李先喆，徐慶國(guó)，劉紅梅

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128）

水稻是中國(guó)主要的糧食作物之一，我國(guó)年均稻谷產(chǎn)量1.85 億t，稻谷產(chǎn)量占到了我國(guó)糧食總產(chǎn)量的40%，約占世界稻谷總產(chǎn)量的35%。我國(guó)作為世界最大的稻米生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)，稻米生產(chǎn)質(zhì)量與安全直接關(guān)系到人們的日常生活與健康[1]。然而隨著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量化學(xué)物質(zhì)的施用，稻田土壤的重金屬污染日益嚴(yán)重，特別是重金屬元素鎘（Cd）因其具有在土壤中活性強(qiáng)、易轉(zhuǎn)移、高毒性等特點(diǎn)，已成為危害我國(guó)水稻生產(chǎn)安全的主要污染物之一[2]。因此，在探明稻田土壤鎘污染機(jī)理的同時(shí)，改善和降低水稻生態(tài)栽培環(huán)境條件的鎘積累，是我國(guó)水稻科技領(lǐng)域的重要課題?，F(xiàn)將生態(tài)栽培條件對(duì)水稻鎘積累的的影響研究與進(jìn)展綜述成文，以資參考。

1 土壤對(duì)水稻鎘積累的影響

1.1 土壤類(lèi)型

我國(guó)幅員遼闊，土壤類(lèi)型繁多，不同類(lèi)型土壤對(duì)水稻鎘積累的影響差異顯著。Le nidas Carrijo Azevedo Melo 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，植物的酶活性和抗氧化性因不同土壤理化性質(zhì)的差異而不同，在一定鎘濃度范圍內(nèi)，作物在砂土中的耐鎘性比粘土強(qiáng)。孫聰?shù)萚4]采用溫室盆栽實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同鎘污染土壤對(duì)不同水稻品種的生物量、植株鎘含量及鎘吸收生物富集系數(shù)（BCF）的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在酸性祁陽(yáng)紅壤中，不同水稻品種的生物量隨著鎘處理濃度的增加而顯著下降，在中堿性的廣州水稻土中，不同水稻品種的生物量隨著鎘處理濃度的變化沒(méi)有顯著性差異。而在相同鎘濃度處理下，酸性祁陽(yáng)紅壤中水稻的BCF 大于中堿性廣州水稻土，不同水稻品種相差2～14 倍。范中亮等[5]研究表明，不同類(lèi)型土壤中，鎘的生物有效性差異明顯，水稻土栽培下水稻各器官的鎘含量顯著高于潮土的水稻各器官的鎘含量。黃德乾等[6]研究發(fā)現(xiàn)，稻米鎘含量在3種不同性質(zhì)土壤上的含量大小順序?yàn)榧t壤＞青紫泥＞烏柵土。由此可見(jiàn)，土壤類(lèi)型對(duì)鎘的吸附特性和生物有效性有著重要的影響。

1.2 土壤pH

土壤pH 是影響水稻鎘積累的重要因素，土壤中鎘的有效態(tài)含量隨著pH 的升高而降低，在堿性土壤環(huán)境中，二價(jià)鎘離子容易生成氫氧化物、硫化物、磷酸鹽等沉淀，從而降低土壤中鎘對(duì)水稻的毒害[7]。有分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤pH 值在1～2 時(shí)，水稻植株對(duì)鎘的吸收隨pH 值的升高顯著增加；當(dāng)土壤pH 值在2～6 時(shí)，水稻對(duì)鎘的吸收速率趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明在一定土壤pH 值范圍內(nèi)，水稻莖稈對(duì)鎘的吸收不受pH 值的影響[8]。Ye等[9]研究表明，土壤pH 值的大小影響鎘的土壤結(jié)合位點(diǎn)與吸附的形態(tài)、溶解性及移動(dòng)性；在低pH 值條件下，Cd2+與高濃度的H+競(jìng)爭(zhēng)土壤重金屬載體的結(jié)合位點(diǎn)，減少了土壤對(duì)鎘的吸附，有效態(tài)鎘含量升高，因而水稻根部的鎘濃度增大，從而增加了水稻對(duì)鎘的吸收。宋文恩等[10]分析了我國(guó)8種不同性質(zhì)土壤的pH值與鎘對(duì)水稻毒性閥值ECx 的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，土壤的pH 值與水稻鎘毒性閥值ECx 呈正相關(guān)關(guān)系，即土壤pH 值升高，毒性閥值ECx 增大，鎘對(duì)水稻根的毒性降低。因此，應(yīng)在中堿性土壤上栽培水稻，以降低稻米鎘積累對(duì)人們健康危害的風(fēng)險(xiǎn)。

2 施肥對(duì)水稻鎘積累的影響

2.1 有機(jī)肥

水稻對(duì)鎘的吸收和積累受到多方面因素的影響，除了水稻自身基因型差異和土壤類(lèi)型差異外，施肥是影響水稻植株體內(nèi)鎘含量一個(gè)重要因素。江巧君等[11]研究表明，有機(jī)肥能通過(guò)影響水稻各器官鎘含量的分配比例，抑制鎘向其地上部分的運(yùn)輸，來(lái)降低其根系、稻谷糠層及精米的鎘含量。Anita 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，廄肥能顯著降低土壤中鎘的生物有效性，從而減少作物可食用部分對(duì)鎘的吸收積累。王陽(yáng)等[13]研究指出，紫云英還田對(duì)土壤鎘的有效態(tài)無(wú)顯著影響，但可顯著降低水稻籽粒對(duì)鎘的積累，并提高土壤肥力，且用量以30 000 kg/hm2為宜。

有機(jī)肥可促使土壤中交換態(tài)的鎘向結(jié)合有機(jī)態(tài)鎘、錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘轉(zhuǎn)化。有機(jī)肥對(duì)鎘污染土壤的改良原理包括3 點(diǎn)：（1）土壤施入有機(jī)肥后，其中的腐殖質(zhì)分解形成的腐質(zhì)酸能與土壤中的鎘形成穩(wěn)定的螯合物和絡(luò)合物，從而降低土壤鎘的毒害；（2）有機(jī)肥通過(guò)影響土壤的一些基本性狀來(lái)產(chǎn)生間接的作用，例如施豬糞能提高土壤的pH 值，使土壤膠體負(fù)電荷增加，并減弱H+的競(jìng)爭(zhēng)作用，因而使土壤中的鎘與土壤中的鎘載體結(jié)合得更加牢固[14]；（3）腐熟的有機(jī)肥如豬糞增加了土壤中胡敏酸（HA）與富里酸（FA）的比值，加大了土壤腐殖酸芳構(gòu)化程度，使交換態(tài)鎘的含量降低[15]。但是，有些研究結(jié)論與上述結(jié)論相反，如李本銀[16]、王美等[17]發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥提高了土壤中鎘有效態(tài)的含量，增加了作物籽粒的鎘含量，這可能是由于供試土壤和有機(jī)肥種類(lèi)不同，使其對(duì)腐殖酸芳香結(jié)構(gòu)構(gòu)化程度的差異，而導(dǎo)致結(jié)果不盡相同[15]。此外，可能是水溶性有機(jī)質(zhì)（DOM）中富含的羧基和羥基等配位體通過(guò)與鎘形成的配合物，抑制了土壤對(duì)鎘的吸附，增加了其移動(dòng)性，因此施用有機(jī)肥后能顯著提高土壤溶液中交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)的鎘含量[18-19]。

綜上所述，有機(jī)肥對(duì)水稻鎘積累的影響因土壤種類(lèi)、有機(jī)肥種類(lèi)、有機(jī)肥用量、施肥時(shí)間以及水稻基因型種類(lèi)而異[20]，不同有機(jī)肥對(duì)水稻鎘有效性的影響機(jī)理仍待進(jìn)一步探究。

2.2 無(wú)機(jī)肥

2.2.1 氮磷鉀肥 氮肥作為農(nóng)業(yè)施肥的主要項(xiàng)目，對(duì)土壤中鎘的有效性有重要影響，不同氮肥對(duì)水稻鎘積累的影響效果不一。施入土壤的氮肥能與土壤膠體發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，或者形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而影響水稻等植物對(duì)鎘的吸收[21-22]。樓玉蘭等[23]分析表明，硝態(tài)氮能提高根際土壤的pH 值，降低土壤鎘等重金屬的活性，促進(jìn)水稻等作物對(duì)鎘等重金屬的吸收，而銨態(tài)氮的作用則剛好相反。孫磊等[24]通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在污染土壤中加入尿素能有效降低作物體內(nèi)重金屬的含量，并且在酸性土壤中應(yīng)盡量避免硫酸銨氮肥的使用。但有研究顯示，作物對(duì)鎘的吸收與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，并強(qiáng)調(diào)要控制氮肥的用量（120 kg/hm2），在保證產(chǎn)量的同時(shí)，減少重金屬的潛在危害[25]。

磷是作物生長(zhǎng)所必需的元素之一，適量的磷肥對(duì)保障作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量有不可替代的作用，但過(guò)量磷肥卻有可能增大土壤重金屬的污染[26]。Lambert等[27-29]研究表明，磷酸銨能降低土壤的pH 值，增加土壤中鎘的生物有效性，從而增加作物對(duì)鎘的吸收和積累。由于磷肥對(duì)土壤pH 值影響，當(dāng)加入鈣鎂磷、磷酸氫鈣和磷酸二氫鉀等堿性磷肥時(shí)，pH 值升高，鎘的生物有效性降低[30]。所以，在施用磷肥時(shí)，應(yīng)考慮不同磷肥的化學(xué)性質(zhì)及土壤性質(zhì)的差異。

鉀肥對(duì)土壤中鎘有效性的影響，同樣表現(xiàn)在通過(guò)與土壤的化學(xué)反應(yīng)，影響土壤pH 值和理化性質(zhì)，而在受鎘污染的水稻土壤，采用含硫鉀肥較為適宜[22]。

綜上所述，不同氮磷鉀肥對(duì)土壤鎘有效性影響的差異主要表現(xiàn)為：（1）不同化合態(tài)氮磷鉀肥本身的酸、堿性；（2）氮磷鉀肥料在土壤中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使其產(chǎn)生的酸、堿物質(zhì)及酸堿性；（3）氮磷鉀肥料不同陽(yáng)離子組分與土壤膠體上鎘的置換、絡(luò)合作用[31]。

2.2.2 硅肥 硅可以提高作物的對(duì)重金屬脅迫的耐性和抗性，在生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)水稻受到重金屬毒害時(shí)，硅能夠增加水稻體內(nèi)蛋白質(zhì)和葉綠素的含量，提高根系的活力以及抗氧化酶POD、SOD 的活性，還能夠通過(guò)降低葉片的質(zhì)膜通透性，來(lái)緩解鎘對(duì)水稻的毒害作用[32-33]。黃秋嬋等[34]、Putwattana 等[35]研究顯示，硅能夠顯著減少水稻對(duì)鎘的吸收量，抑制鎘的向上運(yùn)輸，增加鎘在細(xì)胞壁中的沉淀和在自由空間中交換態(tài)鎘的比例，從而減少水稻可食用部分對(duì)鎘的積累。硅也能被水稻體內(nèi)特定的硅結(jié)合蛋白誘導(dǎo)，沉積在水稻根的內(nèi)皮層及纖維層細(xì)胞附近，阻塞了細(xì)胞壁孔隙度，影響鎘的質(zhì)外體運(yùn)輸，抑制了鎘的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而減輕鎘的毒害[36]。陳喆等[37]研究結(jié)果表明，無(wú)論基施硅肥、噴施葉面硅肥還是2種硅肥配施，都能顯著降低水稻籽粒中鎘的含量，又不會(huì)明顯影響水稻產(chǎn)量，且2種硅肥配施的降鎘效果最佳。

2.2.3 鈣肥與其他肥料 鈣肥（主要為石灰）能提高土壤的pH 值，促進(jìn)鎘形成氫氧化物、碳酸鹽等沉淀，減少土壤中鎘的有效態(tài)含量，從而抑制水稻等作物對(duì)鎘的吸收，并且在酸性土壤中效果更加顯著[38]。劉昭兵等[39]指出，石灰氮與石灰一樣可降低污染土壤鎘的生物有效性及水稻鎘積累，而在等量條件下（600 kg/hm2），石灰氮對(duì)土壤的改良修復(fù)效果優(yōu)于石灰。陳喆等[40]研究還發(fā)現(xiàn)，在水稻孕穗末期添加石灰，能減少鎘向水稻可食用部分的轉(zhuǎn)移，并且能作為鈣肥和殺蟲(chóng)劑促使水稻增產(chǎn)。

鈣、鎂、硫、鐵、錳、硼等作物必需的中微量營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)水稻鎘積累也有不同程度的影響。胡坤等[41]采用盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Ca、Mg、S 3種中量元素中，Ca 增加了水稻籽粒中的鎘濃度和吸收量，Mg 和S 則能通過(guò)抑制鎘從秸稈向水稻籽粒的轉(zhuǎn)移來(lái)降低籽粒的鎘濃度和吸收量；在微量元素中，Zn 相比于Cu 等元素對(duì)水稻鎘的吸收抑制作用更為顯著，此外，F(xiàn)eSO4、CuCl2、MnCl2、H3BO3和Na2B4O7等處理都能有效的抑制鎘從莖稈向籽粒的轉(zhuǎn)移，從而減少水稻籽粒的鎘含量；值得注意的是上述碳酸鈣增加了水稻對(duì)鎘的吸收和積累，其原因有待探究。龐曉辰等[42]研究表明，硒（Se）能夠增加水稻地下部分非蛋白巰基（NPT）的含量，促進(jìn)鎘的絡(luò)合；Se 還能改變鎘在根亞細(xì)胞的分布，增強(qiáng)鎘在根細(xì)胞壁上的吸附，從而降低水稻對(duì)鎘的吸收。

3 水分對(duì)水稻鎘積累的影響

除了施肥對(duì)水稻鎘積累的影響外，水分管理也會(huì)影響水稻對(duì)鎘的吸收和積累。土壤淹水缺氧條件下，水稻根可以分泌氧氣和氧化性物質(zhì)，將土壤中的Fe2+氧化成Fe3+，使其在水稻根表形成三價(jià)鐵沉淀進(jìn)而形成鐵氧化膜，而根表鐵膜可以通過(guò)吸附土壤中的鎘來(lái)減少水稻對(duì)鎘的吸收[43-44]。在淹水的條件下，土壤的氧化還原電位降低，土壤中溶液的被還原成S2-，不僅消耗了土壤中的一些H+，提高了土壤pH 值，而且S2-與鎘生成CdS（硫化鎘）沉淀，降低了鎘的生物有效性；排水后的土壤處于氧化狀態(tài)，S 被氧化成，土壤pH 值降低，增加了鎘的生物有效性，從而促進(jìn)了水稻根系對(duì)鎘的吸收和積累[22,45]。紀(jì)雄輝等[46]研究表明，隨著淹水時(shí)間和水量的增加，水稻根表吸附的還原態(tài)Fe2+、Mn2+以及S2-含量顯著提高，因而加強(qiáng)了重金屬離子與Cd2+的競(jìng)爭(zhēng)吸附土壤膠體及水稻根表不同的吸附位點(diǎn)，從而降低了鎘在土壤中的有效性。張雪霞等[47]通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究了不同水分管理模式下水稻籽粒鎘含量差異，水稻籽粒的鎘含量結(jié)果為80%的最大田間持水量>最大田間持水量>前期淹水+抽穗揚(yáng)花期烤田>全生育期淹水，即全生育期淹水管理在能保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，可有效降低水稻莖葉、糙米中的鎘含量。

4 展望

無(wú)論是施肥還是淹水，都是通過(guò)影響土壤的pH值、氧化還原電位（Eh）、有機(jī)質(zhì)含量和土壤中的共存陽(yáng)離子等影響水稻的鎘積累，其不同的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)稻米的品質(zhì)要求日益提高，衛(wèi)生安全意識(shí)逐漸加強(qiáng)，在認(rèn)清當(dāng)前鎘污染現(xiàn)狀的同時(shí)應(yīng)采取積極措施來(lái)改善當(dāng)前農(nóng)田污染所面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)：（1）運(yùn)用先進(jìn)的生態(tài)栽培方式，針對(duì)不同地區(qū)土壤種類(lèi)、水稻基因型的差異，采取合理的施肥、灌溉方式；（2）加強(qiáng)受污染地區(qū)農(nóng)田的治理和修復(fù)，在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，降低水稻籽粒的鎘積累，提高稻米衛(wèi)生與商品品質(zhì)；（3）探明鎘脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化及品質(zhì)的影響機(jī)理，加快耐鎘、低鎘富集水稻品種的選育。

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