專利名稱：：一種控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及環(huán)境保護(hù)中土壤重金屬污染的植物修復(fù)和農(nóng)產(chǎn)品安全領(lǐng)域，具體為利用葉片數(shù)識(shí)別控制鎘污染土壤上生菜蓄積鎘的方法，用以確定蔬菜最佳取樣或收獲時(shí)間。
背景技術(shù)：
：隨著工業(yè)“三廢”和城市生活垃圾的排放，礦物的開采和冶煉，含重金屬廢水灌溉農(nóng)田以及含重金屬的農(nóng)藥、化肥的不合理使用，我國農(nóng)田土壤中的重金屬含量持續(xù)增加，蔬菜地土壤受重金屬的污染日益嚴(yán)重。許多大、中城市的蔬菜重金屬含量均出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)，例如廣州、福州、呼和浩特等[文獻(xiàn)1邱孝煊，陳鋒.2000.福州蔬菜污染及污染源調(diào)查和治理研究.福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào).15:16-21;文獻(xiàn)2:何江華，王少毅.2001.廣州市蔬菜地土壤-蔬菜中重金屬Hg的含量及變化趨勢(shì).土壤與環(huán)境.10:267-269]。在各種重金屬污染中，鎘(Cd)由于生物毒性高且分布范圍廣，其污染顯得尤為嚴(yán)重。Zeng等[文獻(xiàn)3=ZENG,X.，Li，L，MEI,X.2008.HeavyMetalContentinChineseVegetablePlantationLandSoilsandRelatedSourceAnalysis.AgriculturalSciencesinChina·7:1115_1126]整理了1989年以來中國蔬菜地土壤重金屬含量的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，結(jié)果顯示，全國約24.的菜地土壤樣本Cd含量超過國家土壤質(zhì)量II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)。重金屬進(jìn)入土壤后因其具有隱蔽性、滯后性、累積性和不可逆轉(zhuǎn)性等特點(diǎn)，已經(jīng)嚴(yán)重影響了土壤環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展，并且威脅著我國的農(nóng)產(chǎn)品安全、生態(tài)安全和人類健康。重金屬污染土壤的修復(fù)已經(jīng)引起世界各國科學(xué)家和決策者的高度重視，傳統(tǒng)修復(fù)方法多利用物理和化學(xué)方法，這些方法都有明顯的不足之處，如操作困難、修復(fù)成本高、難大面積推廣、易產(chǎn)生二次污染等。相比較而言，具有修復(fù)費(fèi)用低、效果好，可持續(xù)、破壞小等優(yōu)點(diǎn)的植物修復(fù)技術(shù)作為新興綠色生物技術(shù)已成為土壤重金屬污染修復(fù)的研究熱點(diǎn)[文獻(xiàn)4:唐世榮.2006.污染環(huán)境植物修復(fù)的原理與方法.科學(xué)出版社]。植物修復(fù)技術(shù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些污染物的理論為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一門環(huán)境環(huán)境污染治理技術(shù)。植物提取是目前研究較多且最有發(fā)展前途的一項(xiàng)植物修復(fù)技術(shù)，即利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中的金屬提取出來，富集并搬運(yùn)到植物根部可收割部分和植物地上的枝條部位。因此，植物修復(fù)必然涉及到積累植物、超積累植物和耐性植物的篩選以及植物對(duì)重金屬的吸收、運(yùn)輸、積累和生理生化響應(yīng)等內(nèi)容。研究人員已經(jīng)選了一些蔬菜(如印度芥菜、油菜等)來進(jìn)行重金屬污染土壤的植物修復(fù)[文獻(xiàn)5:蘇德純，黃煥忠.2002.油菜作為超累積植物修復(fù)鎘污染土壤的潛力.中國環(huán)境科學(xué).22:48-51]。不同植物品種對(duì)同一重金屬吸收各不相同[文獻(xiàn)6:Fytianos，K.，Katsianis,G，Triantafyllou,P.，Zachariadis,G2001.Accumulationofheavymetalsinvegetablesgtwninanindustrialareainrelationtosoil.Bulletinofenvironmentalcontaminationandtoxicology.67:423_430]。不同品禾中蔬菜對(duì)重金屬吸收同樣表現(xiàn)出顯著差異[文獻(xiàn)7Alexander,P.D.，Alloway,B.J.2006.GenotypicvariationsintheaccumulationofCd，Cu，PbandZnexhibitedbysixcommonlygrownvegetables.EnvironmentalPollution.144:736_745；]。更為重要白勺是，同一品種植物在不同生長階段其體內(nèi)重金屬含量也表現(xiàn)出顯著差異[文獻(xiàn)8何昌福，蔡煥杰，王健.2008.小白菜在不同生長階段對(duì)重金屬Cd的敏感性研究.灌溉排水學(xué)報(bào).27:14-17]。另外修復(fù)植物的種植茬數(shù)也是限制植物修復(fù)效率的一項(xiàng)重要因素。鑒于此，利用植物提取技術(shù)在重金屬污染土壤上進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，確定修復(fù)植物的收獲時(shí)間將顯得尤為重要。若能在植物體內(nèi)重金屬含量達(dá)到最大且具有較大生物量時(shí)收獲，還能增加修復(fù)植物種植茬數(shù)，無疑將使得植物修復(fù)效率達(dá)到最佳。土壤重金屬污染引起的農(nóng)產(chǎn)品安全問題已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)峻。土壤一旦被重金屬污染，不僅對(duì)植物生長和發(fā)育產(chǎn)生直接影響，而且重金屬在根、莖、葉及籽粒中的大量積累會(huì)通過食物鏈富集進(jìn)入人體，危及人類健康。由于人們對(duì)蔬菜的攝入量大，因此食入重金屬超標(biāo)的蔬菜將對(duì)人體健康造成極大危害[文獻(xiàn)9薛艷，沈振國，周東美.2005.蔬菜對(duì)土壤重金屬吸收的差異與機(jī)理.土壤.37:32-36]。研究表明，鎘是生物遷移性很強(qiáng)的重金屬，極易被植物吸收并積累其中，超過一定限度不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且還對(duì)植物和動(dòng)物產(chǎn)生很強(qiáng)的毒性。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB238-84和GB15201-94均規(guī)定蔬菜中鎘最高允許限量標(biāo)準(zhǔn)為SOyg'kg—1。據(jù)估計(jì)，人體中的Cd70%來自于食品中的蔬菜[文獻(xiàn)10陳瑛，李廷強(qiáng)，楊肖娥，金葉飛.2009.不同品種小白菜對(duì)鎘的吸收積累差異.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào).736-740]。黃雅琴的研究表明，蔬菜中對(duì)重金屬表現(xiàn)強(qiáng)吸收的是大部分根莖類和葉菜類，如馬鈴薯、胡蘿卜，菠菜、生菜等[文獻(xiàn)11黃雅琴，楊在中.1995.蔬菜對(duì)重金屬的吸收累積特點(diǎn).內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).608-615]。又因?yàn)槭卟嗽诓煌L階段其體內(nèi)重金屬含量也表現(xiàn)出顯著差異，因此避開蔬菜體內(nèi)重金屬含量最高值時(shí)進(jìn)行收獲，可以便捷而又有效地減少蔬菜體內(nèi)重金屬含量，從而降低土壤重金屬污染對(duì)人類身體健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，現(xiàn)有的植物修復(fù)技術(shù)往往忽略植株體內(nèi)重金屬的含量隨植物生長階段而變化的特征，收樣時(shí)間較為隨意，植物修復(fù)效率未得到最大發(fā)揮。探究污染土壤上蔬菜不同生長階段其體內(nèi)重金屬含量的變化規(guī)律，尋求直觀、便捷的判定鎘污染土壤上蔬菜蓄積鎘的方法，將對(duì)植物修復(fù)和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)發(fā)揮重要作用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法，優(yōu)化并縮短了植物修復(fù)的收樣時(shí)間，還可增加修復(fù)植物的種植茬數(shù)，從而使得利用蔬菜進(jìn)行的植物修復(fù)效率得到進(jìn)一步完善。本發(fā)明控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法，具體技術(shù)方案為在含污染物鎘的土壤上種植葉菜類蔬菜進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，待該蔬菜葉片長至16片葉時(shí)，其體內(nèi)吸收的重金屬含量達(dá)到最大值，其地上部重金屬積累量也達(dá)最大值，即可以進(jìn)行收樣，再種植下一茬；在含鎘污染的土壤上種植葉菜類蔬菜作農(nóng)作物食用時(shí)，在蔬菜長至12片葉生長旺盛期進(jìn)行收獲，再種植下一茬；而避開蔬菜生長至16片葉時(shí)。在含污染物鎘土壤種植蔬菜進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，土壤中鎘平均含量應(yīng)小于2mg/kg，在含污染物鎘土壤種植蔬菜食用時(shí)，土壤中鎘平均含量應(yīng)小于土壤環(huán)境質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)。所述葉菜類蔬菜為生菜。所述葉菜類蔬菜在除土壤含鎘外的適宜生長環(huán)境中，且正常生長條件下進(jìn)行判定。從植物修復(fù)角度看，當(dāng)作物體內(nèi)重金屬含量達(dá)到極大值而有足夠多的生物量時(shí)，及時(shí)收獲植物會(huì)收到較好的效果；從農(nóng)產(chǎn)品安全角度看，到作物體內(nèi)重金屬含量達(dá)到較小而生物量足夠大時(shí)，及時(shí)收獲植物會(huì)確保農(nóng)產(chǎn)品的安全。目前中國蔬菜地土壤重金屬含量超標(biāo)和由此引起的蔬菜重金屬超標(biāo)情況較為普遍，由于蔬菜不同生長階段其體內(nèi)重金屬含量不同，若蔬菜收獲時(shí)間正好是其體內(nèi)重金屬含量達(dá)最高值時(shí)，則由此產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)也最大。本發(fā)明通過觀察植物葉片數(shù)可以便捷的判斷蔬菜體內(nèi)重金屬鎘含量達(dá)到最大值的時(shí)段和相對(duì)安全的時(shí)段，從而有效降低蔬菜重金屬污染對(duì)人類帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用葉片數(shù)識(shí)別鎘污染土壤上生菜蓄積鎘的特征，用以判定鎘污染土壤上種植蔬菜的最佳收樣或收獲時(shí)間，具有便捷、快速、無損耗和不破壞植物的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明不僅優(yōu)化了鎘污染土壤的植物修復(fù)效率，同時(shí)也對(duì)鎘污染土壤上農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生重要影響。圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中生菜不同生長階段生物量(烘干重)對(duì)比2為本發(fā)明實(shí)施例1中生菜不同生長階段地上部鎘含量對(duì)比3為本發(fā)明實(shí)施例1中生菜不同生長階段根系中鎘含量對(duì)比4為本發(fā)明實(shí)施例1中生菜不同生長階段生物富集系數(shù)對(duì)比5為本發(fā)明實(shí)施例1中生菜不同生長階段地上部鎘積累量對(duì)比圖具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明實(shí)施例1試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所生態(tài)毒理與環(huán)境修復(fù)研究中心(天津)的人工氣候室中進(jìn)行，氣候室控制溫度為25士5°C，濕度為60士10%，光強(qiáng)240士26μπι01/πι2.s,每天光照時(shí)間16小時(shí)。試驗(yàn)用土采自天津市東麗區(qū)鎘污染土壤，土壤鎘平均含量為1.6mg/kg，高于土壤環(huán)境質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)GB15618-1995中規(guī)定的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)2.7倍。采集后在室內(nèi)風(fēng)干，磨細(xì)過2mm(10目)篩，裝盆待用。試驗(yàn)用蔬菜種子為興運(yùn)軟尾生菜，由青縣興運(yùn)種苗蔬菜種子站提供，生長期45天。試驗(yàn)采用盆栽方式進(jìn)行，依照土壤鎘含量設(shè)1個(gè)鎘濃度水平(1.6mg/kg)，分4葉期、8葉期、12葉期、16葉期、20葉期共5個(gè)階段采樣，每個(gè)階段4盆重復(fù)。試驗(yàn)采用塑料盆，每盆裝土0.5kg，底肥施用量為每千克土氮0.30g，磷0.2g，和鉀0.30g，分別以分析純的CO(NH2)2，,KH2PO4和K2SO4為肥源。裝土后保持75%田間持水量平衡7天后，采取直播的方式播種，出苗后采用重量法每天澆去離子水，保持土壤水分為田間持水量的75%，待植物長出3片真葉時(shí)，定苗，每盆留1株。隨機(jī)擺放盆缽位置，除蟲除草，植物生長期間，每天觀察1次，定期記錄植物生長狀況，詳細(xì)記錄溫度、光照、空氣濕度等環(huán)境參數(shù)。生菜長至第4、8、12、16和20片葉時(shí)分別隨機(jī)取四個(gè)重復(fù)樣進(jìn)行采樣測(cè)定。含量測(cè)定，烘干后的植物樣采用微波消解，取干燥植物樣0.3000g(精確到0.0001)于聚四氟乙烯消化管中，緩緩加入濃HN037ml，30%H2O2Iml,于微波消解儀(CEM.Mars.240/50)中消煮至清澈，原子吸收法測(cè)定(Analytikjena.Germamny.ZEEnit700)。采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件(SPSSInc.Chicago,IL.vl6.0)和SigmaPlot(SYSTAT.SigmaPlot.vlO.0)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖。結(jié)果表示為平均值士標(biāo)準(zhǔn)差(4個(gè)重復(fù))，其中P<0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著。BCF值計(jì)算生物富集系數(shù)BCF=Ccdshoot/Ccdsoil式中Ccdshoot和Ccdsoil分別表示蔬菜地上部和土壤中鎘的含量(單位mg/kg)。試驗(yàn)結(jié)果如下根據(jù)葉菜類蔬菜生育期生長規(guī)律，蔬菜種子從發(fā)芽到幼苗期生長相對(duì)較為緩慢，絕對(duì)生長量較小，幼苗期結(jié)束(本實(shí)施例中為4葉期左右)即進(jìn)入營養(yǎng)生長盛期，此期的中心內(nèi)容是根、莖、葉的生長，植株形成強(qiáng)大的吸收和同化體系，此后蔬菜進(jìn)入生殖生長時(shí)期(本實(shí)施例中為20葉期左右)，植株生長又轉(zhuǎn)入緩慢，且絕對(duì)生物量增加很小。由于幼苗期生物量太小不適宜進(jìn)行植物修復(fù)和食用采收，而生殖期絕對(duì)生物量增加很小并伴隨部分老葉片的衰亡，對(duì)植物修復(fù)和蔬菜食用也是毫無意義的，因此本實(shí)施例主要研究蔬菜營養(yǎng)生長期。從生菜總生物量(圖1)來看，進(jìn)入營養(yǎng)生長盛期后生菜絕對(duì)生物量增長很迅速，其中8-12片葉期增幅最大，達(dá)到169%，而在后期(16-20)增長趨緩，增幅只有26.7%，總的來說生菜在營養(yǎng)生長盛期前半期總生物量增幅較大。生菜地上部生物量與此類似，從圖中曲線斜率也可以看出，生菜地上部生物量在8-12片階段增長較12-16-20階段快，這就很好的解釋了生菜地上部鎘的含量變化情況(圖2)，即由于生菜地上部生物量在8-12片葉時(shí)迅速增長引起的稀釋作用，生菜在第12片葉時(shí)地上部鎘含量都有小幅降低，而生菜第12-16片葉階段相對(duì)前一階段地上部生物量增加較慢，并且有一個(gè)適應(yīng)和鞏固過程，故生菜在第16片葉左右時(shí)地上部鎘的含量達(dá)到最大值，此后稍有降低，生菜根系中鎘含量(圖3)很好的應(yīng)正了這一結(jié)論。綜合上述生菜體內(nèi)鎘的含量分析情況來看，我們認(rèn)為在營養(yǎng)生長期其體內(nèi)重金屬鎘含量在16片葉時(shí)達(dá)到或接近最大值。從植物修復(fù)角度來說，生菜在16葉期時(shí)其地上部生物富集系數(shù)達(dá)到最大值(圖4)，且顯著高于12葉期時(shí)，而在20葉期時(shí)又有所降低。從生菜地上部鎘的積累量(圖5)來看，16葉期時(shí)顯著高于12葉期，提高了68%，16葉期以后出現(xiàn)了降低，且此后蔬菜進(jìn)入生殖期生物量增長緩慢。綜合生菜地上部鎘含量在20葉期有所降低等因素，因此本實(shí)施例認(rèn)為生菜在16葉期時(shí)收獲，將優(yōu)化蔬菜植物修復(fù)效果并縮短修復(fù)周期，同時(shí)還可增加修復(fù)植物種植茬數(shù)，因而將顯著提高植物修復(fù)效率。從蔬菜食品安全角度來看，上述生菜在營養(yǎng)生長期第12片葉時(shí)收獲最佳，因?yàn)樵诖饲半A段生菜生物量太小，且其可食部位鎘含量相對(duì)較高，在12葉期時(shí)其可食部位鎘含量相對(duì)較低，而在16片葉時(shí)其可食部位鎘含量達(dá)到最大，且20片葉以后生菜又進(jìn)入生殖期并趨于衰老影響食用，因此，本實(shí)施例中生菜在12葉期時(shí)食用其產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)最低。權(quán)利要求一種控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法，其特征在于在含污染物鎘的土壤上種植葉菜類蔬菜進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，待該蔬菜葉片長至16片葉時(shí)，其體內(nèi)吸收的重金屬含量達(dá)到最大值，其地上部重金屬積累量也達(dá)最大值，即進(jìn)行收樣，再種植下一茬；在含鎘污染的土壤上種植葉菜類蔬菜作農(nóng)作物食用時(shí)，在蔬菜長至12片葉生長旺盛期進(jìn)行收獲，再種植下一茬；而避開蔬菜生長至16片葉時(shí)。2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法，其特征在于在含污染物鎘土壤種植蔬菜進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，土壤中鎘平均含量應(yīng)小于2mg/kg，在含污染物鎘土壤種植蔬菜食用時(shí)，土壤中鎘平均含量應(yīng)小于土壤環(huán)境質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)。3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法，其特征在于所述葉菜類蔬菜為生菜。全文摘要一種控制污染土壤上葉菜類蔬菜蓄積鎘的方法，涉及環(huán)境保護(hù)中土壤重金屬污染的植物修復(fù)和農(nóng)產(chǎn)品安全領(lǐng)域。本專利提供利用葉片數(shù)判定鎘污染土壤上種植蔬菜的最佳收獲時(shí)間。在含低濃度鎘污染的土壤上種植葉菜類蔬菜(如生菜)進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，待該蔬菜葉片長至16片葉時(shí)，生物量積累也比較大，即可以進(jìn)行收獲，從而提高植物修復(fù)效率。在含鎘污染的土壤上種植葉菜類蔬菜作農(nóng)作物食用時(shí)，應(yīng)在蔬菜長至12片葉左右的生長旺盛期，而避開蔬菜生長至16片時(shí)進(jìn)行收獲，以確保農(nóng)產(chǎn)品的安全。該方法具有便捷、快速、無損耗和不破壞樣品的優(yōu)點(diǎn)，不僅優(yōu)化了鎘污染土壤的植物修復(fù)效率，同時(shí)也對(duì)低濃度鎘污染土壤上的農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生重要影響。文檔編號(hào)A01G7/00GK101960956SQ20101024864公開日2011年2月2日申請(qǐng)日期2010年8月9日優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日發(fā)明者傅芳生,儲(chǔ)信建,馮人偉,唐世榮,孫克群,方華為申請(qǐng)人:農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所;天津鼎利投資發(fā)展有限公司