林紅梅 林瑞余

摘?要：重金屬是影響土壤環(huán)境質量的主要污染物。鎘由于移動性強、生物毒性高等特點，容易被作物吸收、遷移，從而通過食物鏈傳遞影響人體健康。在系統(tǒng)查閱國內外文獻的基礎上，從鎘低積累作物品種的選育、鎘污染土壤修復及農(nóng)藝調控技術等方面綜述農(nóng)作物調控鎘污染的關鍵技術，并探討未來農(nóng)作物鎘污染調控的研究重點及應對策略，為鎘污染耕地作物的安全生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

關鍵詞：農(nóng)作物;鎘污染;調控技術

中圖分類號：X 53?文獻標志碼：A?文章編號：0253-2301（2021）09-0069-07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.09.012

Research Progress on the Key Techniques for Regulating andControlling the Cadmium Pollution in Crops

LIN Hong?mei?1， LIN Rui?yu2*

（1. Institute of Oceanography， College of Geography and Oceanography， Minjiang University，

Fuzhou， Fujian 350108， China; 2. College of Life Sciences， Fujian Agriculture and

Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： Heavy metals are the main pollutants affecting the soil environmental quality. Cadmium （Cd） is easily to be absorbed and transported by the crops due to its strong transferability and high biological toxicity， thus affecting the human health through the food chain. Based on a systematic review of domestic and foreign literatures， the key technologies for regulating and controlling the cadmium pollution in crops were reviewed from the aspects of the selection of crop varieties with low Cd accumulation， the remediation of Cd contaminated soil and agronomic control techniques. In addition， the research focus and countermeasures for regulating and controlling the cadmium pollution of crops in the future were discussed， so as to provide reference for the safe production of crops in the cadmium?contaminated cultivated land and the sustainable development of agricultre.Key words： Crops; Cadmium pollution; Regulation techniques

隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，尤其是鋅礦的開發(fā)，地殼中的鎘（Cadmium，Cd）大量被釋放到環(huán)境中，同時，工業(yè)三廢的不合理排放[1] 以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)含鎘生產(chǎn)資料（如污水、污泥、農(nóng)藥與化肥）的不合理利用，導致環(huán)境中鎘污染日趨嚴重[2] 。2020年，中國生態(tài)環(huán)境狀況公報指出，影響土壤環(huán)境質量的主要污染物是重金屬，且鎘被列為主要污染物之一。由于移動性強、生物毒性高等特點，環(huán)境中的鎘極易被植物吸收、積累[3] 。植物體累積少量的鎘往往無明顯的受害癥狀，但累積到一定限度時將嚴重影響植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質，并通過食物鏈傳遞影響人體健康[4-5] 。鎘具有致畸、致癌、致突變的“三致”效應，長期過量攝入鎘超標的食品，容易引起人體蛋白尿、氨基酸尿、糖尿及軟骨病等相關疾病，農(nóng)作物鎘污染問題已引起人們的高度重視[6] 。因此，研究農(nóng)作物鎘污染防控技術，降低農(nóng)產(chǎn)品中的鎘含量，對保障人們身體健康和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)至關重要。本文主要從鎘低積累作物品種的選育、鎘污染土壤的修復及農(nóng)藝調控技術3個方面闡述作物鎘污染調控的關鍵技術，為減輕農(nóng)業(yè)污染、保障農(nóng)業(yè)質量安全和可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考和借鑒。

1?鎘低積累作物品種的選育

1.1?常規(guī)選育技術

農(nóng)作物低積累品種的選育是重金屬污染土壤安全利用的最簡單、最經(jīng)濟的方法。鎘低積累糧食作物以及蔬菜、水果等經(jīng)濟作物的研究已取得大量品種。常規(guī)選育技術選育出的鎘低積累的糧食作物有水稻[7-8] 、小麥[9] 、大麥[10] 、玉米[11] 、高粱[12] 等，尤其是水稻不育系瀘98A[13] 、W115S[14] 、恢復系R1195[14] 、R1514[14] 等低鎘親本成功選育，為鎘低積累雜交稻親本改良和組合選育提供優(yōu)良的遺傳基礎。目前，已有部分鎘低積累作物品種通過審定并推廣應用，如水稻品種瀘優(yōu)9803等[15] ，命名為“Strongfield”，鎘低積累的硬質小麥也于2004年在加拿大被授權商品化使用[16] 。經(jīng)濟作物上，大白菜[17] 、番茄[18] 、甜瓜[19] 、蘿卜[20] 、菜心[21] 等一系列的低鎘品種已被成功選育。

1.2?現(xiàn)代育種技術

現(xiàn)代育種技術也是獲得低鎘新種質的有效途徑。研究顯示，通過離子束輻射的誘變育種技術已獲得3個鎘低積累的水稻OsNRAMP5突變體[22] ，通過甲基磺酸乙酯（EMS）誘變育種技術也已獲得lcd1突變體植株[23] 。在分子育種方面，Zhang等[24] 將水稻OsHMA3基因過表達到小麥中，獲得的過表達OsHMA3轉基因小麥鎘從根向地上部的轉運降低近10倍，籽粒鎘累積減少96%。ZAID等[25] 通過全基因組關聯(lián)分析等方法獲得5個具有鎘低轉運系數(shù)的小麥，平均轉移系數(shù)為0.03，結合田間試驗進一步確定Yannong0428品種可作為鎘低育種的候選材料。類似的，Yan等[26] 利用全基因組關聯(lián)分析等技術獲得一個攜帶粳型等位基因OsCd1?V449?秈稻品系，該品系可降低籽粒鎘的積累。此外，基于基因敲除技術獲得lcd鎘低積累的水稻突變體，連續(xù)2年大田收獲的突變體籽粒鎘降低55%和43%[27] 。影響作物鎘積累性狀的因子除基因主效應外，基因型與環(huán)境互作效應也是重要的影響因子[28] 。因此，在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，必須科學合理地評價和利用低積累作物品種。

2?鎘污染土壤的修復調控技術

土壤修復調控技術主要是基于去除、穩(wěn)定和固定等策略，利用物理、化學及生物的方法將土壤鎘污染物轉移或降低，其最終目的是降低土壤鎘污染對土壤環(huán)境和植物的影響。

2.1?鎘污染土壤的物理修復

常用的物理修復技術有客土法、換土法、電動力修復法等。客土法、換土法是指用健康無污染的凈土覆蓋、替換污染地的舊土，達到降低土壤污染物濃度的目的?？屯练āQ土法等早期在日本應用較為廣泛，該法操作簡單，效果顯著，但是工程量大、成本高。2008年日本農(nóng)林水產(chǎn)省（MAFF）報告顯示，采用客土法修復的27.3 hm?2水田耗資最少達5200?萬日元，約合人民幣300萬·hm-2?[29] 。此外，受污染土壤在換土轉移的過程中還可能產(chǎn)生二次污染。目前，客土法、換土法等在我國大范圍應用較少，僅見用于小面積的重度重金屬污染地的修復。電動修復技術主要是污染土壤中重金屬離子在外源電極的作用下，通過電泳、電遷移及電滲透等方式向電極移動并富集。由于受污染的土壤成分比較復雜，單純的電動修復往往修復效率低，應用效果不理想。此外，土壤物理修復技術普遍影響土壤結構，而且高能耗、高工程量等因素限制其無法大規(guī)模的應用。

2.2?鎘污染土壤的化學修復

土壤化學修復法主要包括淋洗法與鈍化法。淋洗法主要是通過化學淋洗劑與土壤結合，通過解析、螯合、溶解及固定等過程，將土壤中重金屬離子分離、處理。常見的淋洗劑有無機溶劑、螯合劑、表面活化劑等。Juwarkar等[30] 將鎘污染土壤經(jīng)鼠李糖脂淋洗36 h后，鎘去除率達92%。實際應用中，淋洗法對滲透性要求較高，土壤粘土含量達25%～30%時，淋洗法一般不適用，而且，淋洗后的廢液容易引起土壤二次污染，限制了該技術的應用推廣。原位鈍化技術是指在污染土壤中外源添加鈍化劑，通過沉淀、離子交換與吸附、有機絡合及氧化還原等作用，改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)、高移動性及生物有效性，從而減少植物對重金屬的富集。目前，市面上的土壤鈍化劑包括無機鈍化劑、有機鈍化劑和新型鈍化劑等類型。鎘污染農(nóng)田種植小白菜的研究表明，無機鈍化劑鈣鎂磷肥降低土壤有效態(tài)鎘達82.94%[31] ;鎘污染農(nóng)田的水稻研究表明，施用石灰等12種土壤鈍化劑后，糙米鎘降幅為7.82%～69.44%[32] ，不同鈍化劑施用方式對鈍化效果也存在一定的影響，水稻直播前施石灰和孕穗拔節(jié)期噴施硫酸鋅相結合以及不同鈍化劑混施均能顯著降低土壤有效態(tài)鎘，進而降低稻米鎘含量[33-34] 。近些年，生物質炭等新型鈍化劑，由于價格低廉、來源廣泛以及修復潛力大等優(yōu)點，普遍受到青睞。研究顯示，施用1000kg·hm-2生物質炭可降低糙米鎘含量達39.76%[35] ;施用4.5%桑樹枝稈生物炭對稻米鎘的降幅達74.70%[36] 。無論采用無機、有機還是新型鈍化劑，其修復鎘污染土壤的持續(xù)效益及可能導致的潛在環(huán)境風險均需要加以綜合評價。

2.3?鎘污染土壤的生物修復

土壤的生物修復主要包括植物修復與微生物修復。植物修復由于操作簡單，經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點備受人們關注，技術的關鍵是高效富集植物的篩選。迄今，國內外已報道的超富集植物有721種[37] ，其中鎘超富集植物有東南景天、龍葵、印度芥菜、鬼針草及青葙等。研究顯示，鎘污染土壤濃度為400 mg·kg-1時，超富集植物東南景天地上部可富集鎘達3000mg·kg-1[38] ;超富集植物龍葵對低中度重金屬污染的蔬菜地鎘積累量為9.39 mg·kg-1[39] ;印度芥菜對復合污染地鎘去除率為0.35%～9.22%[40] ;藿香薊和鬼針草具有穩(wěn)定的鎘累積特性，種植藿香薊三茬后土壤鎘的去除率為13.2%～15.6%;種植一茬鬼針草的鎘去除率為4.3%～6.2%[41-42] 。超富集植物青葙能富集水溶性鎘和難溶性鎘兩種形態(tài)，說明青葙可改善不同形態(tài)鎘污染的土壤[43] 。盡管東南景天等少數(shù)幾種超富集植物已實際運用于土壤修復，但是超富集植物普遍都存在生物量小或地域性強等問題，尋找生物量大、富集能力強、修復效率高的高生物量富集經(jīng)濟植物是土壤植物修復走向實際應用的關鍵。郭艷麗等[44] 指出楊樹和柳樹具有比其他幾種木本植物高的地上部富集系數(shù);污染大田栽培煙草第80 d時，煙草去鎘率高達17.6%[45] ;甘藍型油菜修復鎘污染地最短周期最短為3個月[46] 。無論是超富集植物或高生物量富集植物，兩者同樣面臨修復效率的問題，因此，因地制宜地選擇合適的修復植物，實現(xiàn)修復效率最大化。

土壤微生物修復指利用土壤微生物的活性，通過胞內積累、胞外絡合和沉淀等方式改變土壤重金屬的遷移和轉化，從而降低土壤重金屬對植物的毒性。其技術地關鍵在于高效菌株的篩選。目前已篩選到的鎘富集土壤微生物主要包括假單胞菌和芽孢桿菌等細菌以及叢枝菌根真菌等。研究顯示，從水稻根際土分離的3株假單胞菌屬耐鎘細菌在100 mg·L-1鎘培養(yǎng)條件下的富集系數(shù)分別為90.4、49.6和285.8[47] ;從玉米根際土篩選到的鎘耐性假單胞菌在50 mg·L-1?鎘培養(yǎng)基中鎘的去除率為58.9%，該假單胞菌顯著降低盆栽小麥地上部鎘含量、富集系數(shù)及籽粒鎘的轉移系數(shù)[48] 。從礦區(qū)土壤篩選獲得的芽孢桿菌耐鎘細菌鎘最大吸附量達3900mg·L-1[49] 。另有研究顯示，叢枝菌根真菌可降低植物對鎘的富集作用，將摩西斗管囊霉和根內根孢囊霉接種到鎘污染的水稻土中，鎘轉運系數(shù)均顯著降低80%[50] ;將叢枝菌根真菌接種到鎘污染的小麥土中，則減少鎘向地上部遷移[51] 。土壤微生物修復由于成本低、效率高，且不存在二次污染的問題，目前應用前景廣闊。

3?農(nóng)藝調控技術

3.1?優(yōu)化農(nóng)田水肥管理

水分管理措施降低植物對鎘的吸收主要是通過改變土壤pH以及氧化還原電位、陽離子交換量等土壤理化性質，進而改變土壤中有效態(tài)鎘的形成，減少重金屬從土壤向作物。研究表明，水田落干可引起糙米鎘含量增加，抽穗后落干增加12倍[52] ，開花后落干則增加8倍[53] ;全生育期淹水栽培下糙米鎘的降幅高于孕穗后淹水及常規(guī)栽培[54] ，由此可見，全生育期淹水栽培是水稻植株鎘調控的最佳的灌溉方式。

生產(chǎn)上，科學合理施肥有益于降低植物對重金屬鎘的吸收。常用的肥料包括N肥、P肥、K肥、復合肥、微量元素肥料以及各種有機肥等。研究顯示，水稻移栽14～21 d施N肥可通過根系鐵錳氧化物膜量的提高來降低糙米鎘含量[55] ;始穗期、齊穗期及灌漿期施用N肥，齊穗期和灌漿期分別是降低早、晚稻籽粒鎘的最佳施肥時間[56] 。董克虞等[53] 研究顯示，磷鉀肥和硫銨肥的施用可降低蘿卜氨塊根、葉對鎘的吸收。此外，增施Si肥、Se肥及有機肥也可減少作物鎘含量[57-58] 。另有研究顯示，有機肥可降低土壤pH，增加有機質含量，而且生物有機肥和腐植酸有機肥可抑制小麥根系對鎘富集以及鎘向籽粒轉運[59] 。由于不同類型的肥料組成不同，導致其與土壤作用的機制不同，對植物鎘污染的調控效果也存在差異。綜合考慮植物特性以及土壤類型，部分肥料將可能被優(yōu)化改良成為植物防控鎘污染的改良劑。

3.2?噴施葉面阻控劑

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可根據(jù)植物的特點，應用不同類型的葉面阻控劑阻控植物對鎘的富集，降低鎘從地下部向地上部的遷移，減少植物可食部分鎘的累積。葉面肥即是一種被公認的葉面阻控劑，常見的葉面肥有Si肥、Zn肥、Fe肥等。葉面噴施Si肥可促進植物生長發(fā)育，提高植物鎘抗逆性;油菜噴施Zn肥最高可降低植株41.38%的鎘含量[60] ;葉面噴施Fe肥可降低水稻糙米鎘含量達32.66%，盆栽及大田研究進一步顯示，以Fe葉面肥作為鎘阻控劑時應根據(jù)土壤污染程度以及植物栽培方式選擇合適的類型[61] 。除葉面肥外，其他葉面阻控劑也是植物鎘污染調控的有力措施。研究顯示，亞麻葉面噴施1.2、2.4 mmol·L-1?檸檬酸和0.6、1.2 mmol·L-1蘋果酸均可減少其植株地上部鎘含量[62] ;葉面噴施MnSO4和ZnSO4可引起小麥籽粒鎘含量顯著降低，降幅最大可達47.45%[63] ;水稻葉面噴施二巰基丁二酸（DMSA），可阻斷鎘離子向地上部及籽粒轉運[64] 。值得注意的是，葉面阻控劑阻隔鎘對栽種的植物毒害時，應根據(jù)阻控劑的有效成分選擇適宜的高效阻控劑，而且要綜合考慮噴施濃度、噴施時間及優(yōu)化噴施方法。

3.3?合理選擇間套作及輪作

高富集鎘植物與經(jīng)濟作物間套作在實際運用中具有明顯的優(yōu)勢，其原理主要是利用不同生態(tài)位下兩者對鎘的富集差異以及時空資源互補特性，有效的間套作可防止作物從污染土壤中吸收過多的鎘。研究顯示，黑麥草和酸模分別與油菜的間作處理可通過降低土壤pH，提高有機質及全N等方式減少油菜莖、籽粒鎘的富集，適合輕度污染的土壤生產(chǎn)及修復[65] 。玉米與超富集植物龍葵、富集植物黑麥草及莧菜的間作種植能夠抑制主栽玉米對鎘的吸收及向地上部遷移，其中，龍葵與玉米的間作效果優(yōu)于黑麥草、莧菜與玉米的間作，表現(xiàn)為玉米各器官鎘含量、富集系數(shù)及轉運系數(shù)均顯著下降[66] 。由于競爭性吸收的原因，超富集植物東南景天和作物玉米半透膜分隔的套種模式顯著促進東南景天富集更多鎘，但降低玉米莖葉鎘[67] 。雖然超富集植物與經(jīng)濟作物的間作模式可兼顧作物的安全生產(chǎn)和修復效率，但是部分間作模式仍存在作物果實或地上部鎘含量比單作高，因此，生產(chǎn)上間作的兩種植物要合理選擇，保證作物安全生產(chǎn)的同時，提高超富集植物的修復效率。

輪作是指在同一塊田地上有順序輪換種植不同作物或不同復種方式的種植方法。生產(chǎn)上有利用常規(guī)作物進行輪作種植，也有利用高富集植物進行輪作種植。連續(xù)2年幾種常規(guī)糧油作物輪作顯示，油菜-水稻輪作模式中前茬油菜可降低后茬水稻70.2%鎘含量，而且油菜-水稻輪作模式經(jīng)濟效益最高，適合輕、中度鎘污染田種植模式[68] 。連續(xù)2年的雙季稻區(qū)晚稻選種玉米的種植模式是保障我國糧食安全的最佳輪作制度[69] 。將傳統(tǒng)的山野菜掃帚菜與大白菜、小白菜輪作，結果表明，經(jīng)掃帚菜種植后的土壤總鎘降低6.02%～13.60%，盆栽輪作進一步顯示，掃帚菜與白菜輪作中的白菜鎘含量比單作的白菜低17.21%，符合邊生產(chǎn)邊治理的綠色發(fā)展理念[70] 。生產(chǎn)上，在鎘污染土壤修復過程中引入輪作模式，不僅可以改善土壤的生態(tài)環(huán)境，增強植物修復效率，還能實現(xiàn)一定的經(jīng)濟效益。

3.4?改變耕作措施

我國常規(guī)的翻耕、深松和旋耕耕作方式主要是將重金屬含量高的表層土與重金屬含量低的下層土充分混合，從而稀釋耕作層土壤重金屬濃度，達到降低作物對重金屬的吸收的目的。適用于旱地表層土污染修復[71] 。與翻耕、深松和旋耕相比，在重金屬防控上，免耕的生態(tài)與經(jīng)濟效益更為突出。連續(xù)2年以上雙季免耕糙米鎘含量低于翻耕及旋耕[72-73] 。2016年農(nóng)業(yè)部等印發(fā)《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》表明休耕是重度鎘污染區(qū)修復的有力措施，值得注意的是，連續(xù)多年休耕模式下，需要優(yōu)先考慮種植生物量高、富集能力強的植物，達到“藏糧于地”目的。

4?展望

農(nóng)作物鎘污染防控在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是一項系統(tǒng)的工程，需要從多方面采取措施。首先是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入品管控，加強農(nóng)藥、化肥等農(nóng)資產(chǎn)品重金屬的監(jiān)測工作，減少鎘污染物向農(nóng)田輸入，從源頭上減少含鎘產(chǎn)品對農(nóng)作物生產(chǎn)的污染。其次，對輕中度污染的農(nóng)田，應樹立生態(tài)修復理念，建立綠色的環(huán)境友好型的修復手段，在綜合考慮修復效率、修復周期及修復成本的基礎上，優(yōu)先選用鎘低積累品種，結合良好的農(nóng)藝調控技術，做到邊生產(chǎn)邊修復。對于鎘重度污染區(qū)，可借鑒湖南試點休耕區(qū)的經(jīng)驗，階段性推進耕地土壤風險評估工作。再次，科研工作者應積極利用分子生物學手段篩選、改良超富集植物及土壤鎘微生物，開發(fā)高生物量的超富集植物及高效的鎘富集微生物菌種，構建相應的土壤鎘修復的生物資源庫。同時，應加快低鎘農(nóng)作物品種的種質資源庫的建立，創(chuàng)制豐富的低鎘作物品種滿足不同地域作物生產(chǎn)的需求。此外，隨著人們對調控技術的不斷探索，發(fā)現(xiàn)單一的調控技術普遍效果不佳，而多種調控措施結合，從時空尺度上充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可最大限度地降低植物對土壤鎘的吸收、積累?？傊?，農(nóng)作物安全生產(chǎn)是一項關系到人口和社會可持續(xù)發(fā)展的保障工程，筑牢農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)防線，實現(xiàn)鎘污染耕地經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益。

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（責任編輯：柯文輝）