張玉盛，肖 歡，敖和軍*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410128)

鎘(Cadmium，Cd)，植物的非必需元素，具很強(qiáng)的毒性和遷移性，主要通過(guò)工業(yè)采礦、污水灌溉、施用劣質(zhì)磷肥、大氣沉降等方式流入農(nóng)田土壤。植物根系吸收土壤溶液中的鎘，通過(guò)共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑轉(zhuǎn)運(yùn)至植株體內(nèi)并隨生育進(jìn)程不斷累積。高濃度鎘對(duì)植物有毒害性，如抑制種子活力，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，影響細(xì)胞膜通透性，導(dǎo)致生理代謝紊亂、光合作用降低、營(yíng)養(yǎng)缺失、葉綠素合成受到抑制等[1，2]。

水稻是我國(guó)重要的糧食作物，約有65%的人口以稻米為主食。水稻具有富集鎘的習(xí)性，吸鎘能力極強(qiáng)，很容易造成籽粒Cd含量超標(biāo)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量，GB2762—2012》規(guī)定，稻米中的鎘含量不得超過(guò)0.2 mg/kg。據(jù)調(diào)查，在我國(guó)各地均有稻米中鎘含量超標(biāo)的現(xiàn)象，特別是在湖南、福建、廣東、浙江等南方省份，超標(biāo)率達(dá)到5%～15%[3]。鎘通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，能在人體內(nèi)長(zhǎng)期存在，對(duì)人體的骨骼、腎臟、肝臟等產(chǎn)生毒害作用。20世紀(jì)50年代至70年代，日本出現(xiàn)的“骨痛病”，其致病原因主要是長(zhǎng)期食用“鎘米”所致[2]。因此，控制稻米鎘污染亟待進(jìn)行且意義重大。

土壤-植物系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交換與能量循環(huán)的樞紐，也是水稻對(duì)鎘吸收的主要源頭。研究發(fā)現(xiàn)，稻米鎘含量與土壤鎘濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系[4]；土壤鎘濃度影響水稻各器官對(duì)鎘的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)[5]，但這種影響并非一定的；水稻根系吸收鎘，除受土壤鎘濃度影響外，還受諸多外部因素的影響，如土壤質(zhì)地、pH和Eh、有機(jī)質(zhì)含量、根系分泌物和根際微生物、溫度等。

1 土壤環(huán)境對(duì)水稻鎘吸收的影響

1.1 土壤類(lèi)型與鎘濃度

土壤質(zhì)地是土壤物理性質(zhì)之一，是土壤中不同大小直徑的礦物顆粒的組合狀況。一般而言，土壤質(zhì)地黏重較輕者具較高的腐殖質(zhì)含量，物質(zhì)淋溶程度較低，土壤膠體吸附性強(qiáng)，對(duì)重金屬的持留量大[6～8]。范中亮等[4]研究表明，鎘的生物有效性在不同類(lèi)型土壤中差異顯著，稻米鎘含量與土壤鎘濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；稻米鎘含量在3種不同性質(zhì)土壤中的含量大小順序?yàn)榧t壤>青紫土>烏柵土[9]。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)[10]；在相同鎘濃度下，酸性土壤中水稻鎘的富集系數(shù)大于堿性土壤[11]。水稻根系鎘吸收速率與土壤鎘濃度呈正相關(guān)關(guān)系，但根系向莖葉及籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)效率在一定范圍內(nèi)隨鎘濃度的增加呈下降趨勢(shì)[5]。水稻各器官鎘富集和轉(zhuǎn)運(yùn)效率與土壤鎘濃度有關(guān)，種植在重度鎘污染土壤的水稻各器官鎘富集效率顯著高于中輕度鎘污染土壤的富集效率[12]。

1.2 土壤pH和Eh對(duì)水稻鎘吸收的影響

Eh值反映土壤氧化還原程度。土壤Eh>125 mV時(shí)，土壤以氧化狀態(tài)為主，Eh<125 mV時(shí)，土壤以還原狀態(tài)為主[23]。土壤在還原環(huán)境下，水溶性Fe2+、Mn2+濃度增加，形成鐵氧化物和鐵錳氧化物，兩者具有較大的比表面積和可變表面電荷，對(duì)Cd2+有很大的吸附容量，降低土壤Cd活性，進(jìn)而減少水稻對(duì)Cd的吸收[24～26]。當(dāng)土壤pH在5～7，Eh>200 mV時(shí)，土壤中的Fe2+、Mn2+、Zn2+和Cu2+等都具有較高的活性，這些元素離子與Cd2+之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，同Cd2+爭(zhēng)奪結(jié)合位點(diǎn)，而使水稻秸稈中Cd2+含量下降[15，17]。

1.3 土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)水稻鎘吸收的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量和功能的核心，對(duì)鎘具有抑制和激活的雙重作用[27]。有機(jī)質(zhì)通過(guò)改變土壤負(fù)電荷、pH等理化性質(zhì)，從而提高土壤對(duì)鎘的吸附，且其自身具有的大量的功能團(tuán)，可吸附、螯合遷移性較強(qiáng)的可交換態(tài)Cd，降低鎘的生物有效性[28，29]。隨著有機(jī)質(zhì)的分解，吸附的Cd會(huì)釋放出來(lái)，并向交換態(tài)鎘轉(zhuǎn)化，提高鎘的活性[30]。此外，土壤有機(jī)質(zhì)可以讓土壤重金屬的可交換態(tài)和水溶態(tài)向有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘留態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化。郭碧林等[31]發(fā)現(xiàn)，紅壤性水稻土中有機(jī)質(zhì)含量隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增大，而土壤有效態(tài)Cd的含量隨生物質(zhì)炭添加量的增加呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量的提高可以降低土壤有效態(tài)Cd含量。

重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化行為與有機(jī)質(zhì)組分有關(guān)。溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)指存在于土壤溶液中不同結(jié)構(gòu)及分子量的有機(jī)物，如可溶性糖類(lèi)、烴類(lèi)、氨基酸、脂肪酸、腐殖質(zhì)等；顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)是動(dòng)植物殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的活性中間產(chǎn)物，是土壤中粒徑大于0.053 mm的輕組有機(jī)物質(zhì)。DOM是重金屬的配位體和遷移載體，對(duì)土壤Cd的活性具有增大和降低的雙重作用。有研究認(rèn)為，DOM可與Cd螯合形成有機(jī)-重金屬離子配合物和水溶性絡(luò)合物，Cd2+競(jìng)爭(zhēng)土壤表面的吸附點(diǎn)位，提高Cd的活性和遷移能力，降低土壤對(duì)Cd的吸附[32～35]。另有報(bào)道指出，DOM的螯合作用可增大土壤表面對(duì)Cd2+的吸附量，在酸性較強(qiáng)條件下，土壤對(duì)DOM的吸附致使自身的負(fù)電荷增加，可促進(jìn)對(duì)土壤Cd2+的吸附[36]。DOM對(duì)土壤Cd2+活性的影響與DOM種類(lèi)和土壤類(lèi)型有關(guān)。POM對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的富集能力[33]。史瓊彬[37]認(rèn)為，在石灰性水稻土中POM與有效Cd含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在酸性水稻土中也有相同關(guān)系，但不顯著；另外，土壤POM含量能抑制水稻根系對(duì)Cd的吸收，但促進(jìn)了Cd向籽粒的轉(zhuǎn)移。

綜上所述，水稻鎘積累與土壤鎘活性密切相關(guān)，而土壤鎘活性因土壤類(lèi)型、鎘濃度、酸堿度和氧化還原電位及有機(jī)質(zhì)含量及其組分而異。

2 根系分泌物對(duì)水稻吸收土壤鎘的影響

植物根系分泌物是植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，根系向生長(zhǎng)介質(zhì)分泌質(zhì)子和大量有機(jī)物質(zhì)的總稱(chēng)，是根-土界面的潤(rùn)滑劑，微生物的能源物質(zhì)，能改善根際環(huán)境，是植物適應(yīng)脅迫的關(guān)鍵物質(zhì)[38]。根系分泌物多屬小分子量有機(jī)化合物，常見(jiàn)種類(lèi)主要有：有機(jī)酸、氨基酸、糖類(lèi)、酚類(lèi)、酶類(lèi)等，對(duì)重金屬具有酸化、活化、螯合、絡(luò)合等作用，影響土壤鎘的活性[39～41]。根系分泌物中有機(jī)酸和氨基酸可改變根際環(huán)境的pH，根際的酸化可導(dǎo)致植物對(duì)Cd的吸收增加[20]。胡浩等[42]認(rèn)為，低分子有機(jī)酸淋溶對(duì)供試土壤中 Pb、Cd、Cu 和 Zn 都具有解吸作用，并且解吸效果隨著有機(jī)酸濃度的增加而增強(qiáng)。McBride等[43]認(rèn)為，檸檬酸、氨基酸等對(duì)氧化物和黏土礦物吸附Cd2+有明顯的抑制效應(yīng)，導(dǎo)致Cd活性升高。根系分泌物當(dāng)中的某些有機(jī)酸、結(jié)合蛋白和粘膠物質(zhì)可與根際環(huán)境中的Cd2+絡(luò)合形成穩(wěn)定的螯合體，將其固定在土壤當(dāng)中，抑制Cd的活性[44]。

在重金屬污染環(huán)境下，植物受到重金屬脅迫對(duì)其根系分泌物的產(chǎn)生也有一定的影響，如影響分泌物的種類(lèi)、組分和總量。Fu等[45]認(rèn)為，在Cd脅迫下，水稻根系分泌的有機(jī)酸總量顯著增加，氨基酸組分和數(shù)量發(fā)生很大改變，且水稻Cd含量與有機(jī)酸、氨基酸含量顯著相關(guān)。黃冬芬[46]認(rèn)為，在鎘脅迫下，水稻根系分泌的有機(jī)酸隨時(shí)間的延長(zhǎng)，含量也隨之增加。高蕾[47]認(rèn)為，水稻根部2′-脫氧麥根酸分泌量顯著增加，可降低植株對(duì)Cd的吸收。多年生草本長(zhǎng)穗冰草(Agrogyronelongatum)在Cd的脅迫下，根系分泌的草酸、檸檬酸和蘋(píng)果酸等有機(jī)酸量也同樣呈增加趨勢(shì)[48]。草酸和檸檬酸是楊樹(shù)根系分泌物抵抗鋁毒害的主要有機(jī)酸成分[49]。

根系分泌物對(duì)鎘間接作用是通過(guò)影響根系微生物數(shù)量和微生物活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根系分泌物為微生物提供有效的碳源和氮源[50]，根系分泌物-糖類(lèi)和氨基酸等有機(jī)物能夠被根系微生物利用，使根際土壤氧化還原能力低于非根際土，從而改變根際土壤中變價(jià)重金屬如Cd、Cu等[51]。另有研究表明，酶類(lèi)能改變根際土壤氧化還原狀態(tài)，對(duì)植物鎘毒害起到緩解作用；糖類(lèi)會(huì)以碳源形式刺激微生物增殖，而酚類(lèi)化合物會(huì)以化感作用方式抑制其繁殖，如酚酸會(huì)掩蓋簡(jiǎn)單糖類(lèi)物質(zhì)對(duì)微生物的碳源刺激作用，從而引起微生物利用不同碳源能力的差異性，影響微生物在土壤中的作用能力[52]。在Cd等重金屬脅迫下，根際微生物可以通過(guò)分泌有機(jī)物來(lái)吸附、溶解或螯合Cd等重金屬，如微生物在代謝過(guò)程產(chǎn)生檸檬酸、草酸的有機(jī)物與Cd形成較穩(wěn)定螯合物和草酸鹽沉淀，微生物的細(xì)胞壁及粘液層可直接參與Cd在土壤中發(fā)生的吸附、固定反應(yīng)。此外，微生物的生理活動(dòng)產(chǎn)生H2S，與Cd形成難溶的硫化物或改變根際土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)等方式來(lái)吸收或固定Cd，進(jìn)而降低其生物學(xué)毒性。相反，微生物在代謝過(guò)程中能產(chǎn)生諸多種類(lèi)的有機(jī)酸，對(duì)根際環(huán)境中的Cd具有一定的活化作用[20]。

3 水分管理模式對(duì)水稻鎘積累的影響

水分管理是水稻生產(chǎn)中最重要的農(nóng)藝措施之一。大量研究表明，不同水分管理模式對(duì)水稻籽粒鎘含量有顯著影響[53～55]。淹水厭氧條件下，水稻根表自然形成鐵膜，對(duì)土壤Cd具有吸附和吸收作用，進(jìn)而影響水稻對(duì)Cd的吸收。Liu等[56]研究發(fā)現(xiàn)，根表鐵膜的形成促進(jìn)了水稻對(duì)Cd的吸收，而Du等[57]的研究結(jié)果與其相反；劉侯俊等[58]則認(rèn)為鐵膜的形成不影響水稻植株對(duì)鎘的吸收。胡瑩等[59]認(rèn)為，鐵膜的作用方向取決于膜的形成量、老化程度及水稻品種對(duì)Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，可通過(guò)不同生育期的管理調(diào)節(jié)水稻根表鐵膜的形成，減少Cd向稻谷中轉(zhuǎn)運(yùn)。

崔曉熒等[53]、Hu等[54]研究發(fā)現(xiàn)，不同水分管理模式對(duì)水稻生長(zhǎng)及重金屬Pb、Cr、Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移作用影響顯著，淹水灌溉較干濕交替灌溉降低了重金屬Pb、Cr、Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)的遷移能力，降低了水稻對(duì)重金屬的吸收。Tian等[55]研究了水稻全生育濕潤(rùn)灌溉、灌漿前濕潤(rùn)灌溉灌漿后淹水灌溉、灌漿前淹水灌溉灌漿后濕潤(rùn)灌溉和全生育期淹水灌溉4種灌溉方式對(duì)水稻的影響發(fā)現(xiàn)，對(duì)比全生育期濕潤(rùn)灌溉，其余3種灌溉模式顯著降低了水稻各部位的Cd含量，認(rèn)為在水稻Cd積累關(guān)鍵時(shí)期(灌漿期)淹水灌溉有利于降低籽粒Cd含量。石立臣[60]認(rèn)為，抽穗期淹水和整個(gè)生育期淹水可以顯著降低糙米中的Cd含量與積累量，其中又以整個(gè)生育期淹水降幅最大，更進(jìn)一步表明采用淹水處理可以降低土壤Cd的生物有效性。李鵬[61]通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同水分處理的糙米Cd含量順序?yàn)椋翰还嗨底?間歇灌溉>全生育期淹水灌溉?？梢?jiàn)，淹水灌溉是降低水稻鎘吸收積累的有效措施。淹水條件下，稻田土壤性質(zhì)發(fā)生變化、水稻根系分泌物、微生物等交叉影響土壤Cd活性，進(jìn)而影響水稻對(duì)鎘的吸收[14]。

4 溫度對(duì)水稻鎘積累的影響

溫度作為生物機(jī)能的一種動(dòng)力，影響植物的蒸騰、水勢(shì)、吸收、休眠、新陳代謝和生長(zhǎng)發(fā)育，以及幾乎所有的酶促反應(yīng)等[62]。溫度同時(shí)也是影響水稻籽粒鎘積累的重要因子[63]，它是通過(guò)影響土壤固-液相表面反應(yīng)、土壤理化性質(zhì)、微生物過(guò)程等來(lái)改變土壤中重金屬的形態(tài)與分布，從而影響重金屬在土壤中的環(huán)境行為及其植物有效性[64]。黨秀麗等[65]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中外源鎘添加量達(dá)到10 mg/kg時(shí)，10～30℃條件下土壤中的鎘以交換態(tài)為主，-30℃條件下土壤中的鎘以殘?jiān)鼞B(tài)為主。王金貴等[66]認(rèn)為，溫度升高會(huì)促進(jìn)土壤對(duì)鎘的吸附速率和吸附量。

溫度對(duì)重金屬的生物有效性會(huì)因不同物種或同種物種的不同生育期的生物學(xué)特征的不同，從而表現(xiàn)出不同的結(jié)果。當(dāng)早、晚稻土壤鎘含量相同時(shí)，晚稻米鎘含量高于早稻[67]。何洋等[64]通過(guò)盆栽研究溫度對(duì)不同耐鎘型水稻品種糙米鎘含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，早晚稻穩(wěn)定型品種在不同溫度下糙米鎘含量的變化幅度均明顯低于變異型品種；分蘗期和灌漿期是溫度影響水稻對(duì)鎘吸收的敏感時(shí)期，生育前期低溫處理及生育后期高溫將促進(jìn)水稻籽粒對(duì)鎘的積累。其原因可能為：水稻生育前期低溫導(dǎo)致水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，使得水稻全生育期延長(zhǎng)，從而使得水稻植株的鎘總積累量增加，最后通過(guò)水稻的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及分配增加了水稻籽粒中的鎘含量。而水稻生育后期高溫處理使水稻的蒸騰速率加快以及參與各項(xiàng)生理反應(yīng)的酶及功能蛋白的活性增加，加快了水稻植株體內(nèi)與鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配相關(guān)的生理生化反應(yīng)，使得籽粒中的鎘含量增加。另有報(bào)道表明，溫度升高必然增加植物的蒸騰作用，從而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，但是溫度升高同樣也會(huì)導(dǎo)致植物的生物量增大，從而稀釋植物不同器官中的重金屬含量[68]。Ge等[69]認(rèn)為，溫度升高增加了葉片的蒸騰作用，促進(jìn)了Cd從根向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)，促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)液到上層的木質(zhì)部流動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)了Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)，顯著提高水稻鎘積累量。

5 展望

不同土壤類(lèi)型、土壤鎘濃度均可影響水稻對(duì)鎘的吸收，水稻種植在質(zhì)地較輕的土壤中具有較高耐鎘性，稻米鎘含量與土壤鎘濃度呈正相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)含量影響土壤鎘的活性，一方面，DOM的高活性及其與Cd2+螯合都會(huì)導(dǎo)致Cd活性升高；另一方面，POM對(duì)Cd具有很強(qiáng)的富集能力，降低Cd的生物有效性，降低水稻對(duì)Cd的吸收。在堿性環(huán)境或還原狀態(tài)下，土壤Cd活性較低，被水稻吸收的Cd減少；水稻根系分泌物當(dāng)中某些特殊有機(jī)酸和重金屬結(jié)合蛋白對(duì)根際環(huán)境中的Cd有影響，同時(shí)，根系分泌物可通過(guò)影響根際微生物的活動(dòng)和生理反應(yīng)來(lái)減輕Cd的毒害作用。淹水灌溉是降低水稻鎘積累的有效途徑。高溫可使水稻的蒸騰速率加快以及參與各項(xiàng)生理反應(yīng)的酶及功能蛋白的活性增加，加快了水稻植株體內(nèi)與鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配相關(guān)的生理生化反應(yīng)，使得籽粒中的鎘含量增加。

土壤酸堿度、氧化還原電位、土壤有機(jī)質(zhì)含量、根系分泌物、水分管理均通過(guò)影響土壤中鎘的活性和生物有效性，進(jìn)而影響水稻鎘積累，其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

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)，水稻鎘污染問(wèn)題的研究與解決對(duì)于農(nóng)田的可持續(xù)利用、作物合理布局和稻米安全具有極其重要的意義，更是響應(yīng)了國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略的重要目標(biāo)。解決稻米鎘污染應(yīng)當(dāng)穩(wěn)妥、科學(xué)、可持續(xù)地進(jìn)行，可以從以下方面進(jìn)行研究：1)開(kāi)展農(nóng)田鎘生物修復(fù)技術(shù)的系統(tǒng)研究，篩選適用并能大面積推廣的鎘高富集植物，從綠色、生態(tài)角度修復(fù)土壤鎘污染，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤鎘修復(fù)和土壤資源可持續(xù)利用；2)降鎘綜合栽培技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究應(yīng)圍繞控制鎘積累的途徑開(kāi)展，加快農(nóng)藝措施降鎘機(jī)理，因地制宜地采用適當(dāng)栽培措施，在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，提高稻米的安全品質(zhì)；3)探明Cd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、鎘低積累穩(wěn)定型品種選育。