麦田重金属镉障碍修复研究进展

钟 成

(四川嘉道博文生态科技有限公司，成都 610095)

小麦是我国三大主粮作物之一，在保障我国粮食稳定方面起着举足轻重的作用。据国家统计局数据显示，2020年我国小麦播种面积2.33×107hm2，约占全国粮食播种总面积的20%，小麦总产量1.34×108t。四川地处西南腹地，是我国小麦主产区之一。2020年四川统计年鉴显示，2019年四川省小麦种植面积为6.11×105hm2，年产量2.46×106t。

麦田是小麦生长的基础，麦田质量紧密关系着粮食安全。2014年全国土地污染状况调查公报显示，全国土壤总超标率为16.1%，耕地土壤污染物点位超标率为19.4%，污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%，无机污染物主要是镉、镍、铜、砷、汞、铅，其中镉点位超标率最高，达7%，土壤环境状况不容乐观，且污染速度呈加速趋势[1]。

1 麦田重金属镉障碍的危害

麦田重金属障碍指土壤重金属超标，主要是镉超标，引起小麦生产不良，产量降低，籽粒重金属超标，危及粮食安全，长期食用镉超标农产品，易导致骨痛病。重金属镉对生物的毒害是通过损害生物体内的酶及其化学性质表现出来的[2]。重金属镉不仅能在小麦植株各个器官积累，而且还能抑制小麦种子发芽及幼苗生长发育[3]。据周秋峰等[4]研究，小麦种子的发芽势、发芽率随着镉离子处理浓度的增大而逐渐降低，且与离子浓度呈负相关关系。

镉胁迫下，小麦的生长受到一定程度的抑制，并随溶液中Cd浓度的增加,抑制加重。随Cd浓度逐渐增强,毒害作用逐渐增大,根系受害加重,根系活力明显降低[5]。当土壤中镉的质量比大于5mg/kg时，小麦的生长和结实状况开始急剧下降,当镉的质量比达50mg/kg时，小麦的穗长、单株产量、百粒重都较对照显著降低[6]。

2 麦田重金属镉障碍的原因

麦田重金属超标，导致土壤中有效态重金属增加，使得更多的游离态重金属转移至作物当中，影响作物生长、产量及安全品质，形成重金属障碍。土壤中Cd主要有2种来源，分别为自然界的成土母质和人为活动。成土母质为自然界中岩石和土壤Cd含量 的本底值，世界范围内土壤Cd平均值为0.35mg/kg，中国土壤Cd背景值为0.097mg/kg，远低于世界均值[7]。人为活动主要指通过农业生产、工业生产直接或间接地将重金属排放到土壤中，造成土壤中的重金属含量高于本底值。

据我国农业部进行的全国污灌区调查结果显示，在约140×104hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染土地占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染占8.4%[8]。随着农用化学物质种类、用量逐步增加，各种重金属元素通过降尘、施肥、灌溉等途径进入农田，且数量逐年增加。有研究表明，目前我国已有近2.0×107hm2的农田出现了不同程度的重金属污染[9]。农田重金属总量增加，再加上常年大量使用化肥，导致土壤酸化，增强了土壤重金属活性及其迁移和扩散能力，加剧了重金属污染的危害[10]。

3 麦田重金属镉障碍修复的方法

3.1 选择低吸附品种

不同的小麦品种，对于重金属镉的耐受程度与吸附能力不同。如，张国平等研究了在不同镉水平下不同小麦品种对镉的吸收，认为地上部和根系的镉含量，镉处理与品种之间存在显著的互作。低Cd水平下(<0.1mg/kg)，甘谷534的Cd含量较高，而高Cd水平下，则以鄂81513的Cd含量较高[11]。任超等研究了119个小麦品种植株各部位分别在1.5mg/kg(低含量)和4.0mg/kg(高含量)Cd污染土壤条件下对Cd 的富集能力，分别筛选出了16个和11个Cd低积累小麦品种，其中洛旱7号可作为低高含量下Cd低积累优选小麦品种[12]。马文莲对30个小麦品种进行低积累品种筛选，发现不同小麦品种其籽粒、茎叶和根的Cd含量均有明显差异性。就选用的30个小麦品种而言，籽粒Cd浓度最髙和最低相差18.29倍，品种D20、D28和D4等9个品种的籽粒Cd含量低于食品安全国家标准限定值[13]。冯亚娟等通过在不同Cd污染程度的大田和不同Cd浓度的盆栽，对30份小麦材料进行籽粒Cd积累差异的研究，最后筛选到4份稳定的籽粒Cd低积累型小麦材料(30389,77782,中梁22和绵麦37),可用于中轻度Cd污染农田的安全生产[14]。

3.2 原位钝化

通过添加钝化剂，原位钝化土壤重金属，降低有效态重金属的含量，从而减少作物对重金属的吸收，是当前麦田重金属修复重要的研究方向。何玉亭等研究了5种改良剂在轻度污染土壤中对小麦镉吸收和土壤有效镉含量的影响，发现添加了改良剂的处理土壤有效镉含量和小麦籽粒镉含量均有所降低。其中石灰处理，土壤有效镉含量较对照显著降低36.4%，小麦籽粒镉含量较对照显著降低0.065mg/kg[15]。孙向辉等研究了不同钝化剂对弱碱性土壤镉钝化效果及小麦镉吸收的影响，发现2%海泡石+0.04%磷酸二氢钾复配的处理降Cd水平最佳，可使土壤中有效态Cd含量降低16.16%，小麦地上部Cd和根部Cd含量分别降低42.31%和47.55%[16]。周相玉等研究了在镉污染土壤上施用石灰、硫酸镁、硫酸锰和活性炭不同用量以及交互作用对小麦生长和吸收重金属镉的影响,发现硫酸镁与硫酸锰，或石灰、硫酸镁和硫酸锰3种物质配合施用，对小麦籽粒镉浓度和吸收量的降低表现出明显的正交互作用，对抑制小麦体内镉从秸秆向籽粒的转移具有显著效果[17]。杨梦丽等研究了原位钝化在镉轻度污染小麦农田上的修复效果，发现多孔陶瓷纳米材料配施石灰处理，小麦籽粒Cd含量的降低效果最明显，降低了40.0%[18]。蓝兰等研究了不同中微量元素及有益元素对小麦生长和吸收Cd的影响，发现镁、锰、铁、硼砂、硅酸钠和亚硒酸钠处理可降低小麦对Cd的吸收；而钙、铜、锌和硼酸处理增加了小麦对Cd的吸收[19]。张军等筛选了3种常见矿物质类钝化剂(氢氧化钙、海泡石、羟基磷灰石)，对西南丘陵地区典型旱作农田镉污染土壤开展研究，发现3种钝化剂均对重金属镉有钝化效果，其土壤有效态镉去除率为海泡石(25.81%)>羟基磷灰石(25.43%)>氢氧化钙(24.15%)；氢氧化钙有效态镉的去除率会随着时间的推移迅速下降，海泡石和羟基磷灰石的作用相对更持久长效[20]。

3.3 叶面阻隔

通过叶面喷施阻隔剂，阻隔土壤中的镉向可食用部位的迁移，是近年来麦田镉污染治理的重要方向。关世羽研究了不同叶面阻隔剂对春小麦镉累积吸收的影响，发现在分蘖期和孕穗期喷施2次阻隔剂，籽粒镉含量降幅在37%～77%，锰锌微肥处理降幅最大，平均降低57%[21]。李根等研究了叶面喷施锌锰肥(配合有机硅增效剂)对小麦镉积累的影响，发现处理后，小麦产量有增加趋势，并且能降低小麦籽粒中镉的含量，“川麦104”籽粒镉降低9.38%，“川育25”籽粒镉降低13.1%[22]。杨杰等研究了叶面喷施纳米羟基磷灰石对苗期小麦生长和镉吸收的影响，发现纳米羟基磷灰石喷施处理显著降低了新叶中的Cd质量比和Cd向新叶的转移系数[23]。易柏竹[24]通过大田实验，研究了6种叶面阻隔材料对小麦产量和籽粒Cd含量的影响,发现叶面喷施硅钾材料对小麦籽粒Cd积累抑制效果最佳(较对照下降48.00%)，使籽粒Cd含量降为0.0585mg/kg。

3.4 植物修复

植物修复是通过种植对重金属高富集的植物，将土壤中的重金属总量降低的技术，该技术绿色无污染，可操作性强，是麦田重金属镉污染治理的重要方向。谷雨等研究了6种植物对土壤中重金属镉的富集，发现籽粒苋对重金属镉的富集系数最高，在醴陵、湘潭和株洲3个试验点，籽粒苋地上部茎叶对重金属镉的富集系数分别达到6.79、5.49、7.37，具备对重金属镉的超富集特性，是修复土壤重金属镉污染的良好材料[25]。赵怡阳等研究了多种重金属高富集植物的修复效果，发现富集植物对土壤中镉的去除率为黑麦草>籽粒苋>伴矿景天>甘蓝型油菜>蓖麻>香蒲，其中黑麦草对镉的去除率达到76.4%，籽粒苋对镉的去除率达到75.5%[26]。

4 展望

传统麦田原位钝化重金属修复技术通常采用无机矿物源调理剂，其自身重金属含量较高、碱性强，长期大量施用会破坏土壤理化性质，导致土壤板结、钙化、有机质下降、土壤重金属总量增加等问题。未来，在选择重金属低吸附小麦品种的基础上，可探索有机源土壤调理剂为主，无机矿物源调理剂为辅的原位钝化重金属修复措施，其不仅可钝化土壤重金属，还可改良土壤，提升土壤的综合生产能力，提升小麦产量，对保障粮食安全具有重要意义。