水稻鎘污染相關農藝調控技術研究與應用進展

張燕 黃奇娜 邵國勝* 王宏航

（1 中國水稻研究所，杭州 310006；2 衢州市農業農村局農業技術推廣中心，浙江衢州 324000；第一作者：zhangyan11@caas.cn；*通訊作者：shaoguosheng@caas.cn；807099788@qq.com）

近年來，隨著我國工業化、城鎮化和農業現代化的不斷發展，重金屬排放量增加，土壤與糧食重金屬特別是鎘污染日趨嚴重[1-3]。鎘作為首位重金屬污染物，不僅對土壤生態系統有極大破壞性，還能干擾植物的光合作用、礦物質元素吸收、電子傳遞等生理代謝途徑，同時影響植物的營養生長和生殖過程[4-5]。鎘具有很強的毒性，極具遷移性，能夠通過食物鏈進入人體并積累，對人體造成不可逆的健康問題[6]。水稻是我國主要的糧食作物之一，鎘含量超標的稻米是我國人群攝入鎘的主要來源，人民身體健康面臨極大威脅[7-9]。

近年來，加強防控水稻鎘污染已成為政府、社會以及廣大科研工作者關注的焦點。迄今為止，除制定相應標準、法規規范重金屬污染物排放外，污染土壤（農田等）的相關修復技術也早已開展研究與小規模化應用。例如，旨在減少土壤中鎘總量的換土、客土和深耕等物理措施以及利用螯合劑、無機溶劑、表面活性劑等進行淋洗的化學措施[10-12]。然而，這些措施在實際應用上耗費高、工程量大且易造成土壤二次污染，并不適宜大范圍投入應用。相較之下，合理的水肥管理、葉面阻控等農藝調控技術較為經濟、環保且高效。本文重點闡述了水稻鎘污染相關農藝調控技術的研究進展與應用現狀，為形成重金屬鎘污染區水稻安全生產的農藝調控技術綜合體系提供理論依據和技術支持。

1 水稻鎘污染農藝調控技術

目前，水稻鎘污染農藝調控技術主要包括水分管理技術、合理施肥技術、葉面阻控技術、原位鈍化修復技術、微生物修復技術、種植制度調整和種植鎘低積累品種等。這些調控技術旨在通過降低土壤中重金屬鎘的生物有效性、降低水稻鎘吸收與轉運能力，實現鎘污染農田的水稻安全生產。

1.1 水分管理技術

水稻不同于旱地作物，其具有特殊的水分需求規律。水稻生產過程中，合理的水分管理不僅是確保水稻良好生長和產量的關鍵技術，也是控制水稻鎘污染最有效的措施之一。張麗娜等[13]發現，不同水分管理對水稻鎘積累具有極顯著的調控作用。例如旱作、不同生育期烤田和全生育期淹水處理后，水稻鎘積累存在顯著差異，其中全生育期淹水處理下水稻籽粒中鎘含量最低。其核心機理在于淹水能夠提高土壤環境酸堿性（pH）并使土壤環境呈現較強的還原狀態，導致有效態鎘一方面被溶解的有機質以及鐵、錳氧化物吸附，另一方面可與硫離子（還原態）結合形成硫化鎘沉淀，生物有效性大幅降低[14-16]；反之，旱作或者烤田后土壤的氧化環境可以增加有效態鎘含量，導致水稻中鎘積累量增加[17]。全生育期淹水可有效降低稻米鎘積累已被大量文獻報道[18-19]，但水稻生產過程中，全生育期淹水尚存一些具體問題，較難以全面推廣應用。此外，楊定清等[20]進一步發現，選擇水稻生長關鍵期（分蘗期、抽穗期和灌漿期）進行淹水處理是既能有效降低稻米鎘積累又能保障水稻產量較佳的水分管理方式[19,21-22]。

1.2 合理施肥技術

合理施肥作為農業生產上重要的增產措施，同樣對作物重金屬鎘污染具有明顯的調控作用。氮、磷和鉀肥作為“肥料三要素”，其品種繁多且特性各異，對水稻鎘污染的調控效果差異懸殊。銨態氮能酸化水稻根際，導致根際土壤有效態鎘增加，相反硝態氮則堿化水稻根際，減少根際土壤有效態鎘含量[23]。曹仁林等[24-25]發現，堿性含鈣磷肥能夠提高稻田土壤pH，導致碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態鎘分配系數增加，有效態鎘減少。此外，磷酸根離子導致土壤表面負電荷增加，有效態鎘被大量吸附，水稻鎘積累大幅度降低。然而，施用磷肥也可能導致作物鎘積累增加，一方面是由于磷肥中陽離子與有效態鎘競爭專性吸附位點釋放有效態鎘造成的[26]；另一方面由于加工生產的磷肥并不能去除原材料磷礦石中的鎘，長期施用含鎘量高的磷肥會加重稻米鎘污染。也有研究表明，施用磷肥會增強水稻根系的鎘吸收能力[27]。衣純真等[28]發現，除氯化鉀促進水稻鎘積累外，硫酸鉀和硝酸鉀等鉀肥也能夠有效調控水稻鎘污染。另外，有機肥能夠增加土壤中有機質含量，有機質富含活性基團，能夠吸附重金屬鎘，導致鎘生物有效性降低。合理施用有機肥能有效降低鎘在水稻中的積累，也有研究表明長期不合理施用有機肥反而會促進水稻鎘積累[29-31]。

1.3 葉面阻控技術

葉面噴施微肥除了能全面補充水稻生長發育所需營養外，還能有效控制水稻鎘污染。王世華等[32-33]發現，葉面噴施硅肥能夠顯著降低水稻籽粒鎘含量。鄧思涵等[34]對不同濃度的葉面硅肥、鈣肥、鐵肥和氮肥進行比較，發現低濃度葉面硅肥對降低糙米鎘含量效果最佳（降鎘率57.14%）。然而，硅肥的降鎘效果并未取得一致結論。在實際應用中往往會出現對水稻鎘積累的調控沒有明顯效果，甚至促進水稻鎘積累的現象[35]，具體原因和機理有待進一步深入研究。水稻植株對鋅、鎘的吸收與轉運具有部分共同途徑，即相同的膜轉運蛋白。葉面施用鋅肥對鎘的轉運具有一定抑制作用，能夠有效降低糙米鎘積累[36-37]。另外，管恩相等[38]發現，葉面適量施用硒肥既能增加糙米含硒量，又能有效降低糙米中鎘、汞等重金屬含量。目前，農業生產上運用的葉面肥種類逐漸豐富，包括營養型葉面肥（大量元素、中量元素和微量元素）、生物型葉面肥（氨基酸類葉面肥、腐殖酸類葉面肥、甲殼素類葉面肥、海藻酸類葉面肥和糖醇類葉面肥等）和調節型葉面肥（生長素類、赤霉素類、細胞分裂素類和乙烯類等）等，它們抑制作物重金屬積累的功能還有待進一步研究。

1.4 原位鈍化修復技術

原位鈍化修復主要是利用鈍化劑吸附、沉淀和絡合重金屬，改變重金屬的賦存形態以降低其遷移性和生物有效性。目前農業生產上應用較多的是無機類鈍化劑（石灰、磷酸鹽、黏土礦物等）和有機類鈍化劑（堆肥、生物炭和動植物殘渣）。石灰、石灰石等能夠提高土壤pH，使土壤表面膠體負電荷增加，鎘被大量吸附并沉淀[39-40]。研究報道，大田撒施石灰使水稻籽粒降鎘率達到35.3%[41]。楊永杰等[42]認為，合理的石灰施用量是確保水稻鎘積累有效降低的關鍵。張青等[43]發現，施加超細磷礦粉能有效降低水稻鉛、鎘的積累，這主要是因為磷酸鹽類鈍化劑能促進金屬離子形成磷酸鹽沉淀。海泡石、沸石等自身的特殊結構賦予它們較強的吸附和離子交換能力，使土壤中有效態鎘含量顯著降低。方志萍等[44]發現，利用海泡石可以不同程度地降低水稻各器官的鉛、鎘積累。此外，堆肥能夠增加土壤中鐵錳氧化物結合態鎘的分配系數，有效降低水稻鎘積累的同時促進水稻生長發育[45]。高堿性生物炭表面具有多孔結構且含有大量碳、氮官能團，能夠大量吸附鎘。研究表明，生物炭（降鎘率28%～29%）相較于沸石（降鎘率9%～13%）、磷礦石（降鎘率4%～14%）能更有效降低土壤中有效態鎘含量[46]。有機物料中腐殖化有機物富含的功能團對鎘有良好的代換、吸附和絡合作用，形成難溶的大分子金屬有機絡合物[47]。蘇初連等[48]發現，施用腐殖酸類營養液后，稻田土壤pH上升，土壤中有效態鎘含量降低了0.15～0.6 mg/kg，且稻谷產量得到提升。

1.5 微生物修復技術

微生物修復主要利用自然環境中或經人工培養具有特殊功效的微生物（細菌、真菌和藻類等）對重金屬進行固定、移動或轉化以達到良好修復效果[49]。目前，已有研究證明，微生物對作物重金屬鎘污染的阻控作用明顯。細菌菌株Curpriavidus taiwanessis KKU2500-3能夠將土壤中有效態鎘轉化為硫化鎘并沉淀，使水稻植株降鎘率達到61%[50]。Curpriavidus sp.Cd02、Alishewanella sp.WH161等菌株細胞表面能夠吸附有效態鎘，通過提高土壤環境pH促進碳酸鎘沉淀的形成，稻田中有效態鎘含量分別降低約6.5%和33.6%[51-52]。Burkholderia sp.Y14菌株通過促進水稻根系對土壤中鐵、錳等必需營養元素的吸收以遏制鎘的吸入[53]。水稻根際促生菌Enterobacter aerogenes K6、Klebsiella pneumonia K5菌株均能有效緩解水稻幼苗氧化脅迫，并抑制對重金屬鎘的吸收，同時促進水稻幼苗生長[54-55]。植物內生菌是指寄居在植物組織內，對宿主植物不產生傷害的一類微生物。大部分內生菌具有增加宿主對外界環境的應激耐受性。研究發現，堿蓬內生真菌Sordariomycetes sp.EF11-01能夠增強鎘脅迫下水稻幼苗的抗氧化防御能力，提高水稻對鎘的抗性并促進幼苗生長[56]。內生菌生活在植株體內，受環境干擾較少，在實際應用中促進植物生長和提高植物耐逆性的效果更穩定，而目前成功挖掘并應用于控制水稻鎘污染的水稻內生菌報道尚少[57]。

1.6 種植制度調整

種植制度調整主要是在水稻生產或空閑期輪作或間套作重金屬高富集植物，利用重金屬高吸收、高富集能力以降低土壤重金屬總量，進而減少水稻植株鎘積累。沈麗波等[58]發現，將鋅、鎘超積累植物——伴礦景天與水稻進行水旱輪作并配合施用鈣鎂磷肥能有效減少水稻鎘積累。于玲玲等[59]研究發現，合適的油菜-水稻輪作體系能夠有效降低油菜和下茬水稻（糙米）鎘含量。謝運河等[60]通過比較“春玉米-晚稻”“早稻-晚稻”“早稻-秋玉米”三種不同輪作模式發現，只有“早稻-秋玉米”的輪作體系能夠實現鎘污染耕地水稻的安全生產。由于旱作植物難以與水稻進行間作，因此利用鎘高富集水生植物是實現間作降低水稻鎘積累的關鍵。研究發現，水生草本植物再力花（Thalia dealbata Fraser）抗鎘能力強，與水稻間作能夠有效降低稻米中的鎘積累[61]。“水稻-蕹菜（Ipomoea aquatica Forsk）”間作并配以合理的水分管理、鈍化修復劑使用，能顯著降低水稻籽粒鎘積累[62-63]。然而，高富集植物相較于普通植物，其根系能夠分泌更多的有機酸，可活化大量的鎘，提高鎘的生物有效性，從而促進高富集植物對鎘的吸收與積累，但同時也容易造成下茬水稻鎘積累的增加[64]。利用高富集植物與水稻輪作，從長遠來看既能降低土壤鎘含量，又能降低水稻鎘積累，但整體應用成本較高、見效時間較長，較難在生產中真正應用。另外，鎘高富集植物的秸稈富含重金屬鎘，其秸稈處理與利用存在一定難度，需引起關注。

1.7 種植鎘低積累品種

篩選并種植鎘低積累水稻品種是安全利用鎘污染稻田最有力的保障之一。鎘低積累水稻品種是指在相同土壤環境下種植的水稻籽粒中鎘積累量較低的品種。2014年湖南開始啟動鎘低積累水稻品種選育工作，先后從685個主栽品種中篩選出49個應急性鎘低積累品種。DUAN等[65]從471個主栽品種或已通過審定的水稻品種中成功篩選出8個鎘低積累品種。王天抗等[66]從國內外275份水稻資源中篩選出2份適合在重度鎘污染耕地種植的鎘低積累材料，并從其中1份與IR28雜交后代中選育出鎘低積累新材料。但由于水稻品種的鎘積累特性極易受環境，包括土壤環境、氣候環境的影響，截至目前，尚未見到真正穩定且極少受（不受）環境影響的鎘低積累品種。不過，大量研究和生產實踐中發現，生育期較短的水稻品種鎘積累往往較低[65,67]，建議在水稻生產中有意識地選擇生育期相對較短的品種進行種植。相較于大規模篩選和培育鎘低積累品種，挖掘水稻中鎘吸收、轉運相關調控因子，并結合分子育種手段定向培育鎘低積累品種的方法更加行之有效。例如，將參與水稻根系細胞吸收鎘的NRAMP5基因[68]、隔離重金屬鎘至液泡的HMA3基因[69]，以及參與地上部運輸、分配鎘的LCT1基因[70]等定向應用于改良高產高鎘品種。然而，研究早已經明確這些基因表達的轉運蛋白主要轉運鐵、錳、鋅等必需元素，利用這些基因進行鎘低積累品種選育尚需關注其產量、耐逆性和稻米品質等問題。此外，將Gn1a、Ghd7和RH8[71-73]等控制產量性狀的優異等位基因定聚合至低鎘低產水稻品種中也是進行定向培育的另一選擇。

2 存在問題

我國耕地土壤鎘及其他重金屬污染日益嚴峻，嚴重影響了耕地的安全利用和糧食生產。目前，雖然大量農藝調控技術已被成功應用于控制水稻鎘污染，但仍然存在一些局限性，需要后續加以優化、創新與集成，以期發展經濟、環保、高效、穩定與可持續發展的調控技術。

水肥管理是較為普遍應用的一種農藝技術措施。研究已經明確，全生育期淹水是控制水稻鎘積累最有效的水分管理模式，但由于其耗水量巨大，而我國很多水稻生產區域水資源匱乏，該技術難以推廣應用，且不符合我國農業的可持續發展理念。另一方面，長期淹水會強烈改變稻田環境，導致水稻無效分蘗增加，水稻葉片的蒸騰速率和光合作用被干擾，甚至加重病蟲害的發生，最終影響水稻產量和品質[20]。值得注意的是，淹水也會增加土壤中砷的生物有效性，導致水稻中砷的積累量大幅提高[21,74-75]。通過合理施肥控制水稻鎘積累，需要注重不同種類和形態無機、有機肥的合理搭配，以及適時適量施用。土壤環境不同，可導致肥料施用對水稻鎘污染的調控作用有著顯著差異。葉面噴施微肥效率高、用量節省還能避免土壤二次污染，但在實際應用中調控效果的穩定性和持久性易受環境因素（刮風下雨、高溫低溫等）制約。原位鈍化修復技術由于物資和勞務用工消耗較大，農民接受度相對較低。此外，該技術的作用原理主要基于對土壤pH的調控，而對土壤結構、肥力以及土壤生態系統等的影響尚未有明確定論，也并未引起廣泛關注。

培育并種植鎘低積累水稻品種能更有效降低稻米鎘超標的風險。挖掘低鎘基因并篩選優異等位基因，利用分子標記輔助育種將其聚合至優良品種中，可篩選獲得穩定的低鎘材料。其中，低鎘新品種的篩選與認定是鎘低積累水稻品種培育的核心。目前篩選和認定鎘低積累品種的方法較多，但仍然存在爭議之處，并未形成統一標準，大大增加了水稻鎘低積累品種選育的困難，亟需建立一套簡單且穩定的篩選與分級評價體系。

3 展望

土壤重金屬污染較為復雜，利用農藝調控技術控制作物重金屬污染應當基于對土壤環境的嚴密監測以及污染成分的全面剖析。建立健全的土壤污染監測與評估系統，并在此基礎上因地制宜選擇合理的調控技術并合理應用，才能有效控制作物重金屬污染并保障作物產量。然而，單一應用某種農藝調控技術往往難以達到預期的治理效果，只有因地制宜選擇多種農藝措施集成聯用，建立適用于當地多目標、高效、安全、經濟、綠色和可持續發展的治理體系或模式，才能取得控制作物重金屬污染的最佳效果。