差异性的特点，使得土壤砷污染治理技术成为国内外研究的难点和热点 问题( u s e p a , 2 0 0 2 ) 。根据u s e p a2 0 0 2 年公布的资料，目前砷污染土壤的修复方法主要 包括：固化稳定化、玻璃化、土壤淋洗酸提取、冶炼回收、原位淋洗、电动力学处理 和植物修复。由于砷污染往往存在范围大，面积较广等特点( 廖晓勇等，2 0 0 3 ) ，应用传统 的土壤修复技术治理这类型土壤成本高或技术难度大( 廖晓勇，2 0 0 4 ) 。植物修复技术与其 它土壤修复技术相比，具有成本低、效果好、环境友好等优点( 刘杰等，2 0 0 4 ) 。植物修 复技术现已成功应用于受铅、锌、镉和镍等重金属污染的土壤( b a k e re ta 1 ，1 9 9 4 ；s a l te ta 1 ， 1 9 9 5 ；b r o w ne ta 1 ，1 9 9 5 ；b l a y l o c ke ta 1 ，1 9 9 7 ；m i c h a e l2 0 0 0 ) 。 1 2 植物修复技术 1 2 1 植物修复 自从美国科学家c h a n e y 在1 9 8 3 年首先提出利用植物来清除土壤重金属污染的设想 以来( c h a n e y , 1 9 8 3 ) ，一些工业发达国家开展了植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 技术的研究和 应用工作，并取得了令人兴奋的成果( e p 2 0 0 0 ) 。重金属污染土壤的植物修复技术因其 经济成本较低，操作简单等特点而备受青睐。 植物修复技术( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是近年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属 污染的绿色生态技术( 韦朝阳和陈同斌，2 0 0 1 ) 。植物修复可归纳为植物提取 ( p h y t o e x t r a c t i o n ) 、根际过滤( r h i z o f i l t r a t i o n ) 、植物固定( p h y t o s t a b f l i z a t i o n ) 、根际降解 ( r h i z o d e g r a d a t i o n ) 和植物挥发( p h y t o v o l a t f l i z a t i o n ) 等方式，不论是何种修复方式，其关键 因子都在于植物本身( c h a r l e ye ta 1 ，1 9 9 7 ) 。用植物修复污染土壤不仅效率高、成本低，而 且和生态环境相协调( 刘杰等，2 0 0 4 ) 。近年来国内外学者越来越关注这一技术。 现在通常提到的植物修复主要是指植物萃取( 韦朝阳和陈同斌，2 0 0 2 ) 。植物萃取是指 种植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并经过木质部运移至植 物地上部，通过收割地上部带走土壤中污染物的一种方法( 韦朝阳和陈同斌，2 0 0 2 ) 。该方 法目前受到广泛关注，关键步骤是寻找和筛选出能够富集一种或多种重金属的超富集植 物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 。植物萃取模式见图1 1 。 7 桂林工学院硕士学位论文 图1 - 1 重金属植物萃取模式图( a i k o n a ，2 0 0 4 ) 超富集植物这一概念首先f # 1 b r o o k s ( 1 9 7 7 ) 提出来的，b a k e r 和b r o o k s 于1 9 8 3 年又将 其定义为能够在其地上部干物质中富集锌、锰 1 0 0 0 0m g 瓜g ，铜、钴、镍、铬、铅 1 0 0 0 m g k g ，镉 1 0 0m g k g 的植物( b a k e re ta 1 ，1 9 8 3 ) 。重金属超富集植物一般都具有以下特点： 对重金属具有极强的富集能力，生物富集系数( 植物体内重金属含量土壤中重金属含 量) 1 ；具有很强的将重金属从根部转运到地上部的能力，即转运系数( 地上部重金属含 量根部重金属含量) 1 ；还具有极强的耐受重金属毒害的能力；超富集植物对重金属的 富集大都具有专一性( 阎秀兰，2 0 0 6 ) 。 到目前为止世界上共发现有近5 0 0 种包括铜、铅、锌、铬、镉、镍、锰、钴、砷、汞 的超富集植物，其中大多数都是镍的超富集植物。我国土地广袤，植物资源非常丰富， 但是近年来我国报道发现的超富集植物资源较少。陈同斌课题组在湖南石门发现蜈蚣草 ( p t e r i sv i t t a t al 卜我国第一种砷超富集植物，及另一种砷超富集植物一大叶井口边 草( p t e r i sc r e t i c al ) ( 陈同斌等，2 0 0 2 ；韦朝阳等，2 0 0 2 ) ；杨肖娥等( 2 0 0 2 ) 在浙江衢州市发现 锌超富集植物一东南景天 疵册a l f f e d i i h ) ：薛生国等( 2 0 0 4 ) 毛e 湖南省湘潭锰矿发现锰 超富集植物一陆( p h y t o l a c c a a c i n o s ar o x b ) ；刘威等( 2 0 0 3 ) 在湖南桂阳县宝山矿区发 现镉超富集植物一宝山堇菜( h o l a b a o s h a n e n s i s ) ；魏树和等( 2 0 0 5 ) 从杂草中筛选出镉超 富集植物龙葵( s o a n u mn i g r u ml ) ；张学洪等) 和z l l 卸g 等( 2 0 0 7 ) 首次报道了中国 8 桂林工学院硕士学位论文 境内的铬超富集植物一李氏禾( l e e r s i a h e x a n d r as w a r t z ) 。 1 2 2 砷超富集植物 陈同斌等通过对砷矿区及污染区的调查采样分析，于1 9 9 9 年在中国境内找到砷的超 富集植物一风尾蕨属的蜈蚣草( p t e r i s v i t t a t al ) ，并于2 0 0 0 年1 0 月在“土壤修复国际会 议”( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e so f s o i lr e m e d i a t i o n ) 上首次宣布这一发现，这也是我国发现的 第一种砷超富集植物( c h e na n dw e i ，2 0 0 0 ；陈同斌等，2 0 0 2 a ) 。2 0 0 1 年，m a 等人在美国也 报道发现了砷超富集植物蜈蚣草( m a e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。目前发现的5 种砷超富集植物生长 的介质及其对砷的富集能力见表1 1 。 袁1 1 砷超富集植物及其各组织砷浓度 只c a l o m e l a n o s 1 3 5 - - 5 1 0 2 7 6 0 8 0 0 08 8 - - 3 7 0i & v i ae ta 1 ，2 0 0 2 粉叶蕨 只u m b r o s a 糙苏 pl o n g i f l i a 腺毛萎陵菜 pc r e t i c a l 大叶井口边草 p v t i a r a l 蜈蚣草 5 0 - 1 5 08 0 0 6 1 0 01 5 0 - - 2 0 0 0z h a oe ta 1 ，2 0 0 2 5 0 1 5 0 7 5 0 - 7 6 0 01 5 0 1 5 0 0z h a oe ta t ，2 0 0 2 3 9 2 9 9 5 0 1 5 0 4 1 - - 1 1 3 0 0 1 3 1 5 0 1 5 0 5 0 z 1 4 6 9 4 0 6 6 1 5 0 0 2 5 8 6 9 4 1 0 0 0 6 0 0 0 6 6 1 0 9 1 4 2 0 0 8 5 0 7 0 0 0 1 2 0 1 5 4 0 7 2 6 7 5 5 - - 2 2 6 3 0 1 2 6 - - - 5 5 2 韦朝阳等，2 0 0 2 1 5 0 5 0 0z h a oe ta 1 ，2 0 0 2 黄泽春，2 0 0 3 1 3 0 a b i o y ee ta l ，2 0 0 4 z h a oc t a l 2 0 0 2- u m j 4 i w 1 5 0 1 0 0 0 陈同斌等，2 0 0 2 a 7 2 0 6 7 黄泽春，2 0 0 3 m ae ta 1 2 0 0 1 1 3 砷污染土壤的植物修复 1 3 1 蜈蚣草对砷的富集特征 陈同斌等( 2 0 0 盈) 研究发现，在自然条件下蜈蚣草能在含砷5 0 4 0 3 0n 彬k g 的土壤中 生长，在含砷量高达2 3 4 0 0m g k g l 勺含砷矿渣中也能正常生长，显示其对砷毒具有极强的 耐性；在含砷9m 眺g 的正常土壤中以及含砷4 0 0m 眺g 处理的土壤中，蜈蚣草地上部的 含砷量分别为6 9 9 和4 3 8 4m g k g ，相应的富集系数分别为7 1 和1 0 7 ；蜈蚣草中砷的分布规 9 桂林工学院硕士学位论文 律明显不同于普通植物，组织中砷含量表现为羽叶 叶柄 根系。这说明无论在自然土壤 还是施砷处理的土壤中，蜈蚣草均能快速、高效地富集大量的砷，并迅速转移到地上羽 叶中。还有研究发现，蜈蚣草内砷含量随植株生长( t ue ta 1 ，2 0 0 2 ) 以及其生长介质中砷浓 度的增加( m ae ta 1 ，2 0 0 1 ；s r i v a s t a v ae ta 1 ，2 0 0 5 ) 而增加。 蜈蚣草不仅可以富集可溶态砷酸盐、亚砷酸盐，对于相对不溶于水的f e a s 0 4 、 a 1 a s 0 4 、c a 3 ( a s 0 4 ) 2 等化合物，也能将其富集于其羽片中，还可以吸收土壤中的m m a 、 d m a 、c a m m a 、n a m 峭形态的砷m a n dm a , 2 0 0 2 ) 。 蜈蚣草具有非常强的耐砷和富集砷能力，吸收的砷可很快转移到地上部，羽片砷含 量( 高达5 0 7 0m g k g ) 是普通植物的数万倍( 陈同斌等，2 0 0 2 a ) 。它在我国秦岭以南的各省， 如湖南、湖北、广西、四川等地均有生长，同时在美国及泰国也有分布。蜈蚣草具有良 好的遗传特性，对采自砷污染和未污染土壤的蜈蚣草进行室内添加砷的试验发现，他们 对砷的富集没有明显的区别( 陈同斌等，2 0 0 2 a ) ，其孢子育苗移栽的蜈蚣草同样具有高富 集砷能力( i ae ta 1 ，2 0 0 1 ) 。由于其生长速度快、生物量大、地理分布广、适应性强等特 点，应用砷超富集植物蜈蚣草修复砷污染土壤是现有的修复方法中的一种成本低廉，快 速的绿色修复技术，具有良好的应用前景。 1 3 2 蜈蚣草对砷污染土壤的修复 2 0 0 1 年，陈同斌等人在湖南郴州建立了我国第一个砷污染土壤的植物修复基地，并 进行了大面积( 1h m z ) 的现场修复试验。该植物修复基地土壤中砷分布的空间变异性很 大，砷浓度范围7 7 2 5 5 1m g k g ，分为高、中、低三个污染区。2 0 0 2 盆c - - - 4 月翻耕后，开 始移栽蜈蚣草，年终收获蜈蚣草地上部，每年刈割两次。至2 0 0 7 年，植物修复基地已经 连续种植蜈蚣草5 年。廖晓勇等( 2 0 0 4 ) 通过田间试验研究表明，将蜈蚣草用于砷污染土壤 的植物修复，其年修复效率最高可达8 。廖晓勇) 和廖晓勇等( 2 0 0 4 ) 研究还发现施 加氮肥、磷肥可以提高蜈蚣草的产量和砷积累量，是提高植物修复效率的有效手段。通 过灌溉、添加剂和收获等辅助措施也能更好地发挥超富集植物对重金属的吸收能力。 1 3 3 植物修复技术的辅助措施 超富集植物是植物修复技术的核心，对植物修复效率起着关键性的作用。但大部分 超富集植物存在着生长速度慢、生物量小等缺陷，因此，通过辅助措施提高超富集植物 的修复效率是植物修复技术应用的重要发展方向( 廖晓勇等，2 0 0 7 ) 。在大面积的田间现场 修复过程中，可以采用合理施肥、水分管理和栽培措施等有效手段来提高修复效率。 1 0 桂林工学院硕士学位论文 1 2 3 1 合理施肥 施肥是一种提高作物产量与品质的传统农艺措施，也成为植物修复过程中十分必要 的手段。合理施肥可使植物修复效率提高数倍( a n d e r s o ne ta 1 ，1 9 9 9 ；t a s s ie ta 1 ，2 0 0 4 ；w u e ta 1 ，2 0 0 4 ) 。廖晓勇等( 2 0 0 4 ) 研究发现，施用2 0 0k g h m 2 磷肥条件下的蜈蚣草积累砷量是 不施磷肥处理的2 4 倍和施用6 0 0k g h m 2 磷肥的1 2 倍。但施肥不当也可能引起某些元素与 重金属离子产生共沉淀或者竞争吸附，从而减少植物对重金属离子的吸收，如s u h a d o l c 等( 2 0 0 4 ) 在铅、锌、镉污染的土壤上施加磷肥导致这三种重金属的生物有效性分别下降 了2 0 、1 5 和1 0 。施肥不当还可能导致营养失衡而使植物出现中毒症状( h o v s e p y a n 或 a 1 ，2 0 0 4 ) 以r 产生次生环境效应，如土壤酸化或碱化等危害( s w o r d e ta 1 ，1 9 9 8 ；d a c he ta 1 ， 2 0 0 5 ) 。 1 2 3 2 水分管理 除能忍耐高浓度的重金属以外，某些超富集植物还可以在微域环境较为干旱的地方 生长，蜈蚣草的自然分