CN106550749A - 一种增强红麻吸收土壤中Cd的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增强红麻吸收土壤中Cd的方法，属于作物栽培和农业环境保育与修复技术领域，具体涉及一种修复重金属镉污染土壤的红麻种植方法。传统纤维作物红麻具有生长迅速、生物量大、较强的忍耐Cd的能力，成为重金属污染耕地农业结构调整中的先锋替代作物。虽然红麻耐镉的特性得到了广泛的认可，然而将其作为修复植物广泛进行种植还未得到推广，本发明的目的之一是促进红麻根毛生长，增加根毛密度，并促使大量根毛分叉；基于以上目的，本发明提供了将诱导物直接作用于红麻根尖的栽培方法；通过上述方法，本发明还达到了抑制根结线虫病害，大幅提高红麻吸收土壤镉的目的。

Description

一种增强红麻吸收土壤中Cd的方法
技术领域
本发明属于作物栽培和农业环境保育与修复技术领域，具体涉及一种修复重金属镉污染土壤的红麻种植方法。
背景技术
重金属治理是现代农业的全局性课题。农田镉(Cd)污染问题尤为突出。据报道，全世界每年有9.5-45万t的Cd被排放到土壤中。过量的Cd污染不仅使农作物的产量和品质降低，而且通过食物链的传递影响人和动物健康，导致癌变或畸形。土壤重金属污染的传统修复方法通常采用物理、化学技术，如物理分离法、化学钝化等。其原理主要是通过减少土壤表层污染物的浓度，或者增强土壤重金属的稳定性，进而降低其扩散性和生物有效性，减轻其对作物的危害及作物对其的吸收、转运量，从而维持农田的持续利用和作物的安全生产。
这些传统方法具有治理效果好、历时短的优点，但成本高、难于管理、二次污染、环境扰动大等缺陷，严重限制了其在经济相对落后区域的发展。近年来，植物修复技术逐渐成为公众和科技界关注的热点。然而重金属超富集植物的生物量一般较小，且经济价值不大，生态恢复和生产持续的矛盾难以调和。因此，人们将目光逐渐向不进入食物链的、具有较高重金属吸收和忍耐能力的经济作物转移。
大量研究表明，传统纤维作物红麻具有生长迅速、生物量大、较强的忍耐Cd的能力，成为重金属污染耕地农业结构调整中的先锋替代作物。
祁建民等研究了红麻对重金属的吸收特征，筛选出了高耐、高富集镉的红麻品种，研究了红麻对重金属镉的吸收累积特征及其品种间的差异；比较了高耐品种和低耐品种的抗氧化系统对镉胁迫响应的差异以及镉胁迫对红麻根尖细胞结构的影响(红麻对重金属的吸收特征及外源GSH缓解镉毒的机理研究，福建农林大学博士学位论文，2013)。
邓勇等研究发现红麻幼根丙二醛、As A含量与胁迫时间和镉浓度呈现正相关。AsA和GSH含量及抗氧化酶活性的变化可能是红麻抵御镉毒害与抗性的重要生理基础(镉胁迫下红麻幼根的生理响应，中国麻业科学，2016)。李兰平通过研究铅、镉对红麻种子萌发生长的影响，将Cd≦20mg/kg的浓度作为区分红麻品种耐镉强弱的理想浓度。
虽然红麻耐镉的特性得到了广泛的认可，然而将其作为修复植物广泛进行种植还未得到推广，发明人通过深入研究发现，红麻根部吸附土壤重金属镉的潜力还有提升空间，植物修复的关键部位是根系，Cd以共质体进入根尖并沉积在表皮细胞，再通过根系转运至其他部位。红麻优于其他经济作物的主要原因是发达的根系，为了增强红麻对重金属Cd的吸收能力，发明人做了各种尝试，例如延长红麻主根长度，增加须根数量等，但是收效甚微，如何激发红麻吸收土壤重金属Cd，是红麻发展成为重金属土壤修复作物的关键环节。
发明人经过长期的研究和栽培实践，对红麻根毛发育的营养需求有了较详细的了解，红麻根毛的数量和密度在很大程度上依赖于外源物质的诱导而不是植物本身的发育周期。通过增加红麻根毛数量进一步进红麻修复土壤的能力，必须借助外界条件。针对诱发红麻根毛生长，发明人做了大量研究，在养分配比、植物生长素种类的选择等方面有了重大突破，但是，这些肥料施入土壤后溶解快，易随降雨或灌溉流失，造成肥料浪费和引起环境问题，且需要多次施肥才能满足红麻全生育期的需要。
发明内容
本发明的目的之一是促进红麻根毛生长，增加根毛密度，并促使大量根毛分叉；
基于以上目的，本发明提供了将诱导物直接作用于红麻根尖的栽培方法；
通过上述方法，本发明还达到了抑制根结线虫病害，大幅提高红麻吸收土壤镉的目的。
本发明提供的方法包括如下步骤：
A.准备种子：将种子放入体积分数5％的NaOCl中,5min后将其转入到体积分数75％的乙醇,7min后用去离子水洗5min；
B.种子促芽：将消毒种子播在消毒后的湿润滤纸上暗培养24h，温度为28℃，然后将其转移到光照培养箱中培养24h，光周期16/8h，昼夜温度为30/28℃，相对湿度为60％；
C.浸种处理：向步骤B获得的种子(此时种子处于完全萌发状态)喷洒培养液，种子完全浸入培养液中为宜，在培养室中培养2天，培养液配方为：5mM KNO3、2mMgSO4、25mMNH4NO3、60μM H3BO3、10μM MnCl2、1μM ZnSO4、0.5μM CuSO4、10μM NaCl、0.3μM NaMoO4、40μMFe-EDTA、5.79mM Ca(NO3)2、1.35mM NH4H2PO4、4.17mM MgSO4，特别的，培养液中含有1-10μM根毛生长调节剂，培养液用NaOH调节pH6.5；
优选的，上述根毛生长调节剂为MeJA(茉莉酸甲酯)；
D.拌种：浸种处理后的种胚与拌种剂混匀，拌种剂中含有硝酸稀土1-8份、黄腐酸钠20-25份、NH4NO310-15份、MeJA0.1-0.5份、螯合剂0.1-0.2份、代森锰锌4-5份、甲霜灵锰2-5份，细胞赋形剂1-3份，拌种剂的填充剂为膨润土、黄绵土或坡缕石，拌种剂灭菌处理，拌种剂与种胚的重量比为100：5；
优选的，细胞赋形剂为复硝酚钠或复硝酚钾或二者的组合物；
优选的，螯合剂为可降解有机酸，尤其是DTPA-5Na；
E.播种前准备：上述拌好的红麻种胚封于柔性、吸水透气、可自然降解的纤维袋中，每只纤维袋盛装100克拌好的种胚，这些纤维袋等距离牢固排列在坚固的绳状材料之上；
上述纤维袋为无纺布制成，所述无纺布优选以天然纤维为原料制备，所述天然纤维降解的时间以30-45天为佳，纤维袋大小为50cm*50cm；
绳状材料为金属材料制得，所述金属材料要求不锈蚀且可重复利用；
纤维袋之间的距离为30cm。
F.播种和栽培：按照常规方法作厢作垅，将上述纤维袋连同绳状材料一同置于待修复的污染土壤中，生长期间无须施肥；
G.收割和移除：根据土壤污染程度差异，采取分时收获和移除红麻植株，具体做法如下：
针对轻度污染的土壤，重金属往往集中在表层的土壤，采取每年多次播种、多次移除整株红麻，红麻地上部分高度为40-50公分时，移除地上部分，拉起绳状物，此时红麻根系将轻松从土壤中移除，再重复进行播种、栽培和移除；
针对污染严重的土壤，重金属Cd离子分布在土壤表层及以下40-50cm，首次播种和移除后，重新播种和栽培，对末次播种的红麻，待完成整个生长周期后，地上部分按常规方法移除，然后将土壤彻底湿润，再将绳状物拉起以清除地下部分。
本发明的有益效果如下：
1、使用培养液浸种处理种胚使红麻根系相对于对照组更为发达，体现在显著提高红麻根系根毛数量，增大根毛区密度，增强了根毛韧性；
2、幼苗期有效防止红麻根结线虫对根系的破坏；
3、提供了红麻生长发育需养分，将诱发根毛的试剂与土壤重金属螯合剂限定在根系生长的土壤周围，避免过度施灌造成的二次污染；
4、根据本发明提供的方法，红麻根系牢固的绑定在绳状物之上，可使用机械方法将地下部分移除，有利于机械化作业；
5、本栽培方法在红麻生长全过程无需施肥，且增大了植物根系与营养物质的接触面积和接触时间。
附图说明
图1为浸种处理对红麻幼苗期根毛生长的影响；
图2为对照组与浸种处理的红麻根毛生长情况；
图3为拌种对红麻幼苗期根系生长的影响；
图4为对照组与使用拌种剂组红麻成熟期根系生长情况；
图5为对照组与使用拌种剂组红麻成熟期感染根结线虫病的情况；
图6为不同螯合剂处理红麻根际土壤有效态镉的含量；
图7为不同螯合剂处理红麻根系中镉的含量；
图8为不同螯合剂处理红麻麻骨中镉的含量。
具体实施方式
以下通过实施例和比较例进一步详细说明本发明，本发明不限于以下实施例，在实施例和比较例中，份代表重量份。
实施例1通过浸种处理增加红麻根毛密度
配制浸种用的培养液，各组份及含量为5mM KNO3、2mMgSO4、25mM NH4NO3、60μMH3BO3、10μM MnCl2、1μM ZnSO4、0.5μM CuSO4、10μM NaCl、0.3μM NaMoO4、40μM Fe-EDTA、5.79mM Ca(NO3)2、1.35mM NH4H2PO4、4.17mM MgSO4，特别的，培养液中含有1μM MeJA，培养液用NaOH调节pH6.5；向萌发的种子喷洒上述培养液，对照组用纯净水。培养条件为：光周期16/8h，昼夜温度为30/28℃，相对湿度为60％。培养两天后进行盆栽试验。
盆栽30天后将红麻幼苗根系从土壤中小心剥离，在显微镜下观察并测量根毛直径、长度和每毫米根长的根毛密度，每盆取三棵幼，每棵幼苗随机取50条根毛。
试验结果如图1所示，与对照相比，培养液喷洒后播种的红麻幼苗根毛在直径、长度和密度上均有显著提升。
实施例2拌种剂对红麻幼苗期根系生长的影响
浸种处理后的种胚与拌种剂混匀，拌种剂中含有硝酸稀土1-8份、黄腐酸钠20-25份、NH4NO310-15份、MeJA0.1-0.5份、DPTA0.1-0.2份、代森锰锌4-5份、甲霜灵锰2-5份，细胞赋形剂1-3份，拌种剂的填充剂为为膨润土、黄绵土或坡缕石，拌种剂灭菌处理，拌种剂与种胚的重量比为100：5；
优选的，细胞赋形剂为复硝酚钠或复硝酚钾或二者的组合物；
对照组的拌种剂为膨润土，其他试验材料和培养条件均与试验组一致；
大田试验60天后将红麻幼苗根系从土壤中小心剥离，比较根系长度、根系数量和根瘤数量，每盆取三棵幼苗，随机选取10盆幼苗。
试验结果如图2和图3所示，与对照相比，在根系长度和根系数量上均有显著增加，根瘤数量显著降低。
实施例3 4种重金属螯合剂促进红麻对土壤中Cd吸收的试验
试验于2015年5月进行，将红麻种植于湖南省株洲县渌口镇花园村Cd污染农田，试验田的前茬作物为水稻。
播种前在试验区采用“5点取样法”取0～20cm垂直剖面的土壤样品进行Cd含量测定，结果分别为：0.733mg/kg、1.183mg/kg、1.725mg/kg、0.823mg/kg、0.890mg/kg，平均值为1.071mg/kg，根据土壤污染指数计算方法和划分标准，结合湖南省土壤重金属含量背景值0.126，确定该农田属于重度Cd污染农田。
试验采用随机区组排列，每种螯合剂处理和对照2次重复，共10个小区，每个小区宽3m，长2m，行距为0.4m。田间栽培按照大田常规措施进行。处理于收获前10天左右进行，螯合剂处理浓度均为3mmol/kg土壤(根据一亩地耕层土壤重量约为150000kg计算)，处理方法施用洒水壶均匀灌浇于小区土壤中。
于2015年11月份进行收获，每个小区随机选取8株均匀一致的植株，洗净晾干后的红麻根、茎和麻皮于105℃烘箱中杀青30min，75℃下烘干后粉碎备用，洗根前收集黏附在根系上的土壤作为根际土，混匀后风干备用。
样品中的Cd元素采用石墨炉原子吸收分光光度法。土壤样品和植物样品分别以GB/T 17141-1997和GB/T 5009.15-2003为内标控制分析质量。
说明书附图6-8共同描述了试验结果：使用螯合剂DPTA-5Na的试验组中，根际土中Cd含量和红麻麻骨中的Cd含量最高，使用螯合剂EDTA的试验组中，红麻根系的Cd含量最高，然而DPTA-5Na为生物可降解有机酸，EDTA-2Na不可降解，考虑环境因素，本发明使用DPTA-5Na作为螯合剂，促进黄麻对土壤Cd的吸收。

Claims (8)

1.一种增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，该方法通过促进根毛生长的方法增强红麻吸收土壤Cd，具体包括如下步骤：
A.准备种子：将红麻种子放入体积分数5％的NaOCl中,5min后将其转入到体积分数75％的乙醇,7min后用去离子水冲洗5min；
B.种子促芽：将消毒种子播在消毒后的湿润滤纸上暗培养24h，温度为28℃，然后将其转移到光照培养箱中培养24h，光周期16/8h，昼夜温度为30/28℃，相对湿度为60％；
C.浸种处理：向步骤B获得的种子,处于完全萌发状态的种子喷洒培养液，种子完全浸入培养液中为宜，在培养室中培养2天,昼夜温度为30/28℃，相对湿度为60％；所述培养液组份和浓度为：5mM KNO3、2mMgSO4、25mM NH4NO3、60μM H3BO3、10μM MnCl2、1μM ZnSO4、0.5μM CuSO4、10μM NaCl、0.3μM NaMoO4、40μM Fe-EDTA、5.79mM Ca(NO3)2、1.35mM NH4H2PO4、4.17mM MgSO4，培养液中含有1-10μM根毛生长调节剂，培养液用NaOH调节pH6.5；
D.拌种：浸种处理后的种胚与拌种剂混匀，拌种剂中含有硝酸稀土1-8份、黄腐酸钠20-25份、NH4NO310-15份、MeJA0.1-0.5份、螯合剂0.1-0.2份、代森锰锌4-5份、甲霜灵锰2-5份，细胞赋形剂1-3份，拌种剂的填充剂为膨润土、黄绵土或坡缕石，拌种剂灭菌处理，拌种剂与种胚的重量比为100：5；
E.播种前准备；
F.播种和栽培；
G.收割和移除。
2.根据权利要求1所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，所述培养也中的根毛调节剂为MeJA茉莉酸甲酯。
3.根据权利要求1所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，所述细胞赋形剂为复硝酚钠或复硝酚钾或二者的组合物。
4.根据权利要求1所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，螯合剂为可降解有机酸，尤其是DTPA-5Na。
5.根据权利要求1所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，所述步骤E的播种前准备为：将步骤D拌好的红麻种胚封于柔性、吸水透气、可自然降解的纤维袋中，每只纤维袋盛装100克拌好的种胚，这些纤维袋等距离牢固排列在坚固的绳状材料之上。
6.根据权利要求5所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，所述纤维袋为无纺布制成，所述无纺布优选以天然纤维为原料制备，所述天然纤维降解的时间为30-45天，纤维袋大小为50cm*50cm，绳状材料为金属材料制得，所述金属材料要求不锈蚀且可重复利用。
7.根据权利要求6所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，所述步骤F的播种和栽培为：按照常规方法作厢作垅，将步骤E准备的纤维袋连同绳状材料一同置于待修复的污染土壤中，生长期间无须施肥。
8.根据权利要求1所述的增强红麻吸收土壤中Cd的方法，其特征在于，所述步骤G的收割和移除为：根据土壤污染程度差异，采取分时收获和移除红麻植株，具体做法如下：
针对轻度污染的土壤，重金属往往集中在表层的土壤，采取每年多次播种、多次移除整株红麻，红麻地上部分高度为40-50公分时，移除地上部分，拉起绳状物，此时红麻根系将轻松从土壤中移除，再重复进行播种、栽培和移除；
针对污染严重的土壤，重金属Cd离子分布在土壤表层及以下40-50cm，首次播种和移除后，重新播种和栽培，对末次播种的红麻，待完成整个生长周期后，地上部分按常规方法移除，再将绳状物拉起以清除地下部分。
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