栽培條件對水稻鎘積累的影響研究進展

李先喆，徐慶國，劉紅梅

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

水稻是中國主要的糧食作物之一，我國年均稻谷產(chǎn)量1.85 億t，稻谷產(chǎn)量占到了我國糧食總產(chǎn)量的40%，約占世界稻谷總產(chǎn)量的35%。我國作為世界最大的稻米生產(chǎn)國與消費國，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重，特別是重金屬元素鎘（Cd）因其具有在土壤中活性強、易轉(zhuǎn)移、高毒性等特點，已成為危害我國水稻生產(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理的同時，改善和降低水稻生態(tài)栽培環(huán)境條件的鎘積累，是我國水稻科技領(lǐng)域的重要課題?，F(xiàn)將生態(tài)栽培條件對水稻鎘積累的的影響研究與進展綜述成文，以資參考。

1 土壤對水稻鎘積累的影響

1.1 土壤類型

我國幅員遼闊，土壤類型繁多，不同類型土壤對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。孫聰?shù)萚4]采用溫室盆栽實驗測定了不同鎘污染土壤對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有顯著性差異。而在相同鎘濃度處理下，酸性祁陽紅壤中水稻的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為紅壤＞青紫泥＞烏柵土。由此可見，土壤類型對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水稻的毒害[7]。有分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤pH 值在1～2 時，水稻植株對鎘的吸收隨pH 值的升高顯著增加；當(dāng)土壤pH 值在2～6 時，水稻對鎘的吸收速率趨于穩(wěn)定，這說明在一定土壤pH 值范圍內(nèi)，水稻莖稈對鎘的吸收不受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)合位點與吸附的形態(tài)、溶解性及移動性；在低pH 值條件下，Cd2+與高濃度的H+競爭土壤重金屬載體的結(jié)合位點，減少了土壤對鎘的吸附，有效態(tài)鎘含量升高，因而水稻根部的鎘濃度增大，從而增加了水稻對鎘的吸收。宋文恩等[10]分析了我國8種不同性質(zhì)土壤的pH值與鎘對水稻毒性閥值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人們健康危害的風(fēng)險。

2 施肥對水稻鎘積累的影響

2.1 有機肥

水稻對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型差異外，施肥是影響水稻植株體內(nèi)鎘含量一個重要因素。江巧君等[11]研究表明，有機肥能通過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輸，來降低其根系、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鎘的吸收積累。王陽等[13]研究指出，紫云英還田對土壤鎘的有效態(tài)無顯著影響，但可顯著降低水稻籽粒對鎘的積累，并提高土壤肥力，且用量以30 000 kg/hm2為宜。

有機肥可促使土壤中交換態(tài)的鎘向結(jié)合有機態(tài)鎘、錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘轉(zhuǎn)化。有機肥對鎘污染土壤的改良原理包括3 點：（1）土壤施入有機肥后，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）有機肥通過影響土壤的一些基本性狀來產(chǎn)生間接的作用，例如施豬糞能提高土壤的pH 值，使土壤膠體負電荷增加，并減弱H+的競爭作用，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)，長期施用有機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肥種類不同，使其對腐殖酸芳香結(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，可能是水溶性有機質(zhì)（DOM）中富含的羧基和羥基等配位體通過與鎘形成的配合物，抑制了土壤對鎘的吸附，增加了其移動性，因此施用有機肥后能顯著提高土壤溶液中交換態(tài)和有機結(jié)合態(tài)的鎘含量[18-19]。

綜上所述，有機肥對水稻鎘積累的影響因土壤種類、有機肥種類、有機肥用量、施肥時間以及水稻基因型種類而異[20]，不同有機肥對水稻鎘有效性的影響機理仍待進一步探究。

2.2 無機肥

2.2.1 氮磷鉀肥 氮肥作為農(nóng)業(yè)施肥的主要項目，對土壤中鎘的有效性有重要影響，不同氮肥對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，促進水稻等作物對鎘等重金屬的吸收，而銨態(tài)氮的作用則剛好相反。孫磊等[24]通過盆栽試驗發(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，作物對鎘的吸收與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，并強調(diào)要控制氮肥的用量（120 kg/hm2），在保證產(chǎn)量的同時，減少重金屬的潛在危害[25]。

磷是作物生長所必需的元素之一，適量的磷肥對保障作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量有不可替代的作用，但過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，從而增加作物對鎘的吸收和積累。由于磷肥對土壤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，pH 值升高，鎘的生物有效性降低[30]。所以，在施用磷肥時，應(yīng)考慮不同磷肥的化學(xué)性質(zhì)及土壤性質(zhì)的差異。

鉀肥對土壤中鎘有效性的影響，同樣表現(xiàn)在通過與土壤的化學(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，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，還能夠通過降低葉片的質(zhì)膜通透性，來緩解鎘對水稻的毒害作用[32-33]。黃秋嬋等[34]、Putwattana 等[35]研究顯示，硅能夠顯著減少水稻對鎘的吸收量，抑制鎘的向上運輸，增加鎘在細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)皮層及纖維層細胞附近，阻塞了細胞壁孔隙度，影響鎘的質(zhì)外體運輸，抑制了鎘的轉(zhuǎn)移，進而減輕鎘的毒害[36]。陳喆等[37]研究結(jié)果表明，無論基施硅肥、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劑促使水稻增產(chǎn)。

鈣、鎂、硫、鐵、錳、硼等作物必需的中微量營養(yǎng)元素，對水稻鎘積累也有不同程度的影響。胡坤等[41]采用盆栽試驗發(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 則能通過抑制鎘從秸稈向水稻籽粒的轉(zhuǎn)移來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，促進鎘的絡(luò)合；Se 還能改變鎘在根亞細胞的分布，增強鎘在根細胞壁上的吸附，從而降低水稻對鎘的吸收。

3 水分對水稻鎘積累的影響

除了施肥對水稻鎘積累的影響外，水分管理也會影響水稻對鎘的吸收和積累。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鐵沉淀進而形成鐵氧化膜，而根表鐵膜可以通過吸附土壤中的鎘來減少水稻對鎘的吸收[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，從而促進了水稻根系對鎘的吸收和積累[22,45]。紀雄輝等[46]研究表明，隨著淹水時間和水量的增加，水稻根表吸附的還原態(tài)Fe2+、Mn2+以及S2-含量顯著提高，因而加強了重金屬離子與Cd2+的競爭吸附土壤膠體及水稻根表不同的吸附位點，從而降低了鎘在土壤中的有效性。張雪霞等[47]通過盆栽試驗，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，可有效降低水稻莖葉、糙米中的鎘含量。

4 展望

無論是施肥還是淹水，都是通過影響土壤的pH值、氧化還原電位（Eh）、有機質(zhì)含量和土壤中的共存陽離子等影響水稻的鎘積累，其不同的影響機理還有待進一步研究。而隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對稻米的品質(zhì)要求日益提高，衛(wèi)生安全意識逐漸加強，在認清當(dāng)前鎘污染現(xiàn)狀的同時應(yīng)采取積極措施來改善當(dāng)前農(nóng)田污染所面臨的嚴峻形勢：（1）運用先進的生態(tài)栽培方式，針對不同地區(qū)土壤種類、水稻基因型的差異，采取合理的施肥、灌溉方式；（2）加強受污染地區(qū)農(nóng)田的治理和修復(fù)，在保證水稻產(chǎn)量的同時，降低水稻籽粒的鎘積累，提高稻米衛(wèi)生與商品品質(zhì)；（3）探明鎘脅迫對水稻生長發(fā)育、生理生化及品質(zhì)的影響機理，加快耐鎘、低鎘富集水稻品種的選育。

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