專利名稱：：利用鎘低積累大白菜實施農業(yè)安全生產的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及鎘污染土壤環(huán)境的農作物安全生產技術，具體地說是一種利用鎘低積累型大白菜在鎘污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，在中低程度鎘污染土壤中仍能達成安全生產的方法。
背景技術：
：近年來，隨著我國工農業(yè)生產的迅速發(fā)展，我國土壤環(huán)境中的鎘(鎘)污染日益嚴重。眾多人類活動，諸如大規(guī)模開采冶煉、電鍍、污水灌溉和施用污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(huán)境中，造成廣泛和嚴重的土壤鎘污染[文獻l:周啟星，黃國宏.環(huán)境生物地球化學及全球環(huán)境變化[M].北京科學出版社，2000.]。據(jù)報道，江西大余礦區(qū)、沈陽市張士灌區(qū)、上海的沙川灌區(qū)等都是典型的重金屬鎘污染區(qū)，嚴重污染面積(生產出糧食的鎘含量超過食品衛(wèi)生標準數(shù)倍甚至數(shù)十倍)占10%以上[文獻2:徐愛春，陳益泰.鎘污染土壤根際環(huán)境的調節(jié)與植物修復研究進展.中國土壤與肥料，2007，(2):16.]。污染土壤中過量的鎘不僅直接威脅人類的生存環(huán)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(fā)骨骼、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)的多種疾病，并可導致惡性腫瘤。因此，土壤環(huán)境中的鎘污染亟待修復治理。目前可用于修復治理土壤重金屬污染的技術很多，傳統(tǒng)的重金屬污染土壤治理主要采用土壤固化、玻璃化、淋濾法、洗土法、客土法、電化學法等物理或化學方法等。這些方法存在著以下缺點(l)成本高，一公頃的重金屬污染土地往往高達數(shù)千萬美圓，而且難以大規(guī)模使用；(2)破壞土壤生態(tài)環(huán)境，導致土壤結構喪失、土壤生物活性下降和土壤肥力退化，往往需要進行二次處理；(3)二次污染，運用物理、化學方法對重金屬污染土壤修復的過程往往又會造成對土壤的再次污染。因此，一般很難在面積大、程度輕的污染土壤修復治理中實際推廣應用。與這些傳統(tǒng)的治理技術相比，自上世紀80年代興起的植物修復技術作為一種的原位綠色修復技術，具有費用低廉、不破壞環(huán)境、不造成二次污染、易于為人們所接受等優(yōu)點，逐漸成為環(huán)境科學領域的研究與應用熱點[文獻3:周啟星，宋玉芳.污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明顯缺點和不足(l)超積累植物生物量較小且具有明顯的地域分布；(2)修復周期過長，通常需要上百年；(3)植物修復污染土壤的深度有限，僅能修復植物根系深度的土壤。因此，植物修復技術極大程度的受到這些因素的限制，目前尚難以在我國實際推廣(文獻4:劉維濤，張銀龍，陳喆敏等.礦區(qū)綠化樹木對鎘和鋅的吸收與分布[J].應用生態(tài)學報，2008，19(4)):752756.)。鑒于我國實際國情，將大面積中輕度污染農田停止農作，進行長時間的植物修復或采用價格昂貴的工程修復顯然是不現(xiàn)實的?？茖W家研究發(fā)現(xiàn)，植物對鎘的吸收積累不僅存在種間差異，也存在顯著的種內差異。從而，篩選和培育排異和低積累土壤鎘等有害元素的農作物品種，保證農產品的3安全生產成為當前最為有效和合理的途徑之一。重金屬低積累作物篩選和培育的研究已經成為當前國內外研究的一個熱點，眾多研究結果表明水稻(0ryzasativaL.)、小麥(TriticumaestivumL)、大麥(HordeumvulgareL)、玉米(ZeamaysL)禾口花生(ArachishypogaeaL.)等作物不同基因型積累與分布重金屬存在顯著差異，并篩選出了相應的重金屬低積累基因型(文獻5:AraoT.，IshikawaS.Genotypicdifferencesincadmiumconcentrationanddistributionofsoybeansandrice[J].JapaneseAgriculturalResearchQuarterly.2006，40，2130;文獻6:ZhangG.P.，F(xiàn)ukamiM.，SekimotoH.Genotypicdifferencesineffectsofcadmiumongrowthand皿trientcompositionsinwheat[J].JournalofPlantNutrition,2000，23:13371350;文獻7:ChenF.，DongJ.，WangF.，etal.IdentificationofbarleygenotypeswithlowgrainCdaccumulationanditsinteractionwithfourmicroelements[J].Chemosphere，2007，67，20822088;文獻8:FlorijnP丄，VanBeusichemM丄Uptakeanddistributionofcadmiuminmaizeinbredlines[J].PlantandSoil,1993，150:25-32;文獻9:McLaughlinM.J.，BellM.J.，WrightG.C.，etal.Uptakeandpartitioningofcadmiumbycultivarsofpea皿t(ArachishypogaeaL.)PlantandSoil,2000，222(1-2):5158.)。然而，目前關于低積累重金屬蔬菜品種的研究還較少，低積累鎘的大白菜品種尚未見報道。有研究表明，進入人體的鎘70%來自于受鎘污染的蔬菜(文獻10:RyanJ.A.，PahrenH.R.，LucasJ.B.Controllingcadmiuminthehumanchain:Areviewandrationalebasedonhealtheffects[J].EnvironmentalResearch.1982，28:251302.)。因此，篩選并利用重金屬低積累大白菜在中、輕度的鎘污染土壤的安全生產具有理論和現(xiàn)實意義，也引起了有關部門的高度關注。大白菜(BrassicaPekinensisL.)屬于十字花科蕓苔屬植物，是典型的低溫長日照二年生植物，為東北地區(qū)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(jù)統(tǒng)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，占全國蔬菜作物總種植面積的15%，年總產量超過1億噸，占全國蔬菜總產量的18.8%(文獻12:農業(yè)部.2005年全國各地蔬菜播種面積和產量[J].中國蔬菜，2007，(1):4041.)。因此，利用低積累鎘大白菜在污染土壤中安全生產具有緊迫性和必要性。大白菜原產于我國，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污染農田土壤安全生產和實踐具有以下優(yōu)點(l)大白菜在我國栽培歷史悠久并且種質資源豐富，為篩選工作奠定了堅實的基礎；(2)能夠在鎘污染土壤安全生產的同時修復鎘污染，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(yǎng)豐富，有"百菜之王"之美譽，深受百姓喜愛；(4)我國中醫(yī)認為，大白菜微寒味甘，有養(yǎng)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(fā)展和出口創(chuàng)匯；(5)我國人民在長期的農業(yè)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污染土壤中的安全生產有了充分的農業(yè)技術保障。因此，從眾多大白菜品種中篩選出低積累鎘的大白菜品種并用于污染土壤的安全生產是完全可行的。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種利用低積累鎘的大白菜在鎘污染土壤安全生產的方法，利用低積累鎘的大白菜北京新3號在鎘污染土壤中安全生產。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為利用鎘低積累大白菜北京新3號農業(yè)安全生產的方法在鎘污染土壤中種植低積累鎘的大白菜北京新3號，邊生產邊修復，實現(xiàn)去除土壤中過量鎘的目的。所述在鎘污染土壤中種植的大白菜為北京新3號，該大白菜為低積累重金屬鎘的蔬菜作物。所述在鎘污染土壤中種植該大白菜，是指將該品種大白菜籽直接穴播于鎘污染土壤中，每穴3-6粒白菜籽，穴間距10-60cm，壟間距10-60cm。在鎘污染土壤中種植的該大白菜，采用室外盆栽栽培和野外大田栽培，在盆栽試驗中種植大白菜北京新3號，是指將北京新3號種籽直接播種于塑料盆內(0=2Ocm，H=15cm)，每盆最后定苗2株。投加鎘的濃度(mg/kg)為0、1、2.5和5。定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40-90%。在鎘污染土壤中種植該大白菜，該大白菜地上部排斥吸收污染土壤中鎘，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，將大白菜地上部從污染土壤上收獲，將根部移除后妥善處理，待下個生長期再種植第二茬，重復上述操作。所述的每次收割后的大白菜根進行專門集中處理，處理的方法包括焚燒、萃取回收鉛或壓縮后作無害化填埋。所述北京新3號大白菜籽的由國家蔬菜工程技術研究中心和北京京研益農科技發(fā)展中心聯(lián)合研制生產。本發(fā)明中，北京新3號大白菜為低積累鎘的大白菜品種，其植物基因特征和化學特征如下生育期60-85天，長勢較旺，整齊一致，外葉深綠，頁面銷皺，開展度較小，葉球中樁疊抱，后期壯心速度快，結球緊密，單株凈重4公斤左右。抗病毒癥，霉腐病，霜霉病，品質好，耐儲運，畝產凈菜7000-8000公斤。根據(jù)鎘污染土壤肥力狀況，施用促進該大白菜生長的氮、磷和鉀肥等。在鎘污染土壤中種植的該大白菜采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%，并注意防治菜青蟲、蚜蟲和地蛆。本發(fā)明所采用的大白菜北京新3號屬于十字花科蕓苔屬植物，是典型的低溫長日照二年生植物，具有很高的營養(yǎng)價值和經濟價值。它既可以直接播種于污染土壤，也可以移苗栽培且生長迅速，栽培管理相對于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。實驗表明，北京新3號是一種低積累鎘的大白菜品種，對土壤中的鎘毒害具有很強的耐性、其地上部鎘含量低于國家安全蔬菜的生產標準。收獲的北京新3號可以作為綠色蔬菜供人們食用，也可以在國內市場上出售或者出口國外，從而體現(xiàn)出其較高的食用價值和經濟價值；另外，對收獲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，可以避免二次污染，同時產生一定的經濟效益。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下1.本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的污染土壤治理方法相比，具有投資少、工作量小、技術要求不高、生態(tài)安全性高、不產生二次污染等優(yōu)點。2.本發(fā)明具有良好的經濟、環(huán)境和生態(tài)效益。本發(fā)明方法作為一種污染土壤的安全生產技術，所收獲大白菜地上部鎘含量低于國家相關標準，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；對大白菜北京新3號根進行集中處理，不會造成二次污染，同時固定修復進程不僅不會破壞土壤生態(tài)環(huán)境，還有助于改善因重金屬污染而引起的土壤退化和生產力下降，恢復并提高其生物多樣性。圖1為在不同濃度的鎘處理下北京新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:盆栽梯度下低積累鎘的大白菜的確認與模擬應用盆栽實驗地點設在中國科學院沈陽生態(tài)站內，該站地處下遼河平原的中心地帶，距沈陽市區(qū)約35km，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候。實驗場地周圍沒有污染源，是重金屬未污染區(qū)。盆栽試驗土壤采自中國科學院沈陽生態(tài)站內無污染區(qū)的表層土壤(0-20cm)，土壤類型為草甸棕壤，土壤中重金屬鎘含量為0.17mg/kg。本實驗共設4個處理，每個處理重復3次，投加的鎘濃度(mg/kg)分別為O(對照，未投加)、1、2.5、和5。實驗投加的鎘為分析純的CdCl22.51120，并施入一定濃度的氮、磷、鉀肥作為底肥0.25g/kgN(C0(NH2)2)、0.065g/kgP和0.124g/kgK(K2HP04)。將供試土壤風干過4mm篩后，以固體形式拌入鎘和底肥，充分混勻后裝入塑料盆(0=2Ocm，H=15cm)中，每盆裝土2.5kg，平衡8-12周待用。將大白菜籽直接播種于盆內，每盆播種3-6粒，待發(fā)芽一周后間苗，根據(jù)白菜幼苗長勢每盆留兩株。每日根據(jù)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40-90%左右。植物生長60-85天后收獲植株。將收獲樣品分為根和地上部兩部分，分別用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后再用去離子水沖洗，瀝去水分，在105t:殺青1小時；然后在65t:下烘干至衡重，稱量干重后粉碎備用。植物樣品采用麗03-104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鎘含量。實驗結果如下圖l給出了在上述不同濃度的Cd處理下北京新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、2.5和5mg/kg的處理中，北京新3號地上部和根部生物量均未顯著下降，表現(xiàn)出很強的耐性，Cd濃度小于2.5mg/kg的處理甚至對其生長有一定的促進作用。但當Cd污染濃度很高的情況下，即Cd處理濃度為5mg/kg時，地上部和根部生物量稍有下降，但是為到顯著水平(P>0.05)，也表現(xiàn)出了較大的Cd耐性。參見表1可知，隨著土壤中投加Cd濃度的增加，北京新3號地上部和根部的Cd濃度逐步升高，其富集系數(shù)和轉移系數(shù)也有升高的趨勢。但在所有的Cd處理中，北京新3號地上部Cd富集系數(shù)(地上部和土壤中Cd含量的比值)和轉移系數(shù)(地上部與根部Cd含量的比值)始終小于l，即地上部Cd含量始終低于土壤中和根部的Cd含量，具備了典型的Cd排異植物特征。本次試驗測得白菜北京新3號地上部平均含水量為90%。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)，白菜地上部鎘含量超過0.50mg/kg干重(DW)即認為Cd超標。根據(jù)這一標準，當土壤Cd濃度<2.5mg/kg時，北京新3號地上部Cd含量都小于0.50mg/kg，滿足國家無公害蔬菜的生產要求。當土壤Cd濃度>2.5mg/kg時，北京新3號地上部Cd含量超過了國家標準。6上述實驗結果表明，在土壤中Cd投加濃度低于2.5mg/kg時，北京新3號地上部鎘含量始終低于國家無公害蔬菜的生產要求的標準，而且地上部Cd含量始終低于根部和土壤Cd含量，同時對Cd污染表現(xiàn)出較強的耐性，完全具備了Cd低富集植物的特征，是一種Cd低富集植物。并且，其根部Cd含量都大于土壤中Cd含量，表現(xiàn)出較強的對Cd的吸收固定作用。北京新3號對Cd有很強的耐性、地上部排斥吸收Cd、根部固定吸附Cd，并且阻止其上地上部轉運，這些特征使得它在低度Cd污染土壤安全生產，并逐步去除土壤中過量的Cd成為可能。表1盆栽實驗條件下北京新3號對Cd的低積累特征<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例2:沈撫灌區(qū)大田確認與鎘污染土壤的安全生產實驗地點設在沈陽市東陵區(qū)的沈撫灌區(qū)試驗田進行，該地的氣象條件與沈陽生態(tài)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N1.27mg/kg，全P1.42mg/kg，速效K145.68mg/kg，總鎘1.25mg/kg。將大白菜籽直接穴播于鎘污染土壤中，每穴3-6粒白菜籽，穴間距10-60cm，壟間距10-60cm。根據(jù)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天以后收獲北京新3號，樣品處理同實施例1。實驗結果如下表2給出了不同Cd濃度小區(qū)北京新3號對Cd低累積特征和生長情況。北京新3號地上部含量均低于0.50mg/kg，符合國家無公害安全蔬菜的標準(GB18406.1-2001)，其地上部Cd含量遠低于根部，且富集系數(shù)均小于l，可作為Cd低積累大白菜在中輕度污染的農田土壤中推廣種植，而不會對人體健康造成危害。按照測定的根部平均干重折算，在Cd1.25mg/kg的污染水平下，北京新3號的根的干物質產量可達9.05kg/公頃，從土壤中帶走的鎘為16.29mg/公頃從而通過北京新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，利用北京新3號在輕度Cd(鎘含量為0.5-2.5mg/kg)污染的土壤上，邊安全生產、邊修復土壤鎘污染是現(xiàn)實可行的。表2大田實驗條件下北京新3號對Cd的低累積特征和生長狀況<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例結果表明，本發(fā)明利用低積累Cd大白菜地上部排斥吸收富集污染土壤中的Cd，根部固定吸附土壤中的Cd，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獲，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Cd;通過反復種植該種蔬菜作物，重復上述過程，就可以連續(xù)提取污染土壤中過量的Cd，并且大白菜可食部位的Cd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，無二次污染，且具有在污染土壤中邊生產、邊治理等優(yōu)點。權利要求一種利用鎘低積累大白菜北京新3號農業(yè)安全生產的方法，其特征在于在鎘污染土壤中種植低積累鎘的大白菜北京新3號，邊生產邊修復，實現(xiàn)去除土壤中過量鎘的目的。2.按照權利要求1所述的利用鎘低積累大白菜北京新3號農業(yè)安全生產的方法，其特征在于所述在鎘污染土壤中種植的大白菜為北京新3號，該大白菜為低積累重金屬鎘的蔬菜作物。3.按照權利要求1所述的利用鎘低積累大白菜北京新3號農業(yè)安全生產的方法，其特征在于所述在鎘污染土壤中種植該大白菜，是指將該品種大白菜籽直接穴播于鎘污染土壤中，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大白菜北京新3號實施農產品安全生產的方法，其特征在于在鎘污染土壤中種植的該大白菜，采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大白菜北京新3號實施農產品安全生產的方法，其特征在于在鎘污染土壤中種植該大白菜，該大白菜地上部排斥吸收污染土壤中鎘，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，將大白菜地上部從污染土壤上收獲，將根部移除后妥善處理，待下個生長期再種植第二茬，重復上述操作。6.按權利要求1所述的利用鎘低積累大白菜北京新3號農業(yè)安全生產的方法，其特征在于所述的每次收割后的大白菜根進行專門集中處理，處理的方法包括焚燒、萃取回收鉛或壓縮后作無害化填埋。全文摘要本發(fā)明涉及鎘污染土壤環(huán)境的農作物安全生產技術，具體地說是一種利用低積累鎘的大白菜品種北京新3號在鎘污染土壤安全生產的方法。在鎘污染土壤種植低積累鎘的大白菜，利用低積累鎘大白菜地上部排斥吸收富集污染土壤中的鎘，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；通過反復種植該種蔬菜作物，重復上述過程，就可以連續(xù)提取污染土壤中過量的鎘，并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，無二次污染，且具有在污染土壤中邊生產、邊治理等優(yōu)點。文檔編號B09C1/00GK101745519SQ200810229328公開日2010年6月23日申請日期2008年12月5日優(yōu)先權日2008年12月5日發(fā)明者劉睿,劉維濤,周啟星,孫約兵申請人:中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所