麥田重金屬鎘障礙修復(fù)研究進(jìn)展

鐘 成

(四川嘉道博文生態(tài)科技有限公司，成都 610095)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)三大主糧作物之一，在保障我國(guó)糧食穩(wěn)定方面起著舉足輕重的作用。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)小麥播種面積2.33×107hm2，約占全國(guó)糧食播種總面積的20%，小麥總產(chǎn)量1.34×108t。四川地處西南腹地，是我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)之一。2020年四川統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2019年四川省小麥種植面積為6.11×105hm2，年產(chǎn)量2.46×106t。

麥田是小麥生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，麥田質(zhì)量緊密關(guān)系著糧食安全。2014年全國(guó)土地污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國(guó)土壤總超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤污染物點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，污染類型以無(wú)機(jī)型為主，有機(jī)型次之，復(fù)合型污染比重較小，無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%，無(wú)機(jī)污染物主要是鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛，其中鎘點(diǎn)位超標(biāo)率最高，達(dá)7%，土壤環(huán)境狀況不容樂(lè)觀，且污染速度呈加速趨勢(shì)[1]。

1 麥田重金屬鎘障礙的危害

麥田重金屬障礙指土壤重金屬超標(biāo)，主要是鎘超標(biāo)，引起小麥生產(chǎn)不良，產(chǎn)量降低，籽粒重金屬超標(biāo)，危及糧食安全，長(zhǎng)期食用鎘超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品，易導(dǎo)致骨痛病。重金屬鎘對(duì)生物的毒害是通過(guò)損害生物體內(nèi)的酶及其化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的[2]。重金屬鎘不僅能在小麥植株各個(gè)器官積累，而且還能抑制小麥種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)發(fā)育[3]。據(jù)周秋峰等[4]研究，小麥種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率隨著鎘離子處理濃度的增大而逐漸降低，且與離子濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

鎘脅迫下，小麥的生長(zhǎng)受到一定程度的抑制，并隨溶液中Cd濃度的增加,抑制加重。隨Cd濃度逐漸增強(qiáng),毒害作用逐漸增大,根系受害加重,根系活力明顯降低[5]。當(dāng)土壤中鎘的質(zhì)量比大于5mg/kg時(shí)，小麥的生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)狀況開(kāi)始急劇下降,當(dāng)鎘的質(zhì)量比達(dá)50mg/kg時(shí)，小麥的穗長(zhǎng)、單株產(chǎn)量、百粒重都較對(duì)照顯著降低[6]。

2 麥田重金屬鎘障礙的原因

麥田重金屬超標(biāo)，導(dǎo)致土壤中有效態(tài)重金屬增加，使得更多的游離態(tài)重金屬轉(zhuǎn)移至作物當(dāng)中，影響作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量及安全品質(zhì)，形成重金屬障礙。土壤中Cd主要有2種來(lái)源，分別為自然界的成土母質(zhì)和人為活動(dòng)。成土母質(zhì)為自然界中巖石和土壤Cd含量 的本底值，世界范圍內(nèi)土壤Cd平均值為0.35mg/kg，中國(guó)土壤Cd背景值為0.097mg/kg，遠(yuǎn)低于世界均值[7]。人為活動(dòng)主要指通過(guò)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)直接或間接地將重金屬排放到土壤中，造成土壤中的重金屬含量高于本底值。

據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)部進(jìn)行的全國(guó)污灌區(qū)調(diào)查結(jié)果顯示，在約140×104hm2的污水灌區(qū)中，遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區(qū)面積的64.8%，其中輕度污染土地占46.7%，中度污染占9.7%，嚴(yán)重污染占8.4%[8]。隨著農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類、用量逐步增加，各種重金屬元素通過(guò)降塵、施肥、灌溉等途徑進(jìn)入農(nóng)田，且數(shù)量逐年增加。有研究表明，目前我國(guó)已有近2.0×107hm2的農(nóng)田出現(xiàn)了不同程度的重金屬污染[9]。農(nóng)田重金屬總量增加，再加上常年大量使用化肥，導(dǎo)致土壤酸化，增強(qiáng)了土壤重金屬活性及其遷移和擴(kuò)散能力，加劇了重金屬污染的危害[10]。

3 麥田重金屬鎘障礙修復(fù)的方法

3.1 選擇低吸附品種

不同的小麥品種，對(duì)于重金屬鎘的耐受程度與吸附能力不同。如，張國(guó)平等研究了在不同鎘水平下不同小麥品種對(duì)鎘的吸收，認(rèn)為地上部和根系的鎘含量，鎘處理與品種之間存在顯著的互作。低Cd水平下(<0.1mg/kg)，甘谷534的Cd含量較高，而高Cd水平下，則以鄂81513的Cd含量較高[11]。任超等研究了119個(gè)小麥品種植株各部位分別在1.5mg/kg(低含量)和4.0mg/kg(高含量)Cd污染土壤條件下對(duì)Cd 的富集能力，分別篩選出了16個(gè)和11個(gè)Cd低積累小麥品種，其中洛旱7號(hào)可作為低高含量下Cd低積累優(yōu)選小麥品種[12]。馬文蓮對(duì)30個(gè)小麥品種進(jìn)行低積累品種篩選，發(fā)現(xiàn)不同小麥品種其籽粒、莖葉和根的Cd含量均有明顯差異性。就選用的30個(gè)小麥品種而言，籽粒Cd濃度最髙和最低相差18.29倍，品種D20、D28和D4等9個(gè)品種的籽粒Cd含量低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限定值[13]。馮亞娟等通過(guò)在不同Cd污染程度的大田和不同Cd濃度的盆栽，對(duì)30份小麥材料進(jìn)行籽粒Cd積累差異的研究，最后篩選到4份穩(wěn)定的籽粒Cd低積累型小麥材料(30389,77782,中梁22和綿麥37),可用于中輕度Cd污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)[14]。

3.2 原位鈍化

通過(guò)添加鈍化劑，原位鈍化土壤重金屬，降低有效態(tài)重金屬的含量，從而減少作物對(duì)重金屬的吸收，是當(dāng)前麥田重金屬修復(fù)重要的研究方向。何玉亭等研究了5種改良劑在輕度污染土壤中對(duì)小麥鎘吸收和土壤有效鎘含量的影響，發(fā)現(xiàn)添加了改良劑的處理土壤有效鎘含量和小麥籽粒鎘含量均有所降低。其中石灰處理，土壤有效鎘含量較對(duì)照顯著降低36.4%，小麥籽粒鎘含量較對(duì)照顯著降低0.065mg/kg[15]。孫向輝等研究了不同鈍化劑對(duì)弱堿性土壤鎘鈍化效果及小麥鎘吸收的影響，發(fā)現(xiàn)2%海泡石+0.04%磷酸二氫鉀復(fù)配的處理降Cd水平最佳，可使土壤中有效態(tài)Cd含量降低16.16%，小麥地上部Cd和根部Cd含量分別降低42.31%和47.55%[16]。周相玉等研究了在鎘污染土壤上施用石灰、硫酸鎂、硫酸錳和活性炭不同用量以及交互作用對(duì)小麥生長(zhǎng)和吸收重金屬鎘的影響,發(fā)現(xiàn)硫酸鎂與硫酸錳，或石灰、硫酸鎂和硫酸錳3種物質(zhì)配合施用，對(duì)小麥籽粒鎘濃度和吸收量的降低表現(xiàn)出明顯的正交互作用，對(duì)抑制小麥體內(nèi)鎘從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移具有顯著效果[17]。楊夢(mèng)麗等研究了原位鈍化在鎘輕度污染小麥農(nóng)田上的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)多孔陶瓷納米材料配施石灰處理，小麥籽粒Cd含量的降低效果最明顯，降低了40.0%[18]。藍(lán)蘭等研究了不同中微量元素及有益元素對(duì)小麥生長(zhǎng)和吸收Cd的影響，發(fā)現(xiàn)鎂、錳、鐵、硼砂、硅酸鈉和亞硒酸鈉處理可降低小麥對(duì)Cd的吸收；而鈣、銅、鋅和硼酸處理增加了小麥對(duì)Cd的吸收[19]。張軍等篩選了3種常見(jiàn)礦物質(zhì)類鈍化劑(氫氧化鈣、海泡石、羥基磷灰石)，對(duì)西南丘陵地區(qū)典型旱作農(nóng)田鎘污染土壤開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)3種鈍化劑均對(duì)重金屬鎘有鈍化效果，其土壤有效態(tài)鎘去除率為海泡石(25.81%)>羥基磷灰石(25.43%)>氫氧化鈣(24.15%)；氫氧化鈣有效態(tài)鎘的去除率會(huì)隨著時(shí)間的推移迅速下降，海泡石和羥基磷灰石的作用相對(duì)更持久長(zhǎng)效[20]。

3.3 葉面阻隔

通過(guò)葉面噴施阻隔劑，阻隔土壤中的鎘向可食用部位的遷移，是近年來(lái)麥田鎘污染治理的重要方向。關(guān)世羽研究了不同葉面阻隔劑對(duì)春小麥鎘累積吸收的影響，發(fā)現(xiàn)在分蘗期和孕穗期噴施2次阻隔劑，籽粒鎘含量降幅在37%～77%，錳鋅微肥處理降幅最大，平均降低57%[21]。李根等研究了葉面噴施鋅錳肥(配合有機(jī)硅增效劑)對(duì)小麥鎘積累的影響，發(fā)現(xiàn)處理后，小麥產(chǎn)量有增加趨勢(shì)，并且能降低小麥籽粒中鎘的含量，“川麥104”籽粒鎘降低9.38%，“川育25”籽粒鎘降低13.1%[22]。楊杰等研究了葉面噴施納米羥基磷灰石對(duì)苗期小麥生長(zhǎng)和鎘吸收的影響，發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石噴施處理顯著降低了新葉中的Cd質(zhì)量比和Cd向新葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)[23]。易柏竹[24]通過(guò)大田實(shí)驗(yàn)，研究了6種葉面阻隔材料對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒Cd含量的影響,發(fā)現(xiàn)葉面噴施硅鉀材料對(duì)小麥籽粒Cd積累抑制效果最佳(較對(duì)照下降48.00%)，使籽粒Cd含量降為0.0585mg/kg。

3.4 植物修復(fù)

植物修復(fù)是通過(guò)種植對(duì)重金屬高富集的植物，將土壤中的重金屬總量降低的技術(shù)，該技術(shù)綠色無(wú)污染，可操作性強(qiáng)，是麥田重金屬鎘污染治理的重要方向。谷雨等研究了6種植物對(duì)土壤中重金屬鎘的富集，發(fā)現(xiàn)籽粒莧對(duì)重金屬鎘的富集系數(shù)最高，在醴陵、湘潭和株洲3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，籽粒莧地上部莖葉對(duì)重金屬鎘的富集系數(shù)分別達(dá)到6.79、5.49、7.37，具備對(duì)重金屬鎘的超富集特性，是修復(fù)土壤重金屬鎘污染的良好材料[25]。趙怡陽(yáng)等研究了多種重金屬高富集植物的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)富集植物對(duì)土壤中鎘的去除率為黑麥草>籽粒莧>伴礦景天>甘藍(lán)型油菜>蓖麻>香蒲，其中黑麥草對(duì)鎘的去除率達(dá)到76.4%，籽粒莧對(duì)鎘的去除率達(dá)到75.5%[26]。

4 展望

傳統(tǒng)麥田原位鈍化重金屬修復(fù)技術(shù)通常采用無(wú)機(jī)礦物源調(diào)理劑，其自身重金屬含量較高、堿性強(qiáng)，長(zhǎng)期大量施用會(huì)破壞土壤理化性質(zhì)，導(dǎo)致土壤板結(jié)、鈣化、有機(jī)質(zhì)下降、土壤重金屬總量增加等問(wèn)題。未來(lái)，在選擇重金屬低吸附小麥品種的基礎(chǔ)上，可探索有機(jī)源土壤調(diào)理劑為主，無(wú)機(jī)礦物源調(diào)理劑為輔的原位鈍化重金屬修復(fù)措施，其不僅可鈍化土壤重金屬，還可改良土壤，提升土壤的綜合生產(chǎn)能力，提升小麥產(chǎn)量，對(duì)保障糧食安全具有重要意義。