重金屬鎘、鉛對小麥的影響及改良劑緩解效果研究進(jìn)展

宋淑艷，拜麗克孜·買提庫爾班

（1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384；2.和田職業(yè)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)業(yè)科學(xué)系，新疆 和田 848000）

截至2019 年底，我國小麥種植面積已達(dá)2 373 萬hm2。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，隨之帶來的環(huán)境污染問題以及生態(tài)破壞問題不容忽視，我國農(nóng)田環(huán)境整體上呈現(xiàn)惡化趨勢。從污染特征來看，重金屬離子污染是農(nóng)田土壤和水體的主要污染物[1]。對于小麥生產(chǎn)而言，由于小麥根系在一定條件下會吸收重金屬，不僅影響植物生長，還會在植物器官中富集，被人體吸收后，對人體健康造成危害。

1 重金屬來源及對人體的危害

1.1 農(nóng)田重金屬來源

1.1.1 污水灌溉 由于我國降水特點(diǎn)是南多北少，季節(jié)上分布不均勻，造成我國呈現(xiàn)缺水的態(tài)勢。加上經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致水污染，造成水源性缺水，使農(nóng)業(yè)水資源更加捉襟見肘，某些情況下使用污水或者已經(jīng)被重金屬污染的水源成為不得已的辦法。通常情況下在使用污水灌溉農(nóng)田時，污水中的重金屬離子會殘留在土壤之中。根據(jù)農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)顯示，截止到2000 年，我國的污水灌溉面積已達(dá)430 多萬 hm2[2]。由于污水灌溉導(dǎo)致的大量農(nóng)田重金屬積累問題已經(jīng)不能再被忽視。

1.1.2 大氣污染 礦物開采、重工業(yè)生產(chǎn)（如有色金屬加工、金屬冶煉）所排放的廢氣中含有大量重金屬顆粒物，這些污染物通過干沉降或濕沉降的方式從大氣進(jìn)入土壤，并且大氣污染物容易隨風(fēng)遷移造成大面積污染。

1.2 重金屬對人體的危害

鎘進(jìn)入人體內(nèi)主要分布在骨骼中，半衰期長。痛痛病就是長期食用鎘大米導(dǎo)致體內(nèi)鈣元素流失，最終患病。鎘也在人體的肝、胰腺內(nèi)分布，導(dǎo)致多種慢性疾病的發(fā)生。

慢性鉛中毒較為常見，主要是擾亂人體酶系統(tǒng)，破壞人體機(jī)能。大腦作為鉛元素的靶器官，血鉛含量如果超標(biāo)，會給神經(jīng)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的損害和影響，如造成學(xué)齡兒童智力和發(fā)育的遲緩。另外鉛還會影響人體免疫系統(tǒng)，造成人體自身免疫力的下降等。

2 鎘、鉛元素對小麥生長的影響

2.1 鎘、鉛元素對小麥種子萌發(fā)的影響

小麥種子的萌發(fā)標(biāo)志著小麥生長階段的開始，同時也是植物最早接觸重金屬的階段。據(jù)周秋峰等[3]研究，小麥發(fā)芽率、發(fā)芽勢隨鎘離子濃度升高有明顯降低的特點(diǎn)，與鎘離子濃度上升呈負(fù)相關(guān)等。但也有不同研究結(jié)論，如祝杜民[4]的研究表明，在施加低濃度鎘2 mg·L-1和5 mg·L-1的情況下，小麥發(fā)芽率較對照有所增加，呈現(xiàn)促進(jìn)作用。鎘濃度達(dá)到一定程度才會對小麥發(fā)芽產(chǎn)生明顯的抑制作用，發(fā)芽率呈逐漸下降趨勢。何俊瑜等[5]的研究表明，鎘對小麥種子萌發(fā)的影響不僅與濃度有關(guān)，還與小麥品種有關(guān)，不同小麥品種對鎘的反應(yīng)差異較大。一般情況下，鎘的化合物濃度大于50 mmol·L-1時，小麥種子生長和萌發(fā)從一開始就會受到嚴(yán)重的影響和抑制。

張雅莉和王林生[6-7]對中國春小麥、硬粒小麥的種子萌發(fā)和幼苗生長的研究表明，當(dāng)添加鉛離子50 mg·L-1時，供試小麥中音1320 品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢有所增高，較對照分別上升了4%和12.9%；而當(dāng)鉛離子濃度達(dá)到200 mg·L-1時，中音1320 品種的發(fā)芽率較對照下降了0.5%和2.2%。說明小麥種子對重金屬有一定的耐性，但超過一定限度后，隨重金屬離子濃度的增加，小麥的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)下降。

2.2 鎘、鉛元素對小麥幼苗生長的影響

研究顯示，鎘、鉛元素均對小麥幼苗生長具有脅迫作用，幼苗的根長、芽長、根長/芽長、根重、芽重、根重/芽重 6 項(xiàng)指標(biāo)均呈遞減趨勢[3]。對小麥幼苗長度和重量進(jìn)行比較，鎘、鉛對小麥幼苗長度的抑制大于對重量的抑制。從根芽比的不斷降低來看，鎘、鉛對小麥幼根生長的毒害大于對幼芽的毒害。這主要是由于小麥幼根吸附固定大量的重金屬離子，阻礙重金屬離子向地上部分遷移，減少了對芽的損傷，導(dǎo)致小麥幼根生長受抑制明顯強(qiáng)于芽受抑制[7]。從小麥幼苗生長角度分析，即使低濃度的重金屬對種子造成的影響有限，發(fā)芽率和發(fā)芽勢未明顯降低，甚至部分品種發(fā)芽率略有提高，但萌發(fā)之后，小麥幼苗在此環(huán)境中生長便會受到抑制。部分小麥品種如洛旱6號、中育10號、豫農(nóng)949等在低濃度鎘的環(huán)境下，幼苗生長較對照更好，但這種正向促進(jìn)效果有限并會隨著時間的延長逐漸消失[8]。

2.3 鎘、鉛元素對小麥干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

鎘、鉛脅迫影響小麥后續(xù)生長，表現(xiàn)為株高降低，地上部干重減少，影響小麥正常抽穗。鎘處理后，小麥抽穗和開花時間比對照晚5 d左右[9]。重金屬脅迫也會影響小麥產(chǎn)量，葉面積指數(shù)、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等均受到影響[10]。鉛、鎘對小麥產(chǎn)量的影響主要體現(xiàn)在影響小麥分蘗能力。據(jù)黃萍霞[11]研究，隨鎘、鉛離子濃度的上升，小麥有效穗數(shù)呈下降態(tài)勢。

對小麥穗粒數(shù)和穗粒重的直接影響主要體現(xiàn)在灌漿過程中。小麥籽粒灌漿物質(zhì)來源按形成時間的先后可分為2部分：一部分是花前貯存于營養(yǎng)器官中，花后轉(zhuǎn)移到籽粒中的同化產(chǎn)物；另一部分是花后的同化產(chǎn)物，包括直接輸送到籽粒中的光合產(chǎn)物和開花后形成的貯藏性物質(zhì)向籽粒的再轉(zhuǎn)移。干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移影響小麥籽粒質(zhì)量。研究顯示，灌漿期間鎘離子可能損傷“葉-莖鞘-穗”這一同化物運(yùn)輸途徑，導(dǎo)致同化物不能順利從葉和莖鞘運(yùn)往穗部，部分同化物滯留在葉片和莖鞘。由于干物質(zhì)運(yùn)輸受阻，勢必影響小麥穗部發(fā)育，造成產(chǎn)量下降。

3 改良劑對土壤鎘、鉛離子的緩釋效果

3.1 碳酸鈣、粉煤灰的改良效應(yīng)

碳酸鈣、粉煤灰能有效緩解鎘、鉛對小麥的毒害。粉煤灰富含K、Ca、Mg 等堿性金屬，提高土壤pH 值的同時也改變了土壤理化性狀，促進(jìn)土壤中一些微生物活性的增強(qiáng)并促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。另外鈣、鎂是植物生長所必需的元素，鈣離子能在植物根部吸收鎘、鉛時產(chǎn)生抵抗作用，即當(dāng)鈣離子加入后，植物根部對重金屬元素的吸收將會減少，同時會增加對鈣的吸收。另外，鈣離子能參與到小麥細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，與果膠質(zhì)結(jié)形合成不溶性的沉淀，阻止鎘、鉛離子的侵入。

3.2 黏土礦物的改良效應(yīng)

黏土礦物儲量豐富，為含水硅鋁酸鹽的統(tǒng)稱，是一類天然清潔劑，廣泛應(yīng)用于土壤重金屬的改良中。其原理是黏土礦物顆粒小、比表面積較大，在土壤中與土壤溶液形成膠體，利用其優(yōu)良的吸附性和離子交換性實(shí)現(xiàn)土壤改良。用粘土礦物做改良劑的主要作用是與重金屬離子進(jìn)行吸附、離子交換、配位反應(yīng)，共沉淀等，從而達(dá)到固定重金屬的效果。

海泡石是一種鎂硅酸鹽黏土礦物，具有很強(qiáng)的吸附能力。據(jù)郝金才等[12]研究，在施用海泡石的情況下，土壤中有效態(tài)鉛含量、有效態(tài)鎘含量較對照降低19.2%和30.8%，顯示海泡石對中度鎘污染、高度鉛污染的土壤有良好的修復(fù)作用。

3.3 生物炭的改良效應(yīng)

生物炭是農(nóng)作物秸稈或者其他生物質(zhì)材料在缺氧或無氧條件下，在小于700 ℃下裂解而形成的一種含碳豐富的、穩(wěn)定的芳香化的固體物質(zhì)。由于生物炭在土壤中具有穩(wěn)定的土壤芳香化結(jié)構(gòu)，土壤中的細(xì)菌、真菌難以對生物炭進(jìn)行降解，有效阻止了由于微生物對生物炭的分解使得被結(jié)合的重金屬離子再次進(jìn)入土壤，延長了治理時間，緩解了土壤鎘、鉛污染。研究表明，土壤酸堿性影響生物炭對鎘、鉛的吸附效果。據(jù)黃敏等[13]研究，生物炭施入不同酸堿性的土壤中，土壤中的有效鎘和鉛含量均顯著降低，且有效態(tài)鉛含量降幅均明顯大于有效態(tài)鎘含量，有效態(tài)鎘和鉛含量降幅分別為50.05%和58.6%，酸性土壤明顯比中性土壤和堿性土壤降幅要高。

4 結(jié) 論

總體而言，低濃度的鎘、鉛對小麥發(fā)芽率、發(fā)芽勢有促進(jìn)作用，但達(dá)到一定濃度時，對小麥種子萌發(fā)呈現(xiàn)抑制作用，且隨濃度的增加，抑制效應(yīng)越明顯。相同濃度的鎘、鉛比較，小麥種子萌發(fā)受鎘的影響較大，這可能因?yàn)殒k在土壤中的遷移能力較強(qiáng)，更易進(jìn)入小麥根系。與空白對照比較，鎘、鉛處理的小麥株高有不同程度的下降，產(chǎn)量也隨重金屬處理濃度的增加而下降。但部分小麥品種對鎘、鉛的耐受性較好，可承受相對較高的重金屬濃度，如中育10 號出現(xiàn)了在低濃度下促進(jìn)幼苗生長的現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象隨時間的延長而減弱。因此，較耐受鎘、鉛的品種可作為耐性品種進(jìn)行推廣種植。

我國小麥產(chǎn)區(qū)廣泛，不同地區(qū)土質(zhì)、土壤環(huán)境明顯不同，鎘、鉛有效態(tài)的實(shí)際狀況也不同。研究顯示，土壤pH 值、Eh 值越低，鎘、鉛有效態(tài)越高。土壤陽離子越高，一定程度上可以吸收更多的鎘離子和鉛離子。碳酸鈣、粉煤灰、黏土礦物、生物炭對土壤改良均有較好效果，但使用時也要視具體情況而定，過量使用往往會導(dǎo)致相反的結(jié)果。大多數(shù)改良劑對我國南方酸性土壤有較好的改良效果，但對中性和堿性土壤改良效果較差。少數(shù)改良材料如巰基修飾坡縷石可在中性土壤中應(yīng)用，具有較好的效果。