重金屬鎘、鉛對小麥的影響及改良劑緩解效果研究進展

宋淑艷，拜麗克孜·買提庫爾班

（1.天津農(nóng)學院 農(nóng)學與資源環(huán)境學院，天津 300384；2.和田職業(yè)技術學院 農(nóng)業(yè)科學系，新疆 和田 848000）

截至2019 年底，我國小麥種植面積已達2 373 萬hm2。隨著我國現(xiàn)代化建設的推進，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)濟的快速發(fā)展導致水污染，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430 多萬 hm2[2]。由于污水灌溉導致的大量農(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入土壤，并且大氣污染物容易隨風遷移造成大面積污染。

1.2 重金屬對人體的危害

鎘進入人體內(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)，破壞人體機能。大腦作為鉛元素的靶器官，血鉛含量如果超標，會給神經(jīng)系統(tǒng)帶來嚴重的損害和影響，如造成學齡兒童智力和發(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，與鎘離子濃度上升呈負相關等。但也有不同研究結論，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)促進作用。鎘濃度達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，還與小麥品種有關，不同小麥品種對鎘的反應差異較大。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%；而當鉛離子濃度達到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 項指標均呈遞減趨勢[3]。對小麥幼苗長度和重量進行比較，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，導致小麥幼根生長受抑制明顯強于芽受抑制[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向籽粒的再轉移。干物質的轉移影響小麥籽粒質量。研究顯示，灌漿期間鎘離子可能損傷“葉-莖鞘-穗”這一同化物運輸途徑，導致同化物不能順利從葉和莖鞘運往穗部，部分同化物滯留在葉片和莖鞘。由于干物質運輸受阻，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

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，促進土壤中一些微生物活性的增強并促進養(yǎng)分轉化。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胞壁結構的構建，與果膠質結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

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行吸附、離子交換、配位反應，共沉淀等，從而達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作用。

3.3 生物炭的改良效應

生物炭是農(nóng)作物秸稈或者其他生物質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。由于生物炭在土壤中具有穩(wěn)定的土壤芳香化結構，土壤中的細菌、真菌難以對生物炭進行降解，有效阻止了由于微生物對生物炭的分解使得被結合的重金屬離子再次進入土壤，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 論

總體而言，低濃度的鎘、鉛對小麥發(fā)芽率、發(fā)芽勢有促進作用，但達到一定濃度時，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，這可能因為鎘在土壤中的遷移能力較強，更易進入小麥根系。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行推廣種植。

我國小麥產(chǎn)區(qū)廣泛，不同地區(qū)土質、土壤環(huán)境明顯不同，鎘、鉛有效態(tài)的實際狀況也不同。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，過量使用往往會導致相反的結果。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用，具有較好的效果。