专利名称：一种筛选重金属低积累作物品种的方法
技术领域：
本发明涉及污染环境的作物安全生产技术，具体地说是一种筛选重金属低积累作
物品种的方法。
背景技术：
随着我国工农业的快速发展，特别是采矿业、冶金业以及交通运输业的蓬勃发展 以及含重金属化肥、农药的施用，土壤重金属污染日益严重。据报道，全国受重金属污染的 耕地多达2000万公顷，每年出产重金属污染的粮食多达120亿公斤，极大的损害了我国农 村的可持续发展，也对人民的健康安全构成极大威胁(文献1 :朱荫湄，周启星.土壤污染 与我国农业环境保护的现状、理论和展望[J]. 土壤通报，1999，30(3) :65 71.)。而沈阳 作为我国的以机械加工为主的重工业城市，城郊农田的重金属污染已经引起人们广泛的关 注。 土壤重金属污染具有以下几个特征1)隐蔽性和滞后性，即土壤重金属污染难以 肉眼观察，一旦发现异常，可能已达到严重污染的水平；2)累积性和地域性，即重金属可在 植物体内累积，并可通过食物链传递，从而在人体和动物体内富集；另外重金属污染也与各 地土壤的背景值、工农业生产状况等因素密切相关，具有一定的地域分布性；3)不可逆性 和长期性，即一旦发生重金属污染，其污染就难逆转且具有长期性；4)治理难和周期长，即 重金属污染的治理具有相当的难度，重金属难以生物降解，传统的治理手段成本高且难以 实际操作，彻底治理重金属污染需要相当长的时间。 据报道，沈阳地区土壤已经受到了不同程度的重金属污染，农产品中主要超标元 素为铅，沈阳郊区的白菜超标率100%，超标倍数3. 9 ;且土壤中的重金属Cd、 Pb等重金属 含量有明显的逐年增加趋势(文献2:张勇.沈阳郊区及农产品重金属污染的现状评价 [J]. 土壤通报，2001，32(4) 182 186.)。污染土壤中过量的镉不仅直接威胁人类的生存 环境和食品安全，还可以通过直接接触或者通过食物链在人体中富集，产生慢性中毒，影响 体内钙和磷的代谢，引起肾、骨、肝的病理变化，诱发骨骼、消化系统、泌尿系统的多种疾病， 并可导致恶性肿瘤。重金属Pb可通过食物链或身体接触进入人体的铅会对中枢神经、红血 球细胞、肾脏、心血管及男女的生殖系统等多种器官有毒害作用，尤其是儿童。长期试验表 明妊娠期及幼儿期接触较低剂量的Pb (血液Pb浓度为10-20ug/dl)，会对儿童的中枢神 经系统造成不可逆转、不可治疗及伴随终身的损害，导致儿童智力下降，反应慢及注意力不 集中等，24个月大的幼儿血铅含量偏高，到IO周岁时仍表现智力缺陷；国际癌症研究机构 (International Agency forResearch on Cancer)将Pb列为对人类可會鹏至文癌物质(2B 组)。 当前用于修复治理土壤重金属污染的技术很多，主要包括各种物理、化学、物理化 学治理技术和生物修复技术。其中，物理、化学治理技术主要是指一类基于机械物理和化学 原理的工程技术，常见的有客土法、固化法、冰冻法、化学淋洗法、螯合法和离子交换法等。 这些物理、化学治理技术各有其优点，尽管在治理小范围污染土壤以及处理严重突发污染
3事故中作用较大，治理周期短等，但是一般存在着价格昂贵、工程量较大以及易造成二次污
染等问题，一般很难在面积大、程度轻的污染土壤修复治理中实际推广应用。 与这些传统的治理技术相比，植物修复作为一种新兴的原位绿色修复技术，具有
费用低廉、不破坏环境、易于为人们所接受等优点，逐渐成为环境科学领域的研究与应用热
点[文献3 :周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M]北京科学出版社，2004.]，但
是植物修复也存在以下缺点超积累植物生物量较小且具有明显的地域分布，修复周期过
长，通常需要上百年，目前尚难以实际推广(文献4:刘维涛，张银龙，陈喆敏，等.矿区绿化
树木对铅和锌的吸收与分布[J].应用生态学报，2008，19(4) :752 756.)。鉴于我国实际
国情，将大面积中轻度污染农田停止农作，进行长时间的植物修复或采用价格昂贵的工程
技术手段修复显然是不现实的。因此，利用排异和低积累土壤铅等有害元素的农作物基因
型，从而保证农产品的安全生产是当前最为有效和合理的途径之一。 植物对重金属的吸收不仅存在显著的种间差异，也存在显著的种内差异，从而使筛选具有低积累重金属特性的作物和作物基因型成为可能。当前，具有重金属低积累潜力的作物和作物基因型的筛选和培育研究已经成为国内外研究的一个热点，众多研究结果表明水稻(Oryza sativa L.)、小麦(Triticum aestivum L.)、大麦(Horde咖vulgare L.)、玉米(Zea mays L.)和花生(Arachis hypogaea L.)等作物不同基因型积累与分布重金属存在显著差异，并筛选出了相应的重金属低积累基因型(文献5 :Arao T， Ae N. Genotypicvariations in cadmium levels of rice grain[J].SoilScience and Plant Nutrition, 2003， 49 (4) :473 479 ;文献6 :Zhang G P， Fukami M，Sekimoto H. Genotypicdifferences in effects of cadmium on growth and nutrientcompositions in wheat[J]. Journal of Plant Nutrition,2000，23 :1337 1350;文献7 :Tiryakioglu M， Eker S， 0zkutlu F， et al.Antioxidant defense system andcadmium uptake inbarley genotypes differing in cadmium tolerance[J]. Journalof Trace Elementsin Experimental Medicine,2006，20 (3) :181 189 ;文献8 :KurzH， Schulz R， Romheld V. Selection of cultivars to reduce the concentration ofcadmium aridthallium in food arid fodder plants [J]. Journal of Plant Nutrition aridSoilScience， 1999， 162(3) :323 328 ;文献9 :McLaughlin M J，Bell M J， Wright GC， etal.Uptake and partitioning of cadmium by cultivars of peanut(ArachishypogaeaL.) [J] .Plant and Soil, 2000， 222 (1-2) :51 58.)。然而，对于重金属低积累作物的筛选研究，国内外学术界还没有形成一套科学的标准和方法，尚且存在一定的争议。因此，本发明通过具体的试验研究以及结合前人的研究成果，制定出了合理有效的筛选标准和方法。鉴于我国的实际国情，本发明具有十分重要的理论和现实意义，也可为今后筛选其它低积累重金属植物提供必要的参考价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种准确、生态安全、简洁实用、费用低廉、适用性广及可操作性强的重金属低积累作物以及其他相关植物的筛选方法，利用该方法筛选到相应的重金属低积累的作物品种，从而可在污染环境中进行安全农产品的生产。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
筛选重金属低积累作物品种的方法盆栽试验将将不同作物或者同一作物不同品种培养于不同含量的重金属处理土壤中，作物生长温度为5-4(TC，土壤含水量为田间持水量的40-90%，自然光下培养50-170天，收获植株，进行可食部分重金属含量测定，收集其可食部位中的重金属含量低于作物传统品种可食部位重金属含量的30%的作物，待用；
野外污染土壤筛选，将上述筛选出的作物种籽直接穴播于野外污染土壤中，每穴3-6粒种籽，穴间距10-60cm，垄间距10-60cm，待植株成熟后，收获植株，进行可食部分重金属含量测定，若其可食部位中的重金属含量低于作物传统品种可食部位重金属含量的30%，即为低积累重金属作物。 所述筛选出具有低积累重金属的作物在污染土壤中能够正常生长，与对照相比，其产量和品质无明显降低，食用该农作物对人体无害，该农作物将重金属主要积累在非食用部位。而且，所述筛选出具有低积累重金属的作物对重金属元素的富集系数小于1.0，即地上部重金属含量与土壤重金属含量的比值小于1. 0 ;同时作物对重金属元素的转运系数小于1. 0，即地上部重金属含量与根部重金属含量的比值小于1. 0。 将上述初筛的作物进行验证，种籽直接穴播于野外污染土壤中，每穴3-6粒种籽，穴间距10-60cm，垄间距10-60cm，待植株成熟后，收获植株，进行可食部分重金属含量测定，仍然符合上述条件，即为低积累重金属作物。 所述盆栽筛选时重金属投加的浓度设为低、中、高3个处理。以当地清洁土壤为栽培介质做土培试验，按低、中、高3种处理浓度投加一种或几种重金属，加入重金属试验的土壤平衡8-12周；以不投加重金属的处理为对照，于作物开始生长的季节，从温室育苗盆移苗进行盆栽筛选试验，每盆幼苗数2-6株，在成熟期测定供试植物生物量、植物体内重金属含量，由此检验植物对重金属的低积累潜力及耐性。盆栽试验中具有低积累重金属潜力农作物以及其他相关植物的初步筛选标准该农作物以及其他相关植物在污染土壤中能够正常生长，与对照相比，其产量和品质无明显降低；食用该农作物以及其他相关植物对人体无害，其可食部位中的重金属含量低于传统作物的重金属含量的30% ;该农作物以及其他相关植物将重金属主要积累在非食用部位。 所述野外污染土壤筛选时将盆栽试验中筛选到的具有低积累重金属潜力的作物以及其他相关植物的种籽，根据土壤肥力状况，施用促进该作物生长的氮、磷和钾肥，使土壤含水量保持在田间持水量的40-90 % 。 所述植株要求试验地点适合该农作物以及其他相关植物的生长，试验地点的气象条件及土壤水文环境有利于农作物以及其他相关植物的栽培，并且该农作物以及其他相关植物在实验地区具有普遍种植和分布。 所述野外污染土壤的确定根据当地污染情况(例如，辽宁地区主要重金属污染为镉、铅、铜、锌、砷、镍等)或根据国家危险废物名录(如铍、铬，铜、锌、砷、硒、镉、锑、碲、汞、铊和铅等(国家环境保护总局、国家经贸委、外经贸委、公安部于1998年1月4日颁布(环[1998]89号)，自1998年7月1日施行))确定。 本发明的原理如下不同种类植物对土壤中重金属元素都要一定程度的吸收和积累。众多研究都表明植物种间和植物种内(基因型间)存在显著的重金属吸收和积累差异，从而为筛选和培育具有低积累重金属潜力的作物品种以及其他相关植物提供了可能。
本发明所具有的优点
5
1.具有系统性，本发明利用盆栽筛选试验和大田验证试验相结合的系统筛选方法，逐步縮小筛选范围，有望筛选到切实可靠的农作物品种。 2.方法简单，可操作性强。本发明盆栽筛选方法可以人为控制污染条件，使参试植物都处于相对一致的生长环境，植物之间对重金属的耐性及低积累特征有一定的可比性，同时可以根据试验条件确定试验规模，增加或减少参试植物种的数量，减少很多不确定性因素，这正是本发明的关键之所在；先通过土培的方法研究植物对重金属的富集、积累特点，然而再利用野外大田试验加以验证，方法简单，可操作性较强。 3.费用较低。本发明先通过针对性较强的筛选试验找到具有低积累特征的作物，然后再到受重金属污染的实际环境中测试这种植物的低积累特征，针对性强，减少一些浪费，相应的费用较低。且所需药品都是实验室常规药品，成本较低。 4.具有生态安全性，本发明筛选试验全过程始终处于人为控制之下，试验后的污染物可以集中处理而不对周围环境造成二次污染。 5.适用性广，本发明对试验条件要求不高，凡适于植物生长的环境一般均可以进行，而且试验均在室外进行，盆栽植物生长的环境条件与自然生长植物的环境条件比较相似，较容易反应植物在污染条件下的真实情况。
图1为3种Cd处理下40种大白菜地上部Cd浓度分布图。 图2为不同Cd处理下7种大白菜地上部生物量图(其中图中同一字母表示大白
菜在不同Cd处理下生物量的差异不显著(P > 0. 05))。 图3为大田试验中7种大白菜的Cd浓度、转运系数和富集系数图。
具体实施例方式实施例1 :盆栽试验，以大白菜为例，进行低积累镉作物品种的筛选。
盆栽实验地点设在中国科学院沈阳生态站内，该站地处下辽河平原的中心地带，距沈阳市区约35km，属暖温带半湿润大陆性气候。实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区。盆栽试验土壤采自中国科学院沈阳生态站内无污染区的表层土壤(0-20cm)，土壤类型为草甸棕壤，土壤中重金属Cd含量为0. 17mg/kg。 本实验共设4个处理，每个处理重复3次，投加的Cd浓度(mg/kg)分别为0 (CK，未投加)、1 (T》、2. 5 (T2)和5 (T3)。实验投加的Cd为优级纯的CdCl2 *2. 5H20，并施入一定浓度的氮、磷、钾肥作为底肥0. 25g/kgN(C0(NH2)2) 、0. 065g/kg P和O. 124g/kg K(K2HP04)。将供试土壤风干过4mm筛后，以固体形式拌入镉和底肥，充分混匀后装入塑料盆(0=20 cm,H=15cm)中，每盆装土2.5kg，平衡8-12周待用。将大白菜籽直接播种于盆内，每盆播种3-6粒，待发芽一周后间苗，根据白菜幼苗长势每盆留两株。每日根据盆中土壤水分状况，浇入适量自来水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的40-90 %左右。
植物生长60-85天后收获植株。将收获样品分为根和地上部两部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，在105t:杀青1小时；然后在65t:下烘干至衡重，称量干重后粉碎备用。植物样品采用HN03-HC104法消化(二者体积比为87 : 13)，用原子吸收分光光度计测定其中的Cd含量。实验结果如下 图l给出了在上述不同浓度的Cd处理下40种大白菜地上部的Cd含量，不同品种大白菜对Cd的吸收量存在显著差异。本次试验中白菜测得的平均含水量为90%，根据农产品安全质量无公害蔬菜安全要求(GB 18406. 1-2001)Cd最大容许含量(MPC)为0. 05mg/kg鲜重，白菜地上部Cd含量超过0. 50mg/kg干重即认为Cd超标.按此标准，在低Cd处理0\)下，有16种大白菜未超标(参见表l所示)。另外，两种传统大白菜品种北京小杂56和酸菜王的Cd含量均很高，故在大田试验中进一步验证。按照低积累作物的Cd含量小于传统作物的30X这一标准，进一步縮小筛选范围，通过T2和T3处理下大白菜的Cd含量，初步认定北京新3号、赛新5号、丰源新3号、辽科秋抗和水师营91-12具有一定的Cd低积累潜力(参见表1所示)。 通过对比不同Cd处理下大白菜地上部生物量的变化，可以得出大白菜对Cd的耐性强弱，如随着投加Cd浓度的增加，大白菜地上部的生物量显著降低，则说明该大白菜对Cd的耐性差；反之则说明其具有较高的Cd耐性。参见图2可知，除赛新5号外其它6种大白菜的生物量随着投加Cd浓度的升高，其生物量未见显著降低，表明这6种大白菜具有较强的Cd耐性。 表1盆栽试验中18种大白菜在三种Cd处理下的地上部Cd浓度(mg/kg)
白菜品种CKTi丁2T3
北京新3号0.08±0.010.22±0.02a0.90±0.103.15±0.24
赛新5号0.07±0.010.23±0.031.18土0.103.78士0.31
丰源新3号0.07±0.010.25±0.031.30±0.113.80±0.35
水师营91-120.09±0.010.28士0.031.35土0.123.84±0.35
辽科秋抗O.ll士O.Ol0.29±0.031.83±0.154.26±0.35
秋抗多宝3号0.09±0.010.30±0.031.28±0.135.10±0.41
秋冠0.12±0.010.31±0.031.45逸144.68士0.40
晋抗2号0.15±0.010.33±0.041.50±0,165.55±0.46
绿星800.16±0.020.34士0.041.43±0.146.82±0.53
沈农超级6号0.18±0.020.35±0.042.08±0.195.90±0.51
北京-120.11±0.020.35±0.041.76±0.184.68±0.39
全盛0.16±0.020.36±0.042.14±0.196.89士0.55
绿星大棵菜0.18±0.020.39±0.042.31±0.185.98±0.53
福星800.19±0.020.40±0.041.42±0.116.76±0.59
天绿600.21±0.020.40±0.042.08±0.178.61±0.66
北京大包心0.15±0.010.40±0.041.28±0.095.10±0.44
酸菜王0.45±0.063.98±0.2910.2±0.7518.0±3.15
北京小杂560.49±0.074.22±0.558.07±0.8517.9±2.17 注a平均值±标准差(n = 3) 实施例2 :大田试验，沈抚灌区重金属低积累大白菜的确认 实验地点设在沈阳市东陵区的沈抚灌区试验田进行，该地的气象条件与沈阳生态站比较相差不大。土壤类型为黄棕壤，其理化性质为pH值8. 5，有机质18. 32mg/kg，全N
71.27mg/kg，全P 1. 42mg/kg，速效K 145. 68mg/kg，总Cd 1. 25mg/kg。将上述筛选出的7种具 有较强的Cd耐性大白菜籽直接穴播于铅污染土壤中，每穴3-6粒白菜籽，穴间距10-60cm， 垄间距10-60cm。根据土壤水分丰缺状况，不定期用井水浇水(水中未检出Cd)，使土壤含 水量经常保持在田间持水量的40-90%左右；为促进丰源生长，按照300kg/公顷的用量施 入尿素。待生长60-85天以后收获大白菜，样品处理同实施例1。
实验结果如下 图3给出了大田试验中7种大白菜对Cd的吸收量、转运系数和富集系数。按照重 金属低积累作物的筛选标准，即对Cd具有较强的耐性、地上部Cd浓度小于0. 5mg/kg、转运 系数小于1和富集系数小于l，可以筛选出北京新3号和丰源新3号为Cd低积累大白菜品 种。而赛新5号因为耐性差，水师营91-12和辽科秋抗则因为Cd浓度大于0. 5mg/kg而被排 除。酸菜王和北京小杂56在大田中其Cd含量超过0. 5mg/kg，并且具有较高的富集系数和 转运系数，建议不可作为蔬菜继续种植食用。盆栽试验和大田试验证明，北京新3号和丰源 新3号具有低积累特征，在低重金属污染土壤(Cd浓度< 1. 25mg/kg)种植这2种大白菜， 可以满足无公害蔬菜国家标准，不会对人畜造成危害。
权利要求
一种筛选重金属低积累作物品种的方法，其特征在于盆栽试验将作物培养于不同含量的重金属处理土壤中，作物生长温度为5-40℃，土壤含水量为田间持水量的40-90％，自然光下培养50-170天，收获植株，进行可食部分重金属含量测定，收集其可食部位中的重金属含量低于作物传统品种可食部位重金属含量30％的作物或其种籽，待用；田间污染土壤筛选将上述筛选出的作物种籽直接穴播于野外污染土壤中，每穴3-6粒种籽，穴间距10-60cm，垄间距10-60cm，待植株成熟后收获植株，进行可食部分重金属含量测定，若其可食部位中的重金属含量仍低于作物传统品种可食部位重金属含量的30％，而且其对重金属元素的富集系数小于1.0，即地上部重金属含量与土壤重金属含量的比值小于1.0，同时作物对重金属元素的转运系数小于1.0，即地上部重金属含量与根部重金属含量的比值小于1.0，即为低积累重金属作物。
2. 按权利要求1所述的筛选重金属低积累作物品种的方法，其特征在于所述初筛出 的作物在污染土壤中能够正常生长，与对照相比，其产量和品质无明显降低，食用该农作物 对人体无害，该农作物将重金属主要积累在非食用部位。
3. 按权利要求1所述的筛选重金属低积累作物品种的方法，其特征在于所述盆栽试 验作物可为不同作物、同一作物不同品种；所述土壤为清洁土壤中投加一种或几种重金属， 使其分为低、中和高等不同含量的重金属处理土壤，平衡8-12周后备用，并且盆栽每盆幼 苗数2-6株。
4. 按权利要求1所述的筛选重金属低积累作物品种的方法，其特征在于所述野外污 染土壤筛选时根据土壤肥力状况，施用促进该作物生长的氮、磷和钾肥，使土壤含水量保持 在田间持水量的40-90%。
全文摘要
本发明涉及污染环境的作物安全生产技术，具体地说是一种筛选重金属低积累作物品种的方法，以盆栽试验方式将作物培养于重金属处理土壤中，其温度为5-40℃，土壤含水量为田间持水量40-90％，自然光下培养50-170天，收获植株，进行可食部分重金属含量测定；将上述筛选出的、其可食部位中重金属含量低于作物传统品种可食部位重金属含30％的作物种籽，直接穴播于田间污染土壤中，每穴3-6粒种籽，穴间距10-60cm，垄间距10-60cm，待植株成熟后收获植株，进行可食部分重金属含量测定，若该作物对重金属的富集系数和转运系数均小于1.0，即为低积累重金属作物。本发明经济、生态安全性高、适用性广、使用方法简便。
文档编号A01H1/04GK101743905SQ200810229329
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者刘维涛, 周启星, 魏树和 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所