农作物镉污染调控关键技术研究进展

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摘要：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

　　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

　　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。

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