一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法

2023-05-07 13:32:21 3

專利名稱：：一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法
技術領域：
：本發明涉及鎘汙染土壤環境的作物安全生產技術，具體地說是一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，它是利用低積累重金屬鎘大白菜的排異機理，在中低程度鎘汙染土壤中仍能達成安全生產的方法。
背景技術：
：早在上世紀60年代末，隨著日本骨痛病的發現，土壤鎘等重金屬的汙染在就已引起各國的關注。近年來，隨著我國工農業生產的迅速發展，我國土壤環境中的鎘汙染日益嚴重。眾多人類活動，諸如大規模開釆冶煉、電鍍、汙水灌溉和施用汙泥以及含鎘農藥和化肥的使用等，使得大量的鎘釋放累積到環境中，造成廣泛和嚴重的土壤鎘汙染[文獻1:周啟星，黃國宏.環境生物地球化學及全球環境變化[M].北京科學出版社，2000.]。據報導，江西大餘礦區、瀋陽巿張士灌區、上海的沙川灌區等都是典型的重金屬Cd汙染區，嚴重汙染面積(生產出糧食的Cd含量超過食品衛生標準數倍甚至數十倍)佔10%以上[文獻2:徐愛春,陳益泰.鎘汙染土壤根際環境的調節與植物修復研究進展.中國土壤與肥料,2007,(2),1-6.]。汙染土壤中過量的鎘不僅直接威脅人類的生存環境和食品安全,還可以通過直接接觸或者通過食物鏈在人體中富集，產生慢性中毒，影響體內鈣和磷的代謝，引起腎、骨、肝的病理變化，誘發骨骼、消化系統、泌尿系統的多種疾病，並可導致惡性腫瘤。因此，土壤環境中的鎘汙染亟待修復治理。目前可用於修復治理土壤重金屬汙染的技術很多，主要包括各種物理、化學、物理化學治理技術和生物修復技術。其中，物理、化學治理技術主要是指一類基於機械物理和化學原理的工程技術，常見的有客土法、固化法、冰凍法、化學淋洗法、螯合法和離子交換法等。這些物理、化學治理技術各有其優點，儘管在治理小範圍汙染土壤以及處理嚴重突發汙染事故中作用較大，治理周期短等，但是一般存在著價格昂貴、工程量較大以及易造成二次汙染等問題，一般很難在面積大、程度輕的汙染土壤修復治理中實際推廣應用。3與這些傳統的治理技術相比，植物修復作為一種新興的原位綠色修復技術,具有費用低廉、不破壞環境、易於為人們所接受等優點，逐漸成為環境科學領域的研究與應用熱點[文獻3:周啟星，宋玉芳.汙染土壤修復原理與方法[M]北京科學出版社，2004.]，但是植物修復也存在以下缺點超積累植物生物量較小且具有明顯的地域分布，修復周期過長，通常需要上百年，目前尚難以實際推廣(文獻4:劉維濤，張銀龍，陳喆敏等.礦區綠化樹木對鎘和鋅的吸收與分布[J].應用生態學報，2008，19(4):752756)。鑑於我國實際國情，將大面積中輕度汙染農田停止農作，進行長時間的植物修復或採用價格昂貴的工程修復顯然是不現實的。因此，禾擁排異和低積累土壤鎘等有害元素的農作物基因型，從而保證農產品的安全生產是當前最為有效和合理的途徑之一。當前，重金屬低積累作物篩選和培育的研究已經成為當前國內夕卜研究的一個熱點，眾多研究結果表明水稻((90^raftV"L)、小麥(7hfeMwae勸Vwm丄.)、大麥(7forafeM附術/g"re丄.)、玉米(Z^a附a，丄.)禾口花生(/4rac/7is1/^pogaea丄.)等作物不同基因型積累與分布重金屬存在顯著差異,並篩選出了相應的重金屬低積累基因型(文南犬5:AraoT,AeN.Genotypicvariationsincadmiumlevelsofricegrain[J].SoilScienceandPlantNutrition,2003,49(4):473479;文獻6:ZhangGP,FukamiM,SekimotoH.Genotypicdifferencesineffectsofcadmiumongrowthandnutrientcompositionsinwheat[J].JournalofPlantNutrition,2000，23:13371350;文南大7:TiryakiogluM,EkerS,OzkutluF,etal.Antioxidantdefensesystemandcadmiumuptakeinbarleygenotypesdifferingincadmiumtolerance[J].JournalofTraceElementsinExperimentalMedicine,2006,20(3):181189;文獻8:KurzH，Schulz民RomheldV.Selectionofcultivarstoreducetheconcentrationofcadmiumandthalliuminfoodandfodderplants[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience,1999,162(3):323328;文獻9:McLaughlinMJ，BellMJ，WrightGC,etal.Uptakeandpartitioningofcadmiumbycultivarsofpeanut(ArachishypogaeaL)[J],PlantandSoil,2000,222(1-2):5158.)。儘管我國對於菜地土壤和蔬菜重金屬汙染已進行了較為廣泛的研究，但多側重於調查取樣分析或對不同蔬菜重金屬吸收富集及其機制的初步研究，而對於同一蔬菜不同基因型的重金屬吸收富集差異的研究還較少，對於重金屬低積累大白菜基因型的研究尚未見報導(文獻10:趙小虎，王富華，張衝等.南方菜地重金屬汙染狀況及蔬菜安全生產調控措施[J].農業環境與發展，2007，24(3):9194)。而有研究報導，進入人體的鎘70。/。來自於受鎘汙染的蔬菜(文獻ll:RyanJ.A.,PahrenH.R.，LucasJ.B.Controllingcadmiuminthehumanchain:AReviewandrationalebasedonhealtheffects.EnvironmentalResearch.1982,28，251302.)。因此，篩選並利用重金屬低積累大白菜在中輕程度的鎘汙染土壤的安全生產具有理論和現實意義，也引起了相關部門的關注。大白菜(6ra肌'a7Pd/"era&丄.)屬於十字花科芸苔屬植物，是典型的低溫長曰照二年生植物，為東北地區乃至全國普遍栽培的一種大眾化蔬菜，也是十分重要的經濟作物。據統計，大白菜是我國栽培面積最大的蔬菜作物，年種植面積267萬公傾左右，佔全國蔬菜作物總種植面積的15%,年總產量超過1億噸，佔全國蔬菜總產量的18.8%(文獻12:農業部.2005年全國各地蔬菜播種面積和產量[J].中國蔬菜，2007,(1):404U因此，利用低積累鎘大白菜在汙染土壤中安全生產具有緊迫性和必要性。大白菜原產於我國，已經有1500多年的栽培歷史，種質資源極其豐富，利用大白菜排異機制在鎘汙染農田土壤安全生產和實踐具有以下優點(1)大白菜在我國栽培歷史悠久並且種質資源豐富，為篩選工作奠定了堅實的基礎；(2)能夠在鎘汙染土壤安全生產的同時修復鎘汙染，從而達到邊生產邊治理之目的，一舉兩得；(3)大白菜味道鮮美，營養豐富，有"百菜之王"之美譽，深受百姓喜愛；(4)我國中醫認為，大白菜微寒味甘，有養胃生津、除煩解渴、利尿通便、化痰止咳、清熱解毒之功效(5)大白菜是我國重要的經濟作物，已經出口日本、韓國、東南亞、歐盟和北美諸國，促進了我國經濟發展和出口創匯；(5)我國人民在長期的農業生產中，積累了豐富的大白菜栽培管理經驗，使得低積累鎘大白菜在鎘汙染土壤中的安全生產有了充分的農業技術保障。因此，從大白菜中篩低積累鎘的大白菜基因型並用於汙染土壤的安全生產是完全可行的。
發明內容本發明的目的是提供一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，禾擁低積累鎘的大白菜基因型在鎘汙染土壤中安全生產。為實現上述目的，本發明的技術方案為一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，在鎘汙染土壤中種植鎘低積累型大白菜，從而實現邊安全生產、邊去除土壤中過量鎘，達到修復土壤鎘汙染的目的。5所述在鎘汙染土壤中種植鎘低積累型大白菜為豐源新3號，豐源新3號為重金屬鎘低積累植物，屬於低積累鎘的大白菜基因型，該大白菜為首次發現的重金屬鎘排異型蔬菜。本發明中，所述豐源新3號大白菜籽的生產廠家為瀋陽豐源種子有限公司，由北京農林科學院研製。本發明中，豐源新3號大白菜籽的培育方法如下在鎘汙染土壤中種植該大白菜，當大白菜生長60-85天時，將大白菜分地上部和根部收穫。所述在鎘汙染土壤中種植該大白菜，是指將大白菜籽直接穴播於鎘汙染土壤中，每穴3-6粒白菜籽，穴間距10-60cm,壟間距10-60cm。根據鎘汙染土壤肥力狀況，施用促進該大白菜生長的氮、磷和鉀肥等。在鎘汙染土壤中種植的該大白菜釆用室外盆栽栽培和野外大田栽培，定期燒水，使土壤含水量保持在田間持水量的40_90%。本發明中，豐源新3號大白菜為低積累鎘的大白菜基因型，其植物基因特徵和化學特徵如下生育期60-85天，長勢較旺，整齊一致，外葉深綠，頁面銷鈹，葉柄綠色，株高55cm,比大連91-12、北京新3號高5cm，開展度75cm,橫徑寬lcm，結球緊密，後期包心速度快，單株淨重5kg。抗病毒症，黴腐病，品質優良，耐儲運。在鎘汙染土壤中種植該大白菜，該大白菜可食部位(地上部)排斥吸收汙染土壤中鎘，同時根部固定、吸附鎘，從而阻止其向地上部轉移；當大白菜生長60-85天成熟時，將大白菜地上部(菜葉和菜柄)從汙染土壤上收穫，將根部移除後妥善處理，待下個生長期(栽培季節)再種植第二茬，重複上述操作。從而，既可以安全生產大白菜，又可以逐漸降低土壤中過量的鎘，達到大白菜邊安全生產、邊修復鎘汙染土壤之目的。本發明所釆用的大白菜(8ra柳'cfl戶^"m^丄.)屬於十字花科芸苔屬植物，是典型的低溫長日照二年生植物，具有很高的營養價值和經濟價值。它既可以直接播種於汙染土壤，也可以移苗栽培且生長迅速，栽培管理相對於其它農作物更為簡便易操作，是一種適應性很強的蔬菜經濟作物，並且已經在全世^地廣泛種植。實驗表明，豐源新3號是一種鎘低積累大白菜基因型，對土壤中的鎘具有很強的耐性、且地上部含量低於國家安全蔬菜的生產標準。收穫的豐源新3號可以作為綠色蔬菜供人們食用，也可以在國內巿場上出售或者出口國外，從而體現出其較高的食用價值和經濟價值；另外，對收穫的白菜根可以集中處理，或者安全填埋，或者進行資源化加工處理，回收其中的鎘，可以避免二次汙染，.同時產生一定的經濟效益。本發明的優點及有益效果如下1、本發明方法與傳統的汙染土壤治理方法相比，具有投資少、工作量小、技術要求不高等優點。2、本發明方法作為一種汙染土壤的安全生產技術，所收穫大白菜地上部鎘含量低於國家相關標準，食用該白菜不會對人體產生危害，可以通過出售該白菜獲得較高的經濟效益；對大白菜豐源新3號根進行集中處理，不會造成二次汙染，同時固定修復進程不僅不會破壞土壤生態環境，還有助於改善因重金屬汙染而引起的土壤退化和生產力下降，恢復並提高其生物多樣性。因此，作為一種我國栽培最廣的蔬菜作物，在鎘汙染土壤種植大白菜具有良好的經濟、環境和生態效益。圖1為在不同濃度的Cd處理下豐源新3號的地上部和根部生物量檢測圖。具體實施例方式實施例1:盆栽梯度下鎘低積累大白菜的確認與模擬應用盆栽實驗地點設在中國科學院瀋陽生態站內，該站地處下遼河平原的中心地帶，距瀋陽巿區約35km，屬暖溫帶半溼潤大陸性氣候。實驗場地周圍沒有汙染源，是重金屬未汙染區。盆栽試驗土壤採自中國科學院瀋陽生態站內無汙染區的表層土壤(0-20cm),土壤類型為草甸棕壤，土壤中重金屬Cd含量為0.17mg/kg。本實驗共設5個處理，每個處理重複3次，投加的Cd濃度(mg/kg)分別為O(對照，未投加)、1、1.5、2.5、和5。實驗投加的Cd為分析純的CdCl2'2.5H20,並施入一定濃度的氮、磷、鉀肥作為底肥0.25g/kgN(CO(NH2)2)、0.065g/kgP和0.124g/kgK(K2HP04)。將供試土壤風乾過4mm篩後，以固體形式拌入鎘和底肥，充分混勻後裝入塑料盆(0=20咖，"=15cm)中，每盆裝土2.5kg，平衡1個月待用。將大白菜籽直接播種於盆內，每盆播種3-6粒，待發芽一周後間苗，根據白菜幼苗長勢每盆留兩株。每日根據盆中土壤水分狀況，澆入適量自來水，使土壤含水量經常保持在田間持水量的40-90wt。/。左右。植物生長60-85天後收穫植株。將收穫樣品分為根和地上部兩部分，分別用7自來水充分衝洗以去除粘附於植物樣品上的泥土和汙物，然後再用去離子水衝洗，瀝去水分，在105"C殺青1小時；然後在65。C下烘乾至衡重，稱量乾重後粉碎備用。植物樣品釆用HN(VHC104法消化(二者體積比為87:13),用原子吸收分光光度計測定其中的Cd含量。實驗結果如下圖1給出了在上述不同濃度的Cd處理下豐源新3號的地上部和根部生物量。方差分析表明，與對照(Cd0)相比，在Cd投加濃度為1、1.5、2.5和5mg/kg的處理中，豐源新3號地上部和根部生物量均未顯著下降，表現出很強的耐性，Cd濃度小於2.5mg/kg的處理甚至對其生長有一定的促進作用。但當Cd汙染濃度很高的情況下，即Cd處理濃度^5mg/kg時，地上部和根部生物量有所下降，這表明，雖然豐源新3號對鎘汙染的耐性較強，但還是有一定限度的，當鎘汙染非常嚴重時，其生長將會受到抑制。參見表1可知，隨著土壤中鎘投加濃度的增加，豐源新3號地上部和根部的鎘含量逐步升高，其富集係數和轉移係數也有升高的趨勢。但在所有的鎘處理中，豐源新3號地上部鎘富集係數(地上部和土壤中鎘含量的比值)和轉移係數(地上部與根部鎘含量的比值)始終小於1,即地上部鎘含量始終低於土壤中和根部的鎘含量，具備了典型的Cd排異植物特徵。本次試驗測得白菜豐源新3號地上部平均含水量為90wt%。而農產品安全質量無公害蔬菜安全要求(GB18406.1-2001)Cd最大容許含量(MPC)為0.05mg/kg鮮重(FW),白菜地上部Cd含量超過0.50mg/kg乾重(DW)即認為Cd超標。根據這一標準，當Cd濃度〈2.5mg/kg時，豐源新3號地上部Cd含量都小於0.50m^kg，滿足國家無公害蔬菜的生產要求。當鎘處理濃度^2.5mg/kg時，豐源新3號地上部鎘含量超過了國家標準。上述實驗結果表明，在土壤中鎘投加濃度低於2.5mg/kg時，豐源新3號地上部Cd含量始終低於國家無公害蔬菜的生產要求的標準，而且地上部Cd含量始終低於根部和土壤Cd含量，同時對鎘汙染表現出較強的耐性，完全具備了Cd低富集植物的特徵，是一種鎘低富集植物。並且，其根部Cd含量都大於土壤中Cd含量，表現出較強的對Cd的吸收固定作用。豐源新3號對鎘有很強的耐性、地上部排斥吸收Cd、根部固定吸附Cd，並且阻止其上地上部轉運，這些特徵使得它在Cd汙染土壤安全生產，並逐步去除土壤中過量的Cd成為可能。表1盆栽實驗條件下豐源新3號對鎘的低積累特徵tableseeoriginaldocumentpage9實施例2:瀋撫灌區大田確認與鎘汙染土壤的安全生產實驗地點設在瀋陽巿東陵區的瀋撫灌區試驗田進行，該地的氣象條件與瀋陽生態站比較相差不大。土壤類型為黃棕壤，其理化性質為pH值8.5，有機質18.32mg/kg,全NL27mg/kg,全P1.42mg/kg,速效K145.68mg/kg,總Cd1.25mg/kg。將大白菜籽直接穴播於鎘汙染土壤中，每穴3-6粒白菜籽，穴間距10-60cm，壟間距10-60cm。根據土壤水分豐缺狀況，不定期用井水澆水(水中未檢出Cd)，使土壤含水量經常保持在田間持水量的40-90%左右；為促進豐源生長，按照300kg/公頃的用量施入尿素。待生長60-85天以後收穫豐源新3號，樣品處理同實施例1。實驗結果如下表2給出了不同鎘濃度小區豐源新3號對鎘低累積特徵和生長情況。豐源新3號地上部含量均低於0.50mg/kg，符合國家無公害安全蔬菜的標準(GB18406.1-2001),其地上部鎘含量遠低於根部，且富集係數均小於l,可作為Cd低積累大白菜在中輕度汙染的農田土壤中推廣種植，而不會對人體造成危害。按照測定的根部平均乾重折算，在Cdl.25mg/kg的汙染水平下，豐源新3號的地上部乾物質產量可達8.12kg/公頃，從土壤中帶走的Cd為15.75mg/公頃，從而通過豐源新3號的不斷生產可以在一定程度上去除了土壤中過量的Cd。由此可知，利用豐源新3號在中輕程度Cd(Cd含量為0.5-2,5mg/kg)汙染的土壤上，邊安全生產、邊修復土壤Cd汙染是現實可行的。表2大田實驗條件下豐源新3號對鎘的低累積特徵和生長狀況tableseeoriginaldocumentpage10實施例結果表明，本發明利用低積累鎘大白菜地上部排斥吸收富集汙染土壤中的鎘，根部固定吸附土壤中的鎘，從而阻止其向上轉運到地上部，當大白菜生長到60-85天時將大白菜整體收穫，地上部作為安全蔬菜食用或出售，根部給予其他妥善處理，從而即可以保障蔬菜食品安全，又可以利用非食用部位(根部)固定吸附土壤中大量的鎘；通過反覆種植該種蔬菜作物，重複上述過程，就可以連續提取汙染土壤中過量的鎘，並且大白菜可食部位的鎘含量也滿足無公害安全蔬菜的標準。該方法具有費用低，不破壞土壤的理化性質，無二次汙染，且具有在汙染土壤中邊生產、邊治理等優點。權利要求1.一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，其特徵在於在鎘汙染土壤中種植鎘低積累型大白菜。2.按照權利要求1所述的利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，其特徵在於所述在鎘汙染土壤中種植鎘低積累型大白菜為豐源新3號，該大白菜為重金屬鎘排異型蔬菜。3.按照權利要求1所述的利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，其特徵在於所述在鎘汙染土壤中種植該大白菜，是指將大白菜籽直接穴播於鎘汙染土壤中，每穴3-6粒白菜籽，穴間距10-60cm，壟間距10-60cm。4.按照權利要求1所述的利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，其特徵在於在鎘汙染土壤中種植的該大白菜釆用室外盆栽栽培和野外大田栽培，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40-90%。5.按照權利要求1所述的利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，其特徵在於在鎘汙染土壤中種植該大白菜，該大白菜地上部排斥吸收汙染土壤中鎘，同時根部固定、吸附鎘，從而阻止其向地上部轉移；當大白菜生長60-85天成熟時，將大白菜地上部從汙染土壤上收穫，將根部移除後妥善處理，待下個生長期再種植第二茬，重複上述操作。全文摘要本發明涉及鎘汙染土壤環境的作物安全生產技術，具體地說是一種利用鎘低積累型大白菜在鎘汙染土壤安全生產的方法，在鎘汙染土壤種植鎘低積累型大白菜，利用低積累鎘大白菜地上部排斥吸收富集汙染土壤中的鎘，根部固定吸附土壤中的鎘，從而阻止其向上轉運到地上部。地上部作為安全蔬菜食用或出售，根部給予其他妥善處理，從而即可以保障蔬菜食品安全，又可以利用非食用部位(根部)固定吸附土壤中大量的鎘；通過反覆種植該種蔬菜作物，重複上述過程，就可以連續提取汙染土壤中過量的鎘，並且大白菜可食部位的鎘含量也滿足無公害安全蔬菜的標準。該方法具有費用低，不破壞土壤的理化性質，無二次汙染，且具有在汙染土壤中邊生產、邊治理等優點。文檔編號A01G1/00GK101617595SQ20081001215公開日2010年1月6日申請日期2008年7月4日優先權日2008年7月4日發明者於志國,睿劉,劉維濤,周啟星,孫約兵申請人:中國科學院瀋陽應用生態研究所