葉面肥對農作物阻鎘效應機制研究進展

張梅華，姜朵朵，于 松，潘利祥，李朝暉

（中節能六合天融環保科技有限公司，北京 102200）

綜述報告

葉面肥對農作物阻鎘效應機制研究進展

張梅華，姜朵朵，于 松，潘利祥，李朝暉

（中節能六合天融環保科技有限公司，北京 102200）

張梅華, 姜朵朵, 于松, 潘利祥, 李朝暉.葉面肥對農作物阻鎘效應機制研究進展 [J/OL].大麥與谷類科學,2017,34(3):1-5 [2017-05-03].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20170503.1610.001.html

葉面肥以其可溶性高、吸收好、緩解重金屬吸收效果明顯等優點而逐漸成為抑制作物吸收重金屬研究的新熱點。目前不同種類葉面肥對農作物的阻鎘機理主要是通過拮抗吸收，抑制含鎘的金屬酶活性，降低作物的蒸騰效率以阻礙Cd的向上運輸，促進抗氧化物質的形成，對重金屬離子具有吸附及螯合作用，以及增加作物營養物質的葉面吸收從而增加作物胞內鹽濃度以此抑制作物對根系環境及空氣中重金屬的吸收等。本文對此進行了綜述。

葉面肥；阻抗重金屬；阻鎘機理

我國土壤污染狀況調查公報顯示，全國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出。全國土壤總的污染超標率為 16.1%，其中鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、鎳(Ni)8 種無機污染物點位超標率分別是 7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%；耕地點位超標率為 19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環芳烴。從無機污染物點位超標來看，鎘的超標問題最為突出[1]。葉面肥以其可溶性高、吸收性好等優點而逐漸成為抑制作物吸收重金屬的材料。大量研究表明，噴施含有某些元素（如硒、鋅、硅、鉬等）的葉面肥可以有效地緩解作物對重金屬鎘的吸收，減輕鎘的毒害作用。但是，葉面肥緩解重金屬吸收的機理仍不清晰。本文旨在對不同種類葉面肥對農作物的阻鎘效應及阻鎘機理進行綜合闡述。

1 葉面肥分類

葉面肥種類繁多，2000 年來通過農業部認證登記的葉面肥就有近 700 種，目前按其主要成分可大致劃分為4大類：

1)營養型葉面肥。此類葉面肥富含氮、磷、鉀及微量元素等養分。主要功能是為作物提供各種營養元素，改善作物的營養狀況，尤其適宜于作物生長后期進行各種營養的補充。

2)調節型葉面肥。此類葉面肥中含有調節植物生長的物質，如生長素等激素或生長調節劑成分。將營養元素和腐植酸混合，可制成腐酸型葉面肥。一方面能促進作物增產，另一方面還能提高作物的抗旱、抗低溫及抗病性等特異抗性，改善作物品質。

3)生物型葉面肥。主要是通過人工培養、篩選有益菌類并進一步制成菌肥，有刺激作物生長代謝、減輕和防止病蟲害發生等功能。此類肥料中含微生物菌體及代謝物，如氨基酸、核苷酸與核酸類物質等。

4)復合型葉面肥。此類葉面肥種類繁多，復合混合形式多樣，含有多種礦物質元素。其功能有多種，既可提供營養，又可刺激生長調控發育，此類葉面肥是目前市場上最為常見的種類。

2 葉面肥對作物重金屬吸收的效應研究

2.1 噴施鋅、硒肥對重金屬吸收的效應

呂選忠等在鎘污染條件下對葉面噴施硒、鋅肥，結果表明，施硒、鋅對鎘的吸收具有明顯的抑制作 用 ， 分 別 使 生 菜 的 鎘 吸 收 率 降 低 31.63% 、37.01%；此外，施硒使生菜硒吸收率增加高達121.3%，施鋅則使生菜鋅吸收率增加 117%[2]。方勇等研究葉面噴施硒肥（以生物肥做載體，加入亞硒酸鈉制成富硒肥料母液），噴施低濃度硒肥（25 g/hm2和 50 g/hm2）時 ，大 米 中 鎘 含 量 與 對 照 組 相 比未發生較大變化；當噴施濃度增加至 75 g/hm2和100 g/hm2時，稻米中硒含量和粗蛋白含量顯著增加，且有利于錳和鐵元素的吸收，此外，也顯著降低稻米中汞、鉛、鎘含量，其中，稻米中鎘含量分別降低 11.7%和 15.6%[3]。湯海濤等噴施腐植酸肥、富硒肥、自配鈦硒微肥 3 種葉面肥，結果發現，噴施 3 種葉面肥可以有效降低鉛、鎘、汞、鉻、砷 5 種重金屬含量，降低幅度在 18%～46%，其中對于鎘的降低效果，以自配鈦硒微肥效果最好，降低率為 52%，腐植酸肥最差，降低率為 22%[4]。

2.2 噴施硅肥對重金屬吸收的效應

王世華等采用盆栽實驗，通過在水稻生長期內葉面噴施有機硅和無機硅，研究水稻籽實對鎘的積累量和吸收系數。結果表明，土壤鎘達到 50.0 mg/kg時，噴施有機硅和無機硅后，籽實鎘含量下降率分別為 44%和 53%；水稻籽實鎘含量隨著土壤鎘增加，下降更加明顯，并且有機硅的作用強于無機硅[5]。李慧敏等利用水熱合成法制備二氧化硅溶膠，氧化硅溶膠具有顆粒細、比表面積大、分散度高、附著性強的優點，易被植物吸收。微量稀土元素能夠增加植物抗性，促進葉綠素合成，提高產量，噴施一定濃度的溶膠可以緩解生菜的砷毒害[6]。李芳柏等利用含二氧化硅的葉面阻隔劑進行了5年的田間技術示范，實驗組較對照組稻谷增產 29.6%，稻米中砷含量下降 40.2%，鎘含量下降 28.2%，大面積實施后，稻米重金屬超標面積降低 40%[7]。李超等研究蔬菜噴施硅、鉬、硒及其配合噴施發現，小白菜、辣椒、蘿卜3種蔬菜作物的多個品種可食用部位的鎘含量均有明顯下降[8]。

2.3 噴施殼聚糖對重金屬吸收的效應

甲殼素經脫乙酰基后得到的一種天然陽離子多糖，稱為殼聚糖。它不僅可以作為植物的抗菌劑，還可以作為重金屬離子的螯合劑和吸附劑，因此可將殼聚糖用于重金屬污染土壤的修復[9]。研究表明，殼聚糖能夠影響鎘脅迫條件下小麥生長及生理，小麥幼苗經過鎘處理后生長受到明顯的抑制，葉綠素的含量降低、金屬硫蛋白和丙二醛（MDA）的含量提高，表現出典型的鎘脅迫特征；經過殼聚糖處理的小麥所受到的鎘毒害得到顯著緩解，減少了小麥幼苗對鎘的吸收[10]。顧麗嬙等對火鶴葉片進行鎘脅迫，發現葉片中 MDA含量、可溶性蛋白含量、相對電導率均明顯提高，而葉綠素含量明顯降低，進而認為殼聚糖處理能顯著緩解鎘對火鶴的毒害[11]。

2.4 噴施微量元素對重金屬吸收的效應

馬建軍通過葉面噴施不同質量濃度的 FeSO4溶液來研究小白菜吸鎘量。結果表明，低質量濃度的Fe能減少小白菜對鎘的吸收，改善小白菜品質；此外，葉面噴施磷酸氫鹽溶液(KH2PO4)能降低鎘、鉛、鋅在稻米中的積累，提高水稻產量[12]。周青等對利用鑭甘氨酸配合物（La-Gly）防止鎘傷害小白菜的生理效應進行研究，結果表明，200 mg/LCdCl2對小白菜的生長產生嚴重的抑制作用，通過葉面噴施 100mg/L La-Gly，能有效減輕鎘對其造成的傷害[13]。

3 葉面肥阻鎘機制

鎘是已知的最容易在生物體內積累的重金屬，具有半衰周期長、毒性大的特點。有研究表明，水稻莖葉和谷物中鎘積累的主要過程來自于木質部的運輸[14]，這說明葉面噴施可能是通過抑制莖葉中的鎘向穗部轉移來降低糙米鎘含量的。開發具有重金屬阻控功能的葉面肥的意義，在于它不會對土壤造成二次污染，因為葉面肥作用于作物本身，通過減少葉面吸收和表皮滲透進入作物的鎘來控制鎘含量，同時葉面噴施可能會阻斷鎘在作物體內向上運輸[15]。Hill等在 1970 年就提出，理化性質相近的元素與有毒的金屬元素之間在生物學上具有協同或者拮抗作用[16]。如：Cd2+和 Zn2+為同族元素，具有非常相近的化學性質，因此，對于生物細胞上的結合位點，2種離子可以產生互相競爭的作用。

3.1 鋅、硒對鎘的拮抗作用

植物中鎘與鋅的相互作用早就被關注，但是至今沒有得出一致的結論，Wagner 認為是協同效應[17]，Alloway 認為是拮抗效應[18]，Thomet等認為無相互作用[19]。目前多數研究表明，鋅、鎘之間存在著拮抗作用[1]。虞銀江等研究表明，葉面施用鋅肥對降低水稻葉片鎘含量的作用，是由鋅、鎘共用親和性質膜轉運蛋白所產生的鋅/鎘拮抗作用，從而阻控了早稻（Y 倆優 792）莖、葉部鎘向上的遷移；而對晚稻（農香 130）葉片中鎘富集則起到促進作用[20-21]。Adiloglu研究證明施用鋅肥可降低谷類作物中鎘積累，競爭鎘在細胞上的結合位點[22]。水稻中鋅元素含量存在顯著的基因型差異[19]，最終對水稻中鎘分布的影響也存在差異。龍思斯等研究也表明，兩個水稻品種在相同的葉面鋅肥下表現的鋅、鎘交互作用也不同，鋅在水稻植株中與鎘所體現的拮抗與協同并沒有一致的結論[23]。

硒是油菜體內谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的組成部分，外源硒的供應會使油菜體內該酶成分之一的谷胱甘肽（GSH）含量增加，而 GSH 富含巰基，巰基可與鎘結合，鈍化細胞中的鎘，從而降低鎘引起的毒害作用[24]。植物體內的硒可與鎘結合形成鎘 - 硒 - 蛋白質復合體，從而將鎘排出 體外[25-26]。也有研究直接表明，外源硒能明顯降低植物對鎘的吸收[27-28]。Han 等的研究表明，低硒處理（含量≤4.4mg/kg）可使MDA含量下降，提高了烤煙抗氧化脅迫的能力，顯 著降低鎘脅 迫引起的 膜質過氧化程度[29]。有學者認為，硒能提高谷胱甘肽過氧化物酶的活性，抑制含鎘的金屬酶的形成，從而阻礙鎘的吸收[30]。

3.2 硅對鎘的生理作用

葉面噴施硅肥減輕水稻重金屬毒害和降低水稻對鎘等重金屬吸收的機理可能是一種生理作用。硅作為水稻的必需元素，可以提高水稻葉片葉綠素含量、根系活力，降低細胞膜透性，從而提高水稻對重金屬毒害的抵抗能力[31]。王世華研究認為，納米硅一方面通過降低作物的蒸騰效率，減少有害元素的吸收和向地上部的運轉，從而降低作物對鎘的積累；另一方面可促進水稻幼苗體內合成植物螯合肽（PCs），減少了活性重金屬的比例；同時葉面噴施納米硅還可以改善作物的營養吸收，促進抗氧化物質的合成，增強水稻幼苗的抗氧化能力[32]。Liu 等研究發現，水稻從葉面吸收的硅運輸到根系，增強了根系細胞壁對鎘的吸附固定能力，從而阻止了鎘從根系向上轉運[33]。崔曉峰等研究還發現硅能提高保護酶活性，緩解自由基對細胞膜的損害，保護膜的完整性，從而抑制鎘進入根部細胞[34]。

3.3 殼聚糖對鎘吸附與螯合作用

顧麗嬙等研究發現，在鎘脅迫下，噴施殼聚糖可有效提高火鶴幼苗葉片中葉綠素的含量，降低MDA 含量、可溶性蛋白含量和相對電導率，從而緩解鎘的毒害作用[11]。殼聚糖分子中含有大量的氨基和羥基，使之具有離子交換、螯合和吸附作用。王志華等利用 X 射線光電子光譜法（XPS）測定了多孔性殼聚糖凝膠小球吸附 Cd2+前后各元素結合能及各元素的組成，結合化學分析法的結果，提出殼聚糖吸附鎘既有表面物理吸附又有化學吸附，殼聚糖中-NH2是 Cd2+的吸附活性基團，其分子鏈上的 -OH不參與吸附反應[35]。

3.4 微量元素緩解作物重金屬毒害的作用機理

微量元素鐵（Fe）、鑭（La）、硼（B）、鉬（Mo）等會通過葉面滲透作用被蔬菜葉片吸收，增加葉片中營養物質的含量，這樣蔬菜對于從根部運輸的營養需求就相對減少，所以施用葉面肥會降低蔬菜中的重金屬含量。另外，葉面肥中微量元素和氮、磷、鉀等營養元素通過葉面進入組織細胞，增加了細胞液中的鹽濃度，也進一步抑制了根部及葉片對土壤和空氣中重金屬離子的吸收，降低對重金屬的富集[36]。鈰通過提高抗氧化系統保護酶活性及自身特性，清除由于重金屬鎘、鉛 脅迫產生的大量自由基，減輕膜脂過氧化程度[34]，從而保護膜的完整性，阻礙鎘、鉛進入細胞，降低小白菜地上部和根部鎘、鉛含量。

4 結語

目前，大多數研究都致力于土壤施用條件對農作物吸收重金屬鎘的影響，而通過葉面噴施，從農作物的外部環境著手減少植物對鎘吸收的研究卻較少。噴施硒 /鋅肥、硅肥、殼聚糖以及其他微量元素（硼、鉬等）均能在一定程度上有效阻隔農作物對鎘的吸收。不同種類葉面肥對農作物的阻鎘機理主要是通過拮抗吸收，抑制含鎘的金屬酶活性，降低作物的蒸騰效率以阻礙鎘的向上運輸，促進抗氧化物質的形成，對重金屬離子具有吸附及螯合作用，以及增加作物營養物質的葉面吸收、增加作物胞內鹽濃度以此抑制作物對根系環境及空氣中重金屬的吸收等，但對鎘吸收阻抑機理的研究仍相當不夠，還須進一步深入下去。

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Research Progress on the Cadmium Resistant Mechanisms of Foliar Fertilizers on Crop

ZHANG Mei-hua,JIANG Duo-duo,YU Song,PAN Li-xiang,LI Zhao-hui
(CECEPL&T EnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Beijing102200,China)

Foliar fertilizer has become a new research hotpot nowadays due to its high solubility,good absorption,and significant effect of reducing plant heavy metal absorption.This paper reviews the research progress on the mechanisms by which different types of foliar fertilizers inhibit plant cadmium absorption.Their main mechanisms of action are as follows:antagonism to heavy metal absorption,inhibition of cadmium metal enzyme activity,reduction of Cd transpiration efficiency in crops,promoting the formation of antioxidant substances,adsorption and chelation of heavy metal ions,enhancing crop uptake of nutrients by foliage,and increasing cellular salinity to control the heavy metal absorption from plant rhizosphere and air.

Foliar fertilizer;Heavy metal resistance;Cadmium resistant mechanism

X53

：A

：1673-6486-20160277

2016-11-02

十三五國家科技計劃支撐項目（2015BAD05B00）。

張梅華（1987—），女，碩士，主要從事環境微生物治理。E-mail:meihua.zhang@talroad.com.cn。