CN103238439A

CN103238439A - 叶用油菜镉排异品种的筛选方法

Info

Publication number: CN103238439A
Application number: CN2013101815240A
Authority: CN
Inventors: 王林; 徐应明; 梁学峰; 孙约兵; 林大松; 孙扬; 秦旭
Original assignee: Agro Environmental Protection Institute Ministry of Agriculture
Current assignee: Agro Environmental Protection Institute Ministry of Agriculture
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: CN103238439B

Abstract

本发明涉及叶用油菜镉排异品种筛选的方法，包括：1）室外露天栽培，以盆栽方式进行；2）选择多个叶用油菜品种；3）选择未污染土壤添加镉盐溶液，使土壤镉含量在pH值低于7.5时为：原含量、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5mg/kg，在pH大于7.5时为：原含量、0.6、0.9、1.2、1.5、2.0mg/kg；4）油菜播种与生长管理；5）收获茎叶部分，分析其鲜重、干重以及镉含量；6）从0.3或0.6mg/kg处理到最高浓度处理依次分析不同品种的茎叶产量和镉含量，凡是茎叶Cd含量低于食品卫生标准限值0.2mg/kg，且污染处理下茎叶产量比对照没有显著降低的，则为该污染水平下的镉排异油菜品种,利用本方法不仅能够筛选到安全、高产的叶用油菜镉排异品种，还能得到其应用范围，从而可更加有效地用于农业安全生产。

Description

叶用油菜镉排异品种的筛选方法

技术领域

本发明涉及污染环境下农作物安全生产技术，具体地说是叶用油菜镉排异品种的筛选方法。

背景技术

近年来我国农业土壤重金属污染形势日趋严峻。据上世纪90年代统计，我国受重金属污染的耕地面积达2000万hm²，其中受镉（Cd）污染农田达1.33万hm²；2001年农业部对全国24个省市320个重点污染区农田的监测结果表明，重金属是土壤与农产品中的主要污染物，占污染物超标农产品总面积和总产量的80%以上，而Cd污染农产品超标面积达27.86 万hm²。Cd是生物毒性最强的重金属之一，它在土壤中生物有效性很高，与其它重金属相比更易在农作物中累积，因而在重金属含量超标的农产品中Cd 占重要地位。在所有农作物中，蔬菜最易受到土壤Cd 污染危害，据估计， 83 %的人体膳食Cd 摄入来自蔬菜。我国是世界上的蔬菜生产和消费大国，蔬菜种植面积超过1700万公顷。菜地复种指数高，农药和肥料投入大，且多数分布在城郊，受城市工业化污染影响大，因而土壤受Cd污染最为严重，有大量的Cd污染菜地土壤亟待治理。

目前可用于治理土壤重金属污染的方法很多，主要包括各种物理化学修复技术和生物修复技术。其中，物理化学修复技术主要是指一类基于机械物理和化学原理的工程技术，在治理小范围环境污染以及处理严重突发污染事故中作用较大，但一般也存在着技术难度大、花费高、工程量大以及易造成二次污染的问题，很难在大范围内推广应用。在生物修复技术中，近年来应用超富集植物的植物提取修复技术成为关注的热点，在超富集植物的筛选以及超富集重金属的机理方面均开展了较多的研究，筛选了500多种重金属超富集植物，并阐明了天蓝遏蓝菜、东南景天以及蜈蚣草富集重金属的生理生化和分子机理。但是大多数超富集植物的生物量很小，生长也比较缓慢，应用这些植物修复重金属污染的土壤一般需要十几年乃至数十年时间，在修复中轻度污染的农田土壤方面更是受到很多条件的局限，目前其实用化仍存在很多问题。另外，将大面积中轻度污染农田停止农作，进行长时间的工程或植物修复，这在我国人多地少的现状下也是不现实的。因此，有必要探索有效途径，来解决在中轻度污染土壤上进行农业安全生产的问题。

重金属排异植物是指能在重金属污染土壤上正常生长，植物地上部及根部含量均较低，或根部重金属含量虽较高但地上部重金属含量较低的植物。排异植物在农业生产上的主要应用价值为：通过在中轻度污染土壤上对比多个种/品种累积重金属能力的差异，可以从中筛选重金属排异作物，其可食部位重金属含量较低且符合食品卫生标准要求，从而可以实现在污染土壤上的农业安全生产。重金属排异品种筛选的理论基础是：植物累积重金属的能力不仅在种间存在明显差异，而且在种内即品种间也存在显著差异。近年来，国内外学者对多种作物Cd累积的品种间差异进行了研究，并筛选了一批Cd排异作物品种，其中，大田作物包括水稻、玉米、小麦、大麦、大豆，蔬菜包括番茄、长豇豆、蕹菜、菜心、芹菜、大白菜、土豆。在此基础上，科学家成功培育和应用了多个Cd排异作物品种。加拿大研究人员于 1991 年开始进行硬粒小麦 Cd排异品种的选育工作，经过十几年的不懈努力，于 2004 年成功培育出一个目标性状稳定、具有商业推广价值的 Cd 排异品种“Strongfield”，目前该品种在加拿大的种植面积已超过加拿大硬粒小麦种植面积的25%。而美国科学家通过选育和推广Cd排异向日葵品种，成功解决了美国向日葵籽出口欧洲的国际贸易问题。

然而，目前对于重金属排异作物的筛选研究，国内外还没有形成一套公认的标准和方法，尚且存在争议。某些学者借鉴重金属超富集植物的筛选标准，提出了重金属排异作物的筛选标准，即可食部位低含量、地上部低富集、体内低转运及高耐性；而多数研究则通过盆栽实验、小区实验或水培实验，将不同品种可食部位重金属含量和国内/国际食品卫生标准做比较，挑选低富集品种，或者将多个品种依据可食部位重金属含量进行排序，挑选含量低的品种。这些筛选方法都具有可操作性，但是考虑到筛选排异品种主要是为了能应用到实际生产中去，能够体现高安全性的可食部位重金属含量指标和高产量的耐性指标才是应该重点考察的方向。

另外，作物对重金属的吸收不仅受品种因素的控制，而且还和土壤污染程度以及生长环境密切相关。很多研究发现，当土壤重金属含量超过中度污染水平，所有试验品种可食部位重金属含量都无法满足食品卫生标准要求；而且在不同地域污染水平相近的土壤上，同一排异品种的重金属累积能力也表现出较大差异。因此任何排异品种的应用都会受到土壤重金属污染浓度的严格限制，同时还具有很强的地域性。这就要求在筛选重金属排异品种时最好能够给出适用的污染范围以及适用地域，以指导其实际应用，而这恰恰是现在的研究所忽视的。因而，提供一种技术成熟的重金属排异品种筛选方法，既包括合适的筛选标准，又能够给出排异品种的适用范围，是本技术领域中一个亟待解决的问题。

叶用油菜是大众化速生绿叶蔬菜，在我国蔬菜周年供应中起着重要作用。据2006年统计，其栽培面积占全国蔬菜总种植面积的3.0 %，年产量占全国蔬菜总产量的2.3 %。作为一种十字花科芸薹属蔬菜，叶用油菜体内极易累积Cd。例如，南京城郊18个地点油菜样品分析表明，叶片Cd 含量全部超过食品卫生标准，最高超出17倍。因此，筛选和应用叶用油菜Cd排异品种对于降低镉污染危害和保障蔬菜安全生产都具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确可靠、简洁实用、费用低廉、适用性广且可操作性强的叶用油菜镉排异品种的筛选方法，利用该方法不仅能够筛选到安全、高产的叶用油菜镉排异品种，还能得到筛选品种的具体应用范围，从而可以更加有效地用于农业安全生产。

为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

叶用油菜镉排异品种的筛选方法，该方法包括如下步骤：

1）试验条件：室外露天栽培，以盆栽方式进行；

2）筛选对象的确定：以叶用油菜为筛选对象，不同品种的种子从市场上购买或由农业科研部门提供，要求适合当地气候环境，栽培广泛；

3）供试土壤的确定：供试土壤为清洁土壤，要求和拟开展排异品种应用的污染土壤种类相同，根据GB15618-1995《土壤环境质量标准》，要求供试土壤在pH值低于7.5时Cd含量低于0.3 mg/kg，在pH值高于7.5时低于0.6 mg/kg；

4）盆栽污染土壤的配制：以典型污染地区的镉含量和《土壤环境质量标准》规定的二级标准值为参考依据，在考虑供试土壤镉含量的基础上，通过添加水溶性镉盐的水溶液，使盆栽污染土壤在pH值低于7.5时镉含量为：原含量、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 mg/kg，在pH值高于7.5时为：原含量、0.6、0.9、1.2、1.5、2.0 mg/kg，然后浇水陈化，放置3个月备用；

5）盆栽试验：将步骤2搜集的种子直接播种到装有步骤4配制土壤的盆中，待幼苗生长至4片真叶时，每盆间苗至相同苗数，常规管理下培养30-45天，收获油菜茎叶部分，分析其鲜重、干重以及镉含量；

6）油菜镉排异品种的筛选标准为：

A.根据GB2762-2005《食品中污染物限量》规定，油菜茎叶Cd含量以鲜重计，低于叶菜类蔬菜镉含量限值0.2 mg/kg；

B.与清洁土壤上相比，污染土壤上种植的油菜茎叶产量没有显著降低。

镉排异品种确定及其适用条件：根据镉排异品种的筛选标准，从0.3或0.6 mg/kg处理到最高浓度处理依次分析不同品种的茎叶产量和镉含量，能够符合这两条标准的即为该污染水平下的镉排异油菜品种，这些品种可以在开展试验地区镉含量低于该水平的污染土壤上安全应用，生产的油菜茎叶镉含量不超标，且产量没有显著降低。

本发明具有如下优点：

（1）应用前景好。本发明通过盆栽实验的方法筛选出重金属镉排异油菜品种，能从源头上降低蔬菜中重金属镉含量，可以直接应用于土壤镉含量超标的中轻度污染菜地，通过栽种筛选出的镉排异品种，既保障了农产品的质量安全，同时又充分利用了现有的土地资源。

（2）方法简便，可操作性强。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应用，而且试验在室外进行，使得盆栽作物的生长环境与大田中作物的生长环境相近，从而更容易反映作物在污染条件下的真实状况；另外，通过多浓度的梯度实验，本发明不仅能筛选出多个污染水平下的镉排异品种，而且还能给出其适用的土壤污染范围，从而更加有效地指导其实际应用，这也正是本发明的关键之处。

（3）经济高效。本发明在应用过程中不需要昂贵的设备，采用常规的原子吸收法检测镉含量即可；盆栽所用的土壤和供试品种就地取材，试验之后可以集中处理而不对周围环境造成二次污染；筛选出的镉排异油菜品种在保证蔬菜卫生品质的前提下，为充分利用现有土地资源，发挥其经济效益起到了很好的作用。

附图说明

图1为实施例1中不同镉污染水平下不同品种茎叶镉含量示意图；

图2为实施例2中不同镉污染水平下不同品种茎叶镉含量示意图。

具体实施方式

实施例1：在天津进行的叶用油菜镉排异品种筛选实验

盆栽实验地点设在农业部环保所实验网室内，该场地周围没有污染源。供试土壤采自天津市东丽区未污染的菜地，土壤类型为潮土，基本理化性质为：pH 8.01，阳离子交换容量CEC 17.8 cmol/kg，有机质含量3.55 %，总Cd含量0.34 mg/kg，总Pb含量27.96 mg/kg，根据《土壤环境质量标准》，供试土壤为清洁土壤。供试油菜品种由天津市农业科学院提供，共计35个品种，在天津及其周边地区广泛种植。

根据《土壤环境质量标准》要求，土壤pH高于7.5时，土壤中Cd含量限定值（二级标准值，适用于菜地）为0.6 mg/kg。据此本实验设定6个处理，其土壤Cd含量分别为：0.34、0.6、0.9、1.2、1.5以及2.0 mg/kg，每个处理重复3次。

盆栽时选用容积为3 L的盆，每盆装土2.5 kg。在投加镉时，根据上述处理的目标镉含量，扣除原土镉含量0.34 mg/kg，得到每个处理需要添加镉的量分别为：0、0.26、0.56、0.86、1.16以及1.66 mg/kg，再乘以每盆土重2.5kg，得到每个处理中每盆加镉量分别为：0、0.65、1.4、2.15、2.9以及4.15 mg；称取1.32 g分析纯CdCl₂·2.5H₂O溶于1000 ml蒸馏水中，配置成母液，该溶液每ml含Cd量为0.65mg，因此需要在每个处理的盆中分别添加0、1、2.2、3.3、4.5、6.4 ml母液，然后拌匀，浇水稳定，沉化3个月后即可。将沉化好的土壤和底肥混匀后，装入塑料盆中，每盆装土2.5kg，底肥用量为：1.25 g CO(NH₂)₂和0.70 g K₂HPO₄。

将油菜种籽直接播种于盆中。待种子发芽7-15d后，根据油菜幼苗的大小和长势情况间苗2-3次，每盆最终定苗为4株。露天栽培，有遮雨设施，据盆中水份状况，不定期浇自来水(水中未检出Cd)，使土壤含水量保持在田间持水量的65～75 %。油菜生长45d后收获。茎叶经自来水和去离子水洗净后，称量鲜重，75℃烘干后称量干重，然后采用硝酸-高氯酸法消解，原子吸收分光光度法测定植物样品中的Cd含量，采用盐酸-氢氟酸-硝酸-高氯酸法消解测定土壤中总Cd含量。

为了验证盆栽实验的筛选结果，进行了大田实验。实验地点设在天津市东丽区金钟街污灌菜地，该点位于天津北排河污灌区，农田长期使用污水进行灌溉。示范点土壤基本理化性质如下：pH值7.9，阳离子交换容量CEC 18.3 cmol/kg，有机质含量4.25 %，总镉含量平均值为1.2 mg/kg，总铅含量平均值为102.2 mg/kg。根据土壤环境质量国家标准，供试土壤为镉轻度污染土壤。供试品种为2个典型的镉排异品种和一个传统品种。种子直接撒播在土壤中，播种量为1.5 g/m²。根据土壤水分状况，不定期采用井水（水中未检出Cd）灌溉，使土壤中含水量经常保持在田间持水量的50-80%，并在蔬菜生长中期按50 kg/亩施用尿素，以促进蔬菜生长。待生长40天后收获油菜，样品处理同盆栽实验。

实验结果表明：

盆栽实验6个处理下35个油菜品种茎叶Cd含量（以鲜重计）范围分别为：0.017~ 0.073、0.093~ 0.301、0.157~ 0.581、0.194~ 0.672、0.258~ 0.785、0.335~ 1.051 mg/kg。在清洁土壤中，所有供试品种茎叶Cd含量均未超标；在土壤Cd含量0.6 mg/kg的处理中，有22个品种茎叶Cd含量低于0.2 mg/kg；在土壤Cd含量为0.9 mg/kg的处理中，仅有2个品种（华绿二号和华骏青梗菜）茎叶Cd含量符合食品卫生标准要求；在土壤Cd含量为1.2 mg/kg的处理中，仅有1个品种（华绿二号）茎叶Cd含量低于0.2 mg/kg；而当土壤Cd含量超过1.5 mg/kg时，所有品种茎叶Cd含量均超过国家食品卫生标准限值。所有供试品种中，四季王Cd含量始终处于较高水平，显著高于其他品种。图1给出了四季王、华绿二号和华骏青梗菜3个代表性品种在不同处理下茎叶Cd含量。

通过比较对照处理和镉污染处理下油菜茎叶产量可以分析供试品种对Cd耐性的强弱，若随着土壤Cd浓度升高，油菜茎叶产量显著降低，则该品种Cd耐性较弱，反之则说明其Cd耐性较强。由表1可知，随着土壤Cd含量升高，华绿二号和华骏青梗菜两个品种的茎叶产量没有显著降低，表明这2种油菜具有较好的Cd耐性，这也是它们作为镉排异品种的必要条件。

Figure 2013101815240100002DEST_PATH_IMAGE001

根据叶用油菜镉排异品种的筛选标准，综合分析上述数据可知，当土壤Cd含量≤0.90 mg/kg时，华绿二号和华骏青梗菜两个品种作为镉排异品种，可以安全种植；当土壤Cd含量≤1.20 mg/kg时，仅有华绿二号作为镉排异品种，可以安全种植。

表2给出了在天津东丽区污灌菜地中3个油菜品种的茎叶产量和Cd含量数据。在Cd含量为1.19~1.25 mg/kg的污染土壤中，镉排异品种华绿二号茎叶Cd含量低于食品卫生标准限值，且茎叶产量较高，未表现出受抑制的症状，能够较好地用于蔬菜安全优质生产；而另外两个品种茎叶Cd含量均高于食品卫生标准限值，特别是四季王，其茎叶Cd含量比华绿二号高2.2倍。这个大田实验证明了通过本方法筛选出的镉排异品种具有较好的稳定性和可靠性，可以在大田推广应用。

Figure 2013101815240100002DEST_PATH_IMAGE002

实施例2：在湖南进行的叶用油菜镉排异品种筛选实验

盆栽实验地点设在湖南省岳阳市湘阴县农科所实验场地内，该场地周围没有污染源。供试土壤采自附近未污染的菜地，基本理化性质为：pH 6.35，阳离子交换容量CEC 11.2 cmol/kg，有机质含量4.55 %，总Cd含量0.15 mg/kg，总Pb含量35.72 mg/kg，根据《土壤环境质量标准》，供试土壤为清洁土壤。供试油菜品种在长沙和岳阳两地农资市场购买，共计32个品种，都在两地及其周边地区广泛种植。

根据《土壤环境质量标准》要求，土壤pH低于7.5时，土壤中Cd含量限定值（二级标准值，适用于菜地）为0.3 mg/kg。据此本实验设定6个处理，其土壤Cd含量分别为：0.15、0.3、0.6、0.9、1.2以及1.5 mg/kg，每个处理重复3次。

盆栽时选用容积为3 L的盆，每盆装土2.5 kg。在投加镉时，根据上述处理的目标镉含量，扣除原土镉含量0.15 mg/kg，得到每个处理需要添加镉的量分别为：0、0.15、0.45、0.75、1.05以及1.35 mg/kg，再乘以每盆土重2.5kg，得到每个处理中每盆加镉量分别为：0、0.375、1.125、1.875、2.625以及3.375mg；称取0.762 g分析纯CdCl₂·2.5H₂O溶于1000 ml蒸馏水中，配置成母液，该溶液每ml含Cd量为0.375mg，因此需要在每个处理的盆中分别添加0、1、3、5、7、9 ml母液，然后拌匀，浇水稳定，沉化3个月后即可。将沉化好的土壤和底肥混匀后，装入塑料盆中，每盆装土2.5kg，底肥用量为：1.25 g CO(NH₂)₂和0.70 g K₂HPO₄。

将油菜种籽直接播种于盆中。待种子发芽5-10d后，根据油菜幼苗的大小和长势情况间苗2-3次，每盆最终定苗为4株。露天栽培，有遮雨设施，据盆中水份状况，不定期浇自来水(水中未检出Cd)，使土壤含水量保持在田间持水量的65～75 %。油菜生长35d后收获。茎叶经自来水和去离子水洗净后，称量鲜重，75℃烘干后称量干重，然后采用硝酸-高氯酸法消解，原子吸收分光光度法测定植物样品中的Cd含量，采用盐酸-氢氟酸-硝酸-高氯酸法消解测定土壤中总Cd含量。

为了验证盆栽实验的筛选结果，进行了大田实验。实验地点设在湖南省湘阴农科所实验菜地，该点位于湘江流域，农田长期使用Cd含量超标的湘江水进行灌溉。示范点土壤基本理化性质如下：pH值6.4，阳离子交换容量CEC 12.3 cmol/kg，有机质含量4.25 %，总镉含量平均值为0.94 mg/kg，总铅含量平均值为52.2 mg/kg。根据土壤环境质量国家标准，供试土壤为镉轻度污染土壤。供试品种为2个典型的镉排异品种和一个传统品种。种子直接撒播在土壤中，播种量为1.5 g/m²。根据土壤水分状况，不定期采用井水（水中未检出Cd）灌溉，使土壤中含水量经常保持在田间持水量的50-80%，并在蔬菜生长中期按50 kg/亩施用尿素，以促进蔬菜生长。待生长30天后收获油菜，样品处理同盆栽实验。

实验结果表明：

盆栽实验6个处理下32个油菜品种茎叶Cd含量（以鲜重计）范围分别为：0.035~ 0.051、0.074~ 0.215、0.148~ 0.285、0.175~ 0.533、0.221~ 0.800、0.328~ 0.995 mg/kg。在清洁土壤处理中，所有供试品种茎叶Cd含量均未超标；在土壤Cd含量0.3 mg/kg的处理中，有12个品种茎叶Cd含量低于0.2 mg/kg；在土壤Cd含量0.6 mg/kg的处理中，有2个品种（川田惠子和早华冠）茎叶Cd含量低于0.2 mg/kg；在土壤Cd含量为0.9 mg/kg的处理中，仅有1个品种（川田惠子）茎叶Cd含量符合食品卫生标准要求；而当土壤Cd含量超过1.2 mg/kg时，所有品种茎叶Cd含量均超过国家食品卫生标准限值。所有供试品种中，上海四月慢Cd含量始终处于较高水平，显著高于其他品种。图2给出了上海四月慢、川田惠子和早华冠3个代表性品种在不同处理下茎叶Cd含量。

由表3可知，随着土壤Cd含量升高，上海四月慢的茎叶产量没有明显变化；而川田惠子在最高Cd处理下产量显著降低；早华冠的茎叶产量先升高后降低，在Cd 0.9 mg/kg的处理下达到最大值。总的来看，上海四月慢和早华冠Cd耐性较强，而川田惠子虽然在高Cd污染下Cd 耐性较差，但是在中轻度Cd污染下仍有较强的Cd耐性。

Figure 2013101815240100002DEST_PATH_IMAGE003

根据叶用油菜镉排异品种的筛选标准，综合分析上述数据可知，当土壤Cd含量≤0.60 mg/kg时，川田惠子和早华冠两个品种作为镉排异品种，可以安全种植；当土壤Cd含量≤0.90 mg/kg时，仅有川田惠子作为镉排异品种，可以安全种植。

表4给出了在湖南湘阴Cd污染菜地中3个油菜品种的茎叶产量和Cd含量数据。在Cd含量为0.91~0.96 mg/kg的污染土壤中，镉排异品种川田惠子茎叶Cd含量低于食品卫生标准限值，且茎叶产量较高，未表现出受抑制的症状，能够较好地用于蔬菜安全优质生产；而另外两个品种茎叶Cd含量均高于食品卫生标准限值，特别是上海四月慢，其茎叶Cd含量比川田惠子高1.7倍。这个大田实验也证明了通过本方法筛选出的镉排异品种具有较好的稳定性和可靠性，可以在大田推广应用。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims

1.叶用油菜镉排异品种的筛选方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）试验条件：室外露天栽培，以盆栽方式进行；

6）油菜镉排异品种的筛选标准为：

2.如权利要求1所述的叶用油菜镉排异品种的筛选方法，其特征在于所述的添加至盆栽土壤的水溶性镉盐为分析纯的CdCl₂·2.5H₂O。

3.如权利要求1所述的叶用油菜镉排异品种的筛选方法，其特征在于：根据镉排异品种的筛选标准，从0.3或0.6 mg/kg处理到最高浓度处理依次分析不同品种的茎叶产量和镉含量，能够符合两条标准的即为该污染水平下的镉排异油菜品种，这些品种可以在开展试验地区镉含量低于该水平的污染土壤上安全应用，生产的油菜茎叶镉含量不超标，且产量没有显著降低。