向焱赟，伍 湘，張小毅，張玉盛，肖 歡，敖和軍

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

近年來(lái)，由于工業(yè)“三廢”排放增加、農(nóng)用薄膜和化肥大量使用及污水用于灌溉等，使土壤重金屬污染愈發(fā)嚴(yán)重，在一定程度上影響了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境安全。水稻是我國(guó)的重要糧食作物，其安全品質(zhì)關(guān)乎國(guó)家糧食安全。鎘是水稻非必需的重金屬元素，其毒害強(qiáng)且易遷移。水稻根系吸收鎘后，通過(guò)質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑轉(zhuǎn)運(yùn)至各器官，并在器官中累積。人若長(zhǎng)期食用鎘超標(biāo)的稻米會(huì)出現(xiàn)“痛痛病”，并損害人體的肝臟、腎臟等[1，2]。據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤中鎘點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7%，且呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

葉片是水稻最重要的根外營(yíng)養(yǎng)器官，可以吸收外源物質(zhì)，并將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到各部位。葉面施肥因具有肥效好、養(yǎng)分利用率高、針對(duì)性強(qiáng)、施用方便、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于農(nóng)田生產(chǎn)中；其對(duì)調(diào)控作物重金屬吸收、增強(qiáng)作物耐重金屬性和提高作物抗逆性有較好作用[3～5]。綜合當(dāng)前的研究成果，可將現(xiàn)有的葉面阻控劑分為三大類(lèi)：非金屬元素型葉面阻控劑、金屬元素型葉面阻控劑和有機(jī)型葉面阻控劑。

1 非金屬元素型葉面阻控劑

目前研究較多的非金屬元素葉面噴施元素主要有硅、硒、磷等。這類(lèi)物質(zhì)能夠調(diào)節(jié)植物生理過(guò)程，增強(qiáng)植物抗氧化系統(tǒng)功能；提高作物葉片中葉綠素含量，促進(jìn)光合作用；促進(jìn)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；還能夠降低細(xì)胞膜透性，維護(hù)膜系統(tǒng)的完整，從而增加作物對(duì)重金屬的抗耐能力[6～8]。

1.1 硅元素型葉面阻控劑

硅是水稻不可或缺的元素，與氮、磷、鉀并稱(chēng)水稻必需的“四大元素”，可增加水稻葉面積、葉綠素含量和光合能力，提高根系保護(hù)酶活力和自由空間中交換態(tài)鎘的比重，降低細(xì)胞膜透性及自由基對(duì)細(xì)胞膜的損害，進(jìn)而抑制水稻對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)緩解其毒害[9～11]。研究發(fā)現(xiàn)，在抽穗期和灌漿期施用硅肥的降鎘效果較幼苗期施用好[12，13]。王世華等[14]發(fā)現(xiàn)，水稻噴施硅肥后，在硅結(jié)合蛋白的誘導(dǎo)下，硅在水稻根系內(nèi)皮層及纖維層細(xì)胞附近沉積阻塞細(xì)胞壁孔隙度，根系和莖葉細(xì)胞壁中的硅可以與Cd2+形成Si-Cd復(fù)合物，增加了根系對(duì)鎘的吸附和固定，顯著降低了根到第一節(jié)和第一節(jié)到穗軸的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，使籽實(shí)中鎘、鉛、銅和鋅的吸收量均顯著降低(p<0.05)。此外，噴施硅肥還能顯著增加單株有效穗數(shù)、千粒重和單株穗質(zhì)量[15～17]。黃崇玲等[18]發(fā)現(xiàn)，葉面噴施0.2%無(wú)機(jī)硅溶膠和0.2%有機(jī)硅溶膠均顯著降低了稻米鎘含量及鎘在土壤中的遷移能力，提高了水稻產(chǎn)量；兩種硅溶膠之間對(duì)糙米中鎘含量及產(chǎn)量差異不顯著；對(duì)鎘的抑制效果以噴施0.2%有機(jī)硅溶膠更好。綜合經(jīng)濟(jì)效益和食品安全考慮，無(wú)機(jī)硅膠更適應(yīng)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[14，18]。同時(shí)葉面噴施硅肥能提高植株的含水量，減弱蒸騰速率，抑制鎘在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。這些研究都證明了葉面噴施硅肥是降低稻米鎘含量的有效措施。

1.2 硒元素型葉面阻控劑

硒是植物體內(nèi)抗氧化酶(谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶)的活性中心[19]，通過(guò)改變抗氧化酶的活性提高作物的抗性[20]，增強(qiáng)與重金屬元素的拮抗作用來(lái)緩解鎘的毒性[21～23]。硒能促進(jìn)GSH(谷胱甘肽)系統(tǒng)對(duì)PCs(植物螯合肽) 的合成，使水稻體內(nèi)的鎘離子與PCs絡(luò)合，降低鎘含量；參與水稻能量代謝、蛋白質(zhì)代謝，以及與其它元素相互作用，從植物代謝活躍的細(xì)胞點(diǎn)位上移除鎘和改變細(xì)胞膜透性等方式抑制水稻各器官對(duì)鎘的吸收、遷移和累積[24～32]，緩解鎘對(duì)水稻的毒害，增強(qiáng)水稻的耐受性，但具體的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

在中低度鎘污染稻田，噴施硒肥不僅降低了稻米堊白度及鎘含量，還提高了稻米中的硒含量和整精米率[33～38]。黃青青等[39]報(bào)道，在水稻不同生育期葉面噴施硒肥與海泡石鈍化處理，可降低早晚稻秸稈、穎殼、糙米中鎘含量及富集系數(shù)。黃太慶等[40]發(fā)現(xiàn)，水稻在破口期15～30 d葉面噴施硒肥，精米中的鎘含量顯著減少。適宜的硒濃度才能發(fā)揮對(duì)重金屬的正面調(diào)控作用，若濃度太高，則會(huì)引起作物中毒。Hu等[41]發(fā)現(xiàn)，噴施0.5 mg/kg的亞硒酸鈉，降低了鎘在土壤—根表鐵膜的轉(zhuǎn)移系數(shù)。張璐等[35]試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)噴施的亞硒酸鈉濃度高于5 mg/L時(shí)，會(huì)增加鎘在孕穗期和成熟期莖葉和籽粒中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。方勇等[37]發(fā)現(xiàn)，噴施75 g/hm2和100 g/hm2硒肥，顯著降低稻米中鎘含量。此外，硒還能增加稻米中鐵元素和錳元素含量，有效地抑制水稻對(duì)銅、汞和鎘的積累[42]。對(duì)于鎘污染稻田，噴施適量濃度的硒肥不僅能提高稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，還能降低糙米鎘含量[33～40]。

1.3 磷元素型葉面阻控劑

磷素是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，通過(guò)多種途徑參與植物代謝過(guò)程[43]。其主要通過(guò)與鎘等重金屬形成磷酸鹽在植物根部細(xì)胞壁與液泡中沉積來(lái)阻止重金屬向地上部分遷移[44]；其中鎘的醋酸提取態(tài)，主要通過(guò)二代磷酸鹽與重金屬結(jié)合形成螯合物[45]，以減少鎘在植株內(nèi)的移動(dòng)性，從而降低鎘對(duì)植株的毒害。磷還可增加細(xì)胞壁的厚度從而固持更多的鎘[46]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在孕穗期葉面噴施0.3%的磷酸二氫鉀溶液可提高水稻的產(chǎn)量，降低鉛、鎘、鋅等重金屬在稻米中的積累[47]。

葉面噴施大量元素降低糙米中的鎘含量是未來(lái)的趨勢(shì)，其經(jīng)濟(jì)效益較高，且簡(jiǎn)單易操作。

2 金屬元素型葉面阻控劑

因水稻體內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的專(zhuān)一性離子通道，主要通過(guò)與其他重金屬離子通道蛋白結(jié)合進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，為此，利用競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子與鎘離子產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，抑制鎘吸收和轉(zhuǎn)移到作物可食部的農(nóng)藝調(diào)控方法，已逐漸成為鎘污染治理研究的重點(diǎn)[51～53]。眾多研究表明，適宜濃度的鋅、鑭、鈰、釹等金屬元素能夠促進(jìn)作物葉綠素和重金屬?gòu)?fù)合物谷胱甘肽、金屬硫蛋白等的合成，誘導(dǎo)POD、CAT活性的提高，降低膜脂的破壞強(qiáng)度，增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的抗性[54～57]。

鐵是植物必需的微量元素，影響葉綠體的形成、重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及生理功能[77]。水稻體內(nèi)缺鐵時(shí)會(huì)誘導(dǎo)OsNramp1、IRT1和IRT2轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，這些蛋白在轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的同時(shí)也可以轉(zhuǎn)運(yùn)鎘。葉面噴施FeSO4·7H2O能顯著增加水稻體內(nèi)Fe2+，減少轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，降低水稻體內(nèi)的鎘含量[78～80]。也有報(bào)道稱(chēng)，葉面噴施FeSO4及EDTA-Na2Fe均顯著增加了水稻根系、地上部分稻米中的鎘含量[81]。此外，F(xiàn)e2+對(duì)根際環(huán)境中的鎘活性具有調(diào)控作用，其通過(guò)形成鐵硫化物降低根表鐵膜中鎘的含量，同時(shí)鐵硫化物與鎘共同沉淀，降低水稻分蘗期至灌漿期根際土壤中鎘的活性，進(jìn)而減少水稻對(duì)鎘的吸收，而在水稻生育后期排水曬田，致使鐵硫化物氧化釋放鎘，導(dǎo)致成熟期根際土壤中的鎘活性升高[82]。

錳與鎘都是以二價(jià)的形式被植物根系吸收，二者具有相同的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。錳通過(guò)與根系形成根表鐵錳氧化膜，與鎘產(chǎn)生拮抗，進(jìn)而降低水稻根系對(duì)鎘的吸收[83，84]。尹曉輝等[84]試驗(yàn)表明，錳肥不同施用方式均能降低稻米中的鎘含量，以錳肥土施與葉面噴施相結(jié)合效果最好，糙米和谷鎘含量降幅達(dá)31.5%～41.2%。

另外還有銅、硼、鉬等，這些成分是否對(duì)作物吸收重金屬具有一定的調(diào)控作用，還需進(jìn)一步研究。

3 有機(jī)型葉面阻控劑

據(jù)報(bào)道，葉面噴施農(nóng)殘降解劑能夠使植物體內(nèi)的有害重金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)大幅度地減少了植物莖部、果實(shí)的有害重金屬含量[85]。農(nóng)殘降解劑具有降低農(nóng)作物體內(nèi)重金屬含量的功能可能有幾個(gè)原因：1)有效成分氨基酸等有機(jī)酸進(jìn)入葉片后能夠與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，使之鈍化而沉淀下來(lái)，降低了重金屬在植物體內(nèi)的遷移性，從而降低了危害；或氨基酸促進(jìn)了植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，也對(duì)重金屬起到了鈍化沉淀的作用。2)噴施葉面肥后，鎖住了葉面的水分，降低了葉面水分的蒸發(fā)，從而減弱了植物的蒸騰作用，這樣使得重金屬在作物木質(zhì)部、韌皮部?jī)?nèi)的運(yùn)輸動(dòng)力減弱，轉(zhuǎn)移到地上部分的重金屬也就大大減少。3)葉面肥內(nèi)有效成分增強(qiáng)了在重金屬脅迫下作物的代謝能力，從而提高了抗性[86]。

宋安軍[87]發(fā)現(xiàn)，水稻葉面噴施水楊酸、谷氨酸和氯化鎂能夠降低水稻根系中的鎘向地上部位富集；此外，葉片噴施丁胱亞磺酰胺(BSO)可增強(qiáng)水稻對(duì)鎘的耐受性及降低體內(nèi)的鎘濃度[88]。鄒朝暉等[34]發(fā)現(xiàn)，在水稻不同生育期葉面噴施植物營(yíng)養(yǎng)劑、熟石灰、商陸根粉能顯著降低水稻植株鎘含量和糙米鎘含量(p<0.05)；其中以分蘗期噴施降鎘效果最佳，水稻體內(nèi)鎘含量降低了19.6%～35.1%，同時(shí)也抑制了根系對(duì)鎘的吸收以及鎘在植株體內(nèi)的遷移。

葉面阻控劑對(duì)作物重金屬吸收的調(diào)控主要表現(xiàn)在兩方面：調(diào)節(jié)作物生理代謝，增強(qiáng)耐重金屬能力和在植物體內(nèi)與重金屬發(fā)生反應(yīng)，阻止重金屬向細(xì)胞質(zhì)和籽粒等關(guān)鍵部位轉(zhuǎn)移，以降低危害。

4 展望

重金屬與必需營(yíng)養(yǎng)元素之間相互影響，補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)元素后可減輕重金屬對(duì)水稻的毒害。氮、磷、鉀、硅、硒等是水稻有益的元素，葉面噴施阻控劑相對(duì)于其他調(diào)控方法來(lái)說(shuō)不僅具有經(jīng)濟(jì)高效、操作簡(jiǎn)單、不違農(nóng)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，而且還能增加產(chǎn)量、改善稻米品質(zhì)，這也使其具有了廣闊的發(fā)展前景。在未來(lái)的研究中，應(yīng)該重視以下幾個(gè)方面：

(1)將已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可通過(guò)葉面噴施達(dá)到調(diào)控作物重金屬吸收目的的元素或藥劑在其他作物上進(jìn)行試驗(yàn)，篩選出一批具有普遍適用性的元素或藥劑用于實(shí)際生產(chǎn)。

(2)開(kāi)展更廣泛的研究。如脯氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等氨基酸對(duì)增強(qiáng)作物耐重金屬能力或作物體內(nèi)重金屬遷移的影響研究，篩選有效的藥劑，并在基因水平進(jìn)行作物重金屬耐性機(jī)理研究。

(3)在單一試劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合配伍，研制出一些具有多重功能的藥劑。如既具有阻止重金屬進(jìn)入作物或產(chǎn)品又能增強(qiáng)作物抗重金屬機(jī)能，或既能夠促進(jìn)作物對(duì)重金屬吸收，又可以阻止重金屬進(jìn)入收獲部位的混合藥劑，這樣在保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的同時(shí)，又可以對(duì)土壤進(jìn)行植物修復(fù)。