水稻重金屬污染及其阻控技術研究

鄧思涵 陳聰穎 嚴冬 龍九妹，2 丁丹 雷鳴*

（1湖南農業大學資源環境學院，長沙410128；2衡陽師范學院生命科學與環境學院，湖南衡陽421000）

隨著經濟的迅速發展，相對應而來的重金屬污染也隨之普遍，其中水稻重金屬污染尤為突出[1]。對重金屬目前尚沒有嚴格的統一定義，一般是指密度大于4.5 g/cm3的金屬。在環境污染方面所說的重金屬主要包括鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、準金屬元素砷（As）等生物毒性顯著的元素，也包括一定毒性的銅（Cu）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等常見元素。根據環境保護部和國土資源部發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國土壤污染物質以無機類型污染物為主，其中 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等8種污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[2]。因此，研究水稻中重金屬污染阻控技術具有極其重要的意義。

1 水稻富集重金屬的研究現狀

從中國知網查閱（時間為1998年1月1日至2018年12月31日），輸入關鍵詞“水稻”和“重金屬”，中國學術期刊網絡出版總庫有1 570篇，其中博士論文235篇，優秀碩士論文785篇，重要會議及其他82篇。如果從學科類別來看，環境科學與資源利用有1 496篇，農作物有653篇，生物學有296篇，農業基礎科學284篇，農藝學238篇，輕工業140篇，化學67篇，預防醫學與衛生學61篇，植物保護52篇，園藝41篇，自然地理學和測繪學39篇，礦業工程32篇，地質學31篇，農業經濟20篇，有機化工18篇。從作者單位來看，排在前10的分別是浙江大學192篇，南京農業大學182篇，湖南農業大學97篇，四川農業大學80篇，中國科學院南京土壤所67篇，揚州大學63篇，中南林業科技大學53篇，華中農業大學53篇，西南大學47篇，福建農林大學43篇。由此可看出，對水稻重金屬污染問題的關注度和重視度普遍較高。

從湖南省高等學校圖書館數字資源共享平臺查閱，輸入關鍵詞“水稻”和“重金屬元素名稱”，查閱了近20年發表的水稻重金屬污染文獻（1998年1月1日至2018年12月31日），發現目前水稻重金屬污染的研究仍主要放在 Cd 上，其次是對 As、Pb、Cu、Zn 的研究，而對Hg、Cr、Ni則研究較少。與單一重金屬污染相比，對復合污染開展的研究則更少。

2 重金屬對水稻的危害

重金屬不能被土壤中的微生物所分解，因而會在土壤中不斷積累，影響土壤性質[3]。重金屬可以通過水稻根部的吸收和轉運作用，在其根、莖、葉及籽粒中大量富集，并通過食物鏈的傳遞進入人體從而嚴重危害人體健康[3-4]。

Cd進入水稻體內后，影響線粒體及葉綠體的功能[5-6]，抑制葉肉細胞的生長，降低葉中葉綠素的含量，最終導致葉片光合作用率下降[7]。Hg可以影響水稻的光合作用、水稻抗氧化酶和活性基團及其水稻蛋白質磷酸化。As能影響水稻秧苗的初期生長，降低根系活力，導致功能葉明顯黃化，還可以干擾核酸和蛋白質的合成，使可溶性糖和蛋白質的含量減少，同時抑制體內磷的功能，阻礙葉綠素的合成和減少干物質的積累，最終導致產量下降[8]。Pb可以抑制水稻的細胞分裂和生長，抑制某些酶的活性，影響組織蛋白質的合成，降低光合作用和呼吸作用，損害細胞膜系統，降低水稻的營養價值和產量[9]。水稻積累過量的Cu會使其生理代謝失調，導致根部從土壤中吸收氮的能力大幅下降，造成生長發育不良、分蘗減少、減產等一系列后果[10-11]。水稻若缺Zn則新生的葉片基部會失去綠色變成白色，中下部葉片中脈兩側出現不規則形狀的棕色小斑點，嚴重時可能會蔓延到葉鞘部分，下部老葉容易發脆、易斷，還會導致莖節變短，上下葉鞘重疊，葉枕并列。Cr在水稻體內積累后會出現氧化脅迫、改變葉綠體和細胞膜的結構，影響正常發育和生長代謝[12]。水稻中Ni一旦超過限量標準，就會出現一些列中毒癥狀，如植株矮小、葉片黃化，嚴重者直接壞死[13]。

表1 不同年份水稻重金屬發表文章情況 （篇）

3 水稻富集重金屬的來源

水稻等作物主要依靠根部從土壤中吸收養分及重金屬，重金屬對水稻的危害也主要來源于土壤。農田土壤中重金屬的來源主要是大氣沉降、污水灌溉、農用物資長期不合理使用、固體廢棄物堆放等。重金屬化合物的大氣沉降是土壤中重金屬污染超標的重要途徑，包括礦山開采和金屬冶煉都是產生大氣沉降污染物的重要來源[14]。污水灌溉是采用工業廢水、排污江河湖水或污染過后的城市地下水直接對農田進行灌溉。研究表明，在我國約140萬hm2的污水灌區中，遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區面積的64.8%[15]。農用物資主要包括農藥、化肥、地膜、畜禽糞便和污泥堆肥等[16-17]。

4 阻控水稻富集重金屬的措施

大量研究證明，土壤中重金屬含量與水稻體內重金屬含量及稻米中重金屬含量呈明顯正相關，因此，減少土壤中重金屬總量或者降低土壤中重金屬的生物有效性是當前最為關鍵且最為有效的修復技術。傳統的土壤修復可分為物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術。但是對于稻田中重金屬而言，目前修復阻控技術主要包括鈍化技術、葉面肥阻控、品種篩選和農藝措施等。

4.1 鈍化技術

在中低度重金屬污染稻田中施用適量的鈍化材料是目前降低稻田重金屬活性，減少水稻對其吸收與富集的有效途徑之一。現階段鈍化材料主要包括：生石灰、生物炭、海泡石、鈣鎂磷肥、有機改良劑等。生石灰是目前對酸性污染耕地最常用且最廉價的鈍化材料，施用生石灰可以提升土壤pH值，生石灰中的Ca2+離子還能與重金屬離子形成拮抗作用，最終使土壤中重金屬的有效態降低[18]。但過度施用生石灰可能導致土壤板結，造成土壤肥力下降，增加水稻對其他重金屬離子吸收的風險。生物炭是當前稻田鈍化技術的研究熱點，是可持續性較高的一種鈍化方法，在稻田中加入生物炭可以提升土壤pH值、陽離子交換量、水溶性硫酸根離子和可溶性有機碳，能有效吸附重金屬離子，降低重金屬的有效態。但生物炭本身可能攜帶重金屬離子，長期施用可能會增加稻田中重金屬的含量。海泡石對重金屬有很強的吸附結合作用，其主要功效是提高土壤pH值和對重金屬進行物理化學吸附，最高解析率可達到70%[19]。但海泡石不能連續多年使用，其可能誘發稻田土壤次生潛育化風險。鈣鎂磷肥的作用與石灰相類似，主要是提升土壤pH值，固定和降低土壤中重金屬離子的交換態和有效態，同時還能增加水稻產量，但成本較高。有機改良劑主要有畜禽糞便、水稻秸稈和堆肥等，這些有機改良劑都含有大量有機質，有機質中含有大量的有機配位體，能與重金屬離子形成難溶和穩定的絡合物或螯合物，繼而降低水稻對重金屬的吸收及轉運。但由于有機物的不穩定性和復雜性可能會分解成有機酸類的物質，而這些物質會活化稻田中的重金屬離子。

4.2 葉面肥阻控

葉面肥阻控技術是指直接向水稻等植株葉表面上施用肥料的一種措施，也是目前阻控水稻對重金屬吸收的一種較好手段，主要包括葉面施硅（Si）、鋅（Zn）、硒（Se）、鐵（Fe）、鉬（Mo）肥等。施Si可以顯著促進作物的生長，提高作物的抗逆性，還能提升葉綠素的含量，提高根系活度和增加產量。研究表明，Si進入水稻體內后可以向根部移動[20]，與重金屬發生沉淀反應，從而降低重金屬在水稻體內向上運輸的過程，最終減少地上可食用部分中重金屬的含量。Zn可以使水稻葉片中Zn、Cd共用的親和性質膜轉運蛋白產生Zn/Cd拮抗作用[21]，Se可以與重金屬發生沉淀，還能使重金屬在細胞點位上發生移動或者改變細胞膜對重金屬的通透性[22]。Fe和Mo都屬于微量元素，其作用是能夠提高水稻葉片細胞中抗氧化系統保護酶的活性，清除重金屬產生的大量自由基，降低作物膜脂過氧化程度，保護細胞的完整性，緩解重金屬的毒害，達到阻控重金屬進入細胞內部的作用[23]。另外還可以噴施葉面腐殖酸肥和葉面殼聚糖，這兩種物質都屬于大分子物質，都具有很強的離子交換、螯合作用和吸附作用，使重金屬難以進入到水稻體內，以此達到阻控效果。葉面肥既可以使水稻增產，還能有效降低水稻對重金屬的吸收，是一種具有良好經濟利用價值的阻控技術。但是在實際應用中單一噴施葉面肥很難達到完全阻控水稻對重金屬的吸收，同時其作用還受天氣、溫度和噴施濃度等因素的影響。

4.3 水稻品種篩選

篩選低吸收重金屬品種是目前治理水稻重金屬污染的有效措施之一。水稻對不同重金屬離子的抗性機制主要體現在金屬蛋白及其功能上[24]。這些金屬蛋白主要是由過量的重金屬離子所誘導，由水稻等植物細胞合成，金屬蛋白可以進入細胞內與重金屬相結合，從而達到降低重金屬毒害的作用[25]。研究表明，不同水稻品種體內的金屬蛋白含量不一致，其對稻米富集重金屬的能力會相差高達198倍，水稻籽粒轉運重金屬能力基本上表現為超級稻＞雜交稻＞常規稻，且一般高產水稻品種中的重金屬含量高，低產水稻品種中的重金屬含量低[26]。同時篩選出來的水稻品種還應該滿足適應當地氣候、多重重金屬抗性、產量基本穩定等因素[27]。篩選出合適的水稻品種是一個難題。

4.4 農藝管理措施

農藝措施主要包括施肥、間作和水分管理。研究表明，在Cd污染的土壤中采用全生育期淹水灌溉比濕潤灌溉和間歇性灌溉更有利于降低土壤中Cd的生物有效性和稻米中Cd的含量[30]。在稻田淹水狀態下，土壤膠體和團聚體、pH、Eh、碳酸鹽、陰陽離子、有機物和可溶性有機物、鐵錳氧化物、含硫化合物、碳酸鹽、磷酸鹽、根系分泌物、微生物都可能產生變化[29-30]，而以上這些物質都可以影響重金屬的生物有效性。HU等[33]研究表明，從不淹水逐漸到全生育期淹水，稻米中Cd的含量下降了90%，但As的含量卻上升了50%，同時產量較傳統管理模式有下降趨勢。

5 總結與展望

目前阻控水稻吸收重金屬雖然取得了一定程度的進展，但遠遠沒有達到我們預期所需的效果。為了使我國稻米能夠達到國家食品污染物限量標準，未來需要開展以下幾點工作。

抓緊源頭控制，加大對稻田周邊冶金業、礦業、養殖業等管理，從源頭上減少重金屬流入稻田土壤系統中；開展多種阻控技術研發，僅僅靠單一修復技術很難達到預期結果，需多種技術相結合，如湖南省開展的“VIP+n”阻控技術；選育高產、低吸收重金屬能力的水稻品種，深入研究水稻吸收重金屬的機理，加強大田試驗研究，現階段開展的研究主要是集中在實驗室水培或盆栽等小規模試驗上，未來應該加強系統化的大田試驗研究；開展復合污染研究。