农作物镉污染调控关键技术研究进展

林红梅 林瑞余

摘 要：重金属是影响土壤环境质量的主要污染物。镉由于移动性强、生物毒性高等特点，容易被作物吸收、迁移，从而通过食物链传递影响人体健康。在系统查阅国内外文献的基础上，从镉低积累作物品种的选育、镉污染土壤修复及农艺调控技术等方面综述农作物调控镉污染的关键技术，并探讨未来农作物镉污染调控的研究重点及应对策略，为镉污染耕地作物的安全生产以及农业可持续发展提供参考。

关键词：农作物;镉污染;调控技术

中图分类号：X 53 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2021）09-0069-07

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.09.012

Research Progress on the Key Techniques for Regulating andControlling the Cadmium Pollution in Crops

LIN Hong mei 1， LIN Rui yu2*

（1. Institute of Oceanography， College of Geography and Oceanography， Minjiang University，

Fuzhou， Fujian 350108， China; 2. College of Life Sciences， Fujian Agriculture and

Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： Heavy metals are the main pollutants affecting the soil environmental quality. Cadmium （Cd） is easily to be absorbed and transported by the crops due to its strong transferability and high biological toxicity， thus affecting the human health through the food chain. Based on a systematic review of domestic and foreign literatures， the key technologies for regulating and controlling the cadmium pollution in crops were reviewed from the aspects of the selection of crop varieties with low Cd accumulation， the remediation of Cd contaminated soil and agronomic control techniques. In addition， the research focus and countermeasures for regulating and controlling the cadmium pollution of crops in the future were discussed， so as to provide reference for the safe production of crops in the cadmium contaminated cultivated land and the sustainable development of agricultre.Key words： Crops; Cadmium pollution; Regulation techniques

随着矿产资源的大量开发，尤其是锌矿的开发，地壳中的镉（Cadmium，Cd）大量被释放到环境中，同时，工业三废的不合理排放[1] 以及农业生产含镉生产资料（如污水、污泥、农药与化肥）的不合理利用，导致环境中镉污染日趋严重[2] 。2020年，中国生态环境状况公报指出，影响土壤环境质量的主要污染物是重金属，且镉被列为主要污染物之一。由于移动性强、生物毒性高等特点，环境中的镉极易被植物吸收、积累[3] 。植物体累积少量的镉往往无明显的受害症状，但累积到一定限度时将严重影响植物的生长发育、产量和品质，并通过食物链传递影响人體健康[4-5] 。镉具有致畸、致癌、致突变的“三致”效应，长期过量摄入镉超标的食品，容易引起人体蛋白尿、氨基酸尿、糖尿及软骨病等相关疾病，农作物镉污染问题已引起人们的高度重视[6] 。因此，研究农作物镉污染防控技术，降低农产品中的镉含量，对保障人们身体健康和农产品安全生产至关重要。本文主要从镉低积累作物品种的选育、镉污染土壤的修复及农艺调控技术3个方面阐述作物镉污染调控的关键技术，为减轻农业污染、保障农业质量安全和可持续发展提供一定的参考和借鉴。

1 镉低积累作物品种的选育

1.1 常规选育技术

农作物低积累品种的选育是重金属污染土壤安全利用的最简单、最经济的方法。镉低积累粮食作物以及蔬菜、水果等经济作物的研究已取得大量品种。常规选育技术选育出的镉低积累的粮食作物有水稻[7-8] 、小麦[9] 、大麦[10] 、玉米[11] 、高粱[12] 等，尤其是水稻不育系泸98A[13] 、W115S[14] 、恢复系R1195[14] 、R1514[14] 等低镉亲本成功选育，为镉低积累杂交稻亲本改良和组合选育提供优良的遗传基础。目前，已有部分镉低积累作物品种通过审定并推广应用，如水稻品种泸优9803等[15] ，命名为“Strongfield”，镉低积累的硬质小麦也于2004年在加拿大被授权商品化使用[16] 。经济作物上，大白菜[17] 、番茄[18] 、甜瓜[19] 、萝卜[20] 、菜心[21] 等一系列的低镉品种已被成功选育。

1.2 现代育种技术

现代育种技术也是获得低镉新种质的有效途径。研究显示，通过离子束辐射的诱变育种技术已获得3个镉低积累的水稻OsNRAMP5突变体[22] ，通过甲基磺酸乙酯（EMS）诱变育种技术也已获得lcd1突变体植株[23] 。在分子育种方面，Zhang等[24] 将水稻OsHMA3基因过表达到小麦中，获得的过表达OsHMA3转基因小麦镉从根向地上部的转运降低近10倍，籽粒镉累积减少96%。ZAID等[25] 通过全基因组关联分析等方法获得5个具有镉低转运系数的小麦，平均转移系数为0.03，结合田间试验进一步确定Yannong0428品种可作为镉低育种的候选材料。类似的，Yan等[26] 利用全基因组关联分析等技术获得一个携带粳型等位基因OsCd1 V449 籼稻品系，该品系可降低籽粒镉的积累。此外，基于基因敲除技术获得lcd镉低积累的水稻突变体，连续2年大田收获的突变体籽粒镉降低55%和43%[27] 。影响作物镉积累性状的因子除基因主效应外，基因型与环境互作效应也是重要的影响因子[28] 。因此，在实际的农业生产中，必须科学合理地评价和利用低积累作物品种。

2 镉污染土壤的修复调控技术

土壤修复调控技术主要是基于去除、稳定和固定等策略，利用物理、化学及生物的方法将土壤镉污染物转移或降低，其最终目的是降低土壤镉污染对土壤环境和植物的影响。

2.1 镉污染土壤的物理修复

常用的物理修复技术有客土法、换土法、电动力修复法等。客土法、换土法是指用健康无污染的净土覆盖、替换污染地的旧土，达到降低土壤污染物浓度的目的。客土法、换土法等早期在日本应用较为广泛，该法操作简单，效果显著，但是工程量大、成本高。2008年日本农林水产省（MAFF）报告显示，采用客土法修复的27.3 hm 2水田耗资最少达5200 万日元，约合人民币300万·hm-2 [29] 。此外，受污染土壤在换土转移的过程中还可能产生二次污染。目前，客土法、换土法等在我国大范围应用较少，仅见用于小面积的重度重金属污染地的修复。电动修复技术主要是污染土壤中重金属离子在外源电极的作用下，通过电泳、电迁移及电渗透等方式向电极移动并富集。由于受污染的土壤成分比较复杂，单纯的电动修复往往修复效率低，应用效果不理想。此外，土壤物理修复技术普遍影响土壤结构，而且高能耗、高工程量等因素限制其无法大规模的应用。

2.2 镉污染土壤的化学修复

土壤化学修复法主要包括淋洗法与钝化法。淋洗法主要是通过化学淋洗剂与土壤结合，通过解析、螯合、溶解及固定等过程，将土壤中重金属离子分离、处理。常见的淋洗剂有无机溶剂、螯合剂、表面活化剂等。Juwarkar等[30] 将镉污染土壤经鼠李糖脂淋洗36 h后，镉去除率达92%。实际应用中，淋洗法对渗透性要求较高，土壤粘土含量达25%～30%时，淋洗法一般不适用，而且，淋洗后的废液容易引起土壤二次污染，限制了该技术的应用推广。原位钝化技术是指在污染土壤中外源添加钝化剂，通过沉淀、离子交换与吸附、有机络合及氧化还原等作用，改变土壤中重金属的赋存形态、高移动性及生物有效性，从而减少植物对重金属的富集。目前，市面上的土壤钝化剂包括无机钝化剂、有机钝化剂和新型钝化剂等类型。镉污染农田种植小白菜的研究表明，无机钝化剂钙镁磷肥降低土壤有效态镉达82.94%[31] ;镉污染农田的水稻研究表明，施用石灰等12种土壤钝化剂后，糙米镉降幅为7.82%～69.44%[32] ，不同钝化剂施用方式对钝化效果也存在一定的影响，水稻直播前施石灰和孕穗拔节期喷施硫酸锌相结合以及不同钝化剂混施均能显著降低土壤有效态镉，进而降低稻米镉含量[33-34] 。近些年，生物质炭等新型钝化剂，由于价格低廉、来源广泛以及修复潜力大等优点，普遍受到青睐。研究显示，施用1000kg·hm-2生物质炭可降低糙米镉含量达39.76%[35] ;施用4.5%桑树枝秆生物炭对稻米镉的降幅达74.70%[36] 。无论采用无机、有机还是新型钝化剂，其修复镉污染土壤的持续效益及可能导致的潜在环境风险均需要加以综合评价。

2.3 镉污染土壤的生物修复

土壤的生物修复主要包括植物修复与微生物修复。植物修复由于操作简单，经济环保等优点备受人们关注，技术的关键是高效富集植物的筛选。迄今，国内外已报道的超富集植物有721种[37] ，其中镉超富集植物有东南景天、龙葵、印度芥菜、鬼针草及青葙等。研究显示，镉污染土壤浓度为400 mg·kg-1时，超富集植物东南景天地上部可富集镉达3000mg·kg-1[38] ;超富集植物龙葵对低中度重金属污染的蔬菜地镉积累量为9.39 mg·kg-1[39] ;印度芥菜对复合污染地镉去除率为0.35%～9.22%[40] ;藿香蓟和鬼针草具有稳定的镉累积特性，种植藿香蓟三茬后土壤镉的去除率为13.2%～15.6%;种植一茬鬼针草的镉去除率为4.3%～6.2%[41-42] 。超富集植物青葙能富集水溶性镉和难溶性镉两种形态，说明青葙可改善不同形态镉污染的土壤[43] 。尽管东南景天等少数几种超富集植物已实际运用于土壤修复，但是超富集植物普遍都存在生物量小或地域性强等问题，寻找生物量大、富集能力强、修复效率高的高生物量富集经济植物是土壤植物修复走向实际应用的关键。郭艳丽等[44] 指出杨树和柳树具有比其他几种木本植物高的地上部富集系数;污染大田栽培烟草第80 d时，烟草去镉率高达17.6%[45] ;甘蓝型油菜修复镉污染地最短周期最短为3个月[46] 。无论是超富集植物或高生物量富集植物，两者同样面临修复效率的问题，因此，因地制宜地选择合适的修复植物，实现修复效率最大化。

土壤微生物修复指利用土壤微生物的活性，通过胞内积累、胞外络合和沉淀等方式改变土壤重金属的迁移和转化，从而降低土壤重金属对植物的毒性。其技术地关键在于高效菌株的筛选。目前已筛选到的镉富集土壤微生物主要包括假单胞菌和芽孢杆菌等细菌以及丛枝菌根真菌等。研究显示，从水稻根际土分离的3株假单胞菌属耐镉细菌在100 mg·L-1镉培养条件下的富集系数分别为90.4、49.6和285.8[47] ;从玉米根际土筛选到的镉耐性假單胞菌在50 mg·L-1 镉培养基中镉的去除率为58.9%，该假单胞菌显著降低盆栽小麦地上部镉含量、富集系数及籽粒镉的转移系数[48] 。从矿区土壤筛选获得的芽孢杆菌耐镉细菌镉最大吸附量达3900mg·L-1[49] 。另有研究显示，丛枝菌根真菌可降低植物对镉的富集作用，将摩西斗管囊霉和根内根孢囊霉接种到镉污染的水稻土中，镉转运系数均显著降低80%[50] ;将丛枝菌根真菌接种到镉污染的小麦土中，则减少镉向地上部迁移[51] 。土壤微生物修复由于成本低、效率高，且不存在二次污染的问题，目前应用前景广阔。

3 农艺调控技术

3.1 优化农田水肥管理

水分管理措施降低植物对镉的吸收主要是通过改变土壤pH以及氧化还原电位、阳离子交换量等土壤理化性质，进而改变土壤中有效态镉的形成，减少重金属从土壤向作物。研究表明，水田落干可引起糙米镉含量增加，抽穗后落干增加12倍[52] ，开花后落干则增加8倍[53] ;全生育期淹水栽培下糙米镉的降幅高于孕穗后淹水及常规栽培[54] ，由此可见，全生育期淹水栽培是水稻植株镉调控的最佳的灌溉方式。

生产上，科学合理施肥有益于降低植物对重金属镉的吸收。常用的肥料包括N肥、P肥、K肥、复合肥、微量元素肥料以及各种有机肥等。研究显示，水稻移栽14～21 d施N肥可通过根系铁锰氧化物膜量的提高来降低糙米镉含量[55] ;始穗期、齐穗期及灌浆期施用N肥，齐穗期和灌浆期分别是降低早、晚稻籽粒镉的最佳施肥时间[56] 。董克虞等[53] 研究显示，磷钾肥和硫铵肥的施用可降低萝卜氨块根、叶对镉的吸收。此外，增施Si肥、Se肥及有机肥也可减少作物镉含量[57-58] 。另有研究显示，有机肥可降低土壤pH，增加有机质含量，而且生物有机肥和腐植酸有机肥可抑制小麦根系对镉富集以及镉向籽粒转运[59] 。由于不同類型的肥料组成不同，导致其与土壤作用的机制不同，对植物镉污染的调控效果也存在差异。综合考虑植物特性以及土壤类型，部分肥料将可能被优化改良成为植物防控镉污染的改良剂。

3.2 喷施叶面阻控剂

农业生产上可根据植物的特点，应用不同类型的叶面阻控剂阻控植物对镉的富集，降低镉从地下部向地上部的迁移，减少植物可食部分镉的累积。叶面肥即是一种被公认的叶面阻控剂，常见的叶面肥有Si肥、Zn肥、Fe肥等。叶面喷施Si肥可促进植物生长发育，提高植物镉抗逆性;油菜喷施Zn肥最高可降低植株41.38%的镉含量[60] ;叶面喷施Fe肥可降低水稻糙米镉含量达32.66%，盆栽及大田研究进一步显示，以Fe叶面肥作为镉阻控剂时应根据土壤污染程度以及植物栽培方式选择合适的类型[61] 。除叶面肥外，其他叶面阻控剂也是植物镉污染调控的有力措施。研究显示，亚麻叶面喷施1.2、2.4 mmol·L-1 柠檬酸和0.6、1.2 mmol·L-1苹果酸均可减少其植株地上部镉含量[62] ;叶面喷施MnSO4和ZnSO4可引起小麦籽粒镉含量显著降低，降幅最大可达47.45%[63] ;水稻叶面喷施二巯基丁二酸（DMSA），可阻断镉离子向地上部及籽粒转运[64] 。值得注意的是，叶面阻控剂阻隔镉对栽种的植物毒害时，应根据阻控剂的有效成分选择适宜的高效阻控剂，而且要综合考虑喷施浓度、喷施时间及优化喷施方法。

3.3 合理选择间套作及轮作

高富集镉植物与经济作物间套作在实际运用中具有明显的优势，其原理主要是利用不同生态位下两者对镉的富集差异以及时空资源互补特性，有效的间套作可防止作物从污染土壤中吸收过多的镉。研究显示，黑麦草和酸模分别与油菜的间作处理可通过降低土壤pH，提高有机质及全N等方式减少油菜茎、籽粒镉的富集，适合轻度污染的土壤生产及修复[65] 。玉米与超富集植物龙葵、富集植物黑麦草及苋菜的间作种植能够抑制主栽玉米对镉的吸收及向地上部迁移，其中，龙葵与玉米的间作效果优于黑麦草、苋菜与玉米的间作，表现为玉米各器官镉含量、富集系数及转运系数均显著下降[66] 。由于竞争性吸收的原因，超富集植物东南景天和作物玉米半透膜分隔的套种模式显著促进东南景天富集更多镉，但降低玉米茎叶镉[67] 。虽然超富集植物与经济作物的间作模式可兼顾作物的安全生产和修复效率，但是部分间作模式仍存在作物果实或地上部镉含量比单作高，因此，生产上间作的两种植物要合理选择，保证作物安全生产的同时，提高超富集植物的修复效率。

轮作是指在同一块田地上有顺序轮换种植不同作物或不同复种方式的种植方法。生产上有利用常规作物进行轮作种植，也有利用高富集植物进行轮作种植。连续2年几种常规粮油作物轮作显示，油菜-水稻轮作模式中前茬油菜可降低后茬水稻70.2%镉含量，而且油菜-水稻轮作模式经济效益最高，适合轻、中度镉污染田种植模式[68] 。连续2年的双季稻区晚稻选种玉米的种植模式是保障我国粮食安全的最佳轮作制度[69] 。将传统的山野菜扫帚菜与大白菜、小白菜轮作，结果表明，经扫帚菜种植后的土壤总镉降低6.02%～13.60%，盆栽轮作进一步显示，扫帚菜与白菜轮作中的白菜镉含量比单作的白菜低17.21%，符合边生产边治理的绿色发展理念[70] 。生产上，在镉污染土壤修复过程中引入轮作模式，不仅可以改善土壤的生态环境，增强植物修复效率，还能实现一定的经济效益。

3.4 改变耕作措施

我国常规的翻耕、深松和旋耕耕作方式主要是将重金属含量高的表层土与重金属含量低的下层土充分混合，从而稀释耕作层土壤重金属浓度，达到降低作物对重金属的吸收的目的。适用于旱地表层土污染修复[71] 。与翻耕、深松和旋耕相比，在重金属防控上，免耕的生态与经济效益更为突出。连续2年以上双季免耕糙米镉含量低于翻耕及旋耕[72-73] 。2016年农业部等印发《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》表明休耕是重度镉污染区修复的有力措施，值得注意的是，连续多年休耕模式下，需要优先考虑种植生物量高、富集能力强的植物，达到“藏粮于地”目的。

4 展望

农作物镉污染防控在农业生产上是一项系统的工程，需要从多方面采取措施。首先是农业生产投入品管控，加强农药、化肥等农资产品重金属的监测工作，减少镉污染物向农田输入，从源头上减少含镉产品对农作物生产的污染。其次，对轻中度污染的农田，应树立生态修复理念，建立绿色的环境友好型的修复手段，在综合考虑修复效率、修复周期及修复成本的基础上，优先选用镉低积累品种，结合良好的农艺调控技术，做到边生产边修复。对于镉重度污染区，可借鉴湖南试点休耕区的经验，阶段性推进耕地土壤风险评估工作。再次，科研工作者应积极利用分子生物学手段筛选、改良超富集植物及土壤镉微生物，开发高生物量的超富集植物及高效的镉富集微生物菌种，构建相应的土壤镉修复的生物资源库。同时，应加快低镉农作物品种的种质资源库的建立，创制丰富的低镉作物品种满足不同地域作物生产的需求。此外，随着人们对调控技术的不断探索，发现单一的调控技术普遍效果不佳，而多种调控措施结合，从时空尺度上充分发挥各自的优势，可最大限度地降低植物对土壤镉的吸收、积累。总之，农作物安全生产是一项关系到人口和社会可持续发展的保障工程，筑牢农业安全生产防线，实现镉污染耕地经济、生态和社会效益。

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（责任编辑：柯文辉）