麥田重金屬鎘障礙修復研究進展

鐘 成

(四川嘉道博文生態科技有限公司，成都 610095)

小麥是我國三大主糧作物之一，在保障我國糧食穩定方面起著舉足輕重的作用。據國家統計局數據顯示，2020年我國小麥播種面積2.33×107hm2，約占全國糧食播種總面積的20%，小麥總產量1.34×108t。四川地處西南腹地，是我國小麥主產區之一。2020年四川統計年鑒顯示，2019年四川省小麥種植面積為6.11×105hm2，年產量2.46×106t。

麥田是小麥生長的基礎，麥田質量緊密關系著糧食安全。2014年全國土地污染狀況調查公報顯示，全國土壤總超標率為16.1%，耕地土壤污染物點位超標率為19.4%，污染類型以無機型為主，有機型次之，復合型污染比重較小，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%，無機污染物主要是鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛，其中鎘點位超標率最高，達7%，土壤環境狀況不容樂觀，且污染速度呈加速趨勢[1]。

1 麥田重金屬鎘障礙的危害

麥田重金屬障礙指土壤重金屬超標，主要是鎘超標，引起小麥生產不良，產量降低，籽粒重金屬超標，危及糧食安全，長期食用鎘超標農產品，易導致骨痛病。重金屬鎘對生物的毒害是通過損害生物體內的酶及其化學性質表現出來的[2]。重金屬鎘不僅能在小麥植株各個器官積累，而且還能抑制小麥種子發芽及幼苗生長發育[3]。據周秋峰等[4]研究，小麥種子的發芽勢、發芽率隨著鎘離子處理濃度的增大而逐漸降低，且與離子濃度呈負相關關系。

鎘脅迫下，小麥的生長受到一定程度的抑制，并隨溶液中Cd濃度的增加,抑制加重。隨Cd濃度逐漸增強,毒害作用逐漸增大,根系受害加重,根系活力明顯降低[5]。當土壤中鎘的質量比大于5mg/kg時，小麥的生長和結實狀況開始急劇下降,當鎘的質量比達50mg/kg時，小麥的穗長、單株產量、百粒重都較對照顯著降低[6]。

2 麥田重金屬鎘障礙的原因

麥田重金屬超標，導致土壤中有效態重金屬增加，使得更多的游離態重金屬轉移至作物當中，影響作物生長、產量及安全品質，形成重金屬障礙。土壤中Cd主要有2種來源，分別為自然界的成土母質和人為活動。成土母質為自然界中巖石和土壤Cd含量 的本底值，世界范圍內土壤Cd平均值為0.35mg/kg，中國土壤Cd背景值為0.097mg/kg，遠低于世界均值[7]。人為活動主要指通過農業生產、工業生產直接或間接地將重金屬排放到土壤中，造成土壤中的重金屬含量高于本底值。

據我國農業部進行的全國污灌區調查結果顯示，在約140×104hm2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%，其中輕度污染土地占46.7%，中度污染占9.7%，嚴重污染占8.4%[8]。隨著農用化學物質種類、用量逐步增加，各種重金屬元素通過降塵、施肥、灌溉等途徑進入農田，且數量逐年增加。有研究表明，目前我國已有近2.0×107hm2的農田出現了不同程度的重金屬污染[9]。農田重金屬總量增加，再加上常年大量使用化肥，導致土壤酸化，增強了土壤重金屬活性及其遷移和擴散能力，加劇了重金屬污染的危害[10]。

3 麥田重金屬鎘障礙修復的方法

3.1 選擇低吸附品種

不同的小麥品種，對于重金屬鎘的耐受程度與吸附能力不同。如，張國平等研究了在不同鎘水平下不同小麥品種對鎘的吸收，認為地上部和根系的鎘含量，鎘處理與品種之間存在顯著的互作。低Cd水平下(<0.1mg/kg)，甘谷534的Cd含量較高，而高Cd水平下，則以鄂81513的Cd含量較高[11]。任超等研究了119個小麥品種植株各部位分別在1.5mg/kg(低含量)和4.0mg/kg(高含量)Cd污染土壤條件下對Cd 的富集能力，分別篩選出了16個和11個Cd低積累小麥品種，其中洛旱7號可作為低高含量下Cd低積累優選小麥品種[12]。馬文蓮對30個小麥品種進行低積累品種篩選，發現不同小麥品種其籽粒、莖葉和根的Cd含量均有明顯差異性。就選用的30個小麥品種而言，籽粒Cd濃度最髙和最低相差18.29倍，品種D20、D28和D4等9個品種的籽粒Cd含量低于食品安全國家標準限定值[13]。馮亞娟等通過在不同Cd污染程度的大田和不同Cd濃度的盆栽，對30份小麥材料進行籽粒Cd積累差異的研究，最后篩選到4份穩定的籽粒Cd低積累型小麥材料(30389,77782,中梁22和綿麥37),可用于中輕度Cd污染農田的安全生產[14]。

3.2 原位鈍化

通過添加鈍化劑，原位鈍化土壤重金屬，降低有效態重金屬的含量，從而減少作物對重金屬的吸收，是當前麥田重金屬修復重要的研究方向。何玉亭等研究了5種改良劑在輕度污染土壤中對小麥鎘吸收和土壤有效鎘含量的影響，發現添加了改良劑的處理土壤有效鎘含量和小麥籽粒鎘含量均有所降低。其中石灰處理，土壤有效鎘含量較對照顯著降低36.4%，小麥籽粒鎘含量較對照顯著降低0.065mg/kg[15]。孫向輝等研究了不同鈍化劑對弱堿性土壤鎘鈍化效果及小麥鎘吸收的影響，發現2%海泡石+0.04%磷酸二氫鉀復配的處理降Cd水平最佳，可使土壤中有效態Cd含量降低16.16%，小麥地上部Cd和根部Cd含量分別降低42.31%和47.55%[16]。周相玉等研究了在鎘污染土壤上施用石灰、硫酸鎂、硫酸錳和活性炭不同用量以及交互作用對小麥生長和吸收重金屬鎘的影響,發現硫酸鎂與硫酸錳，或石灰、硫酸鎂和硫酸錳3種物質配合施用，對小麥籽粒鎘濃度和吸收量的降低表現出明顯的正交互作用，對抑制小麥體內鎘從秸稈向籽粒的轉移具有顯著效果[17]。楊夢麗等研究了原位鈍化在鎘輕度污染小麥農田上的修復效果，發現多孔陶瓷納米材料配施石灰處理，小麥籽粒Cd含量的降低效果最明顯，降低了40.0%[18]。藍蘭等研究了不同中微量元素及有益元素對小麥生長和吸收Cd的影響，發現鎂、錳、鐵、硼砂、硅酸鈉和亞硒酸鈉處理可降低小麥對Cd的吸收；而鈣、銅、鋅和硼酸處理增加了小麥對Cd的吸收[19]。張軍等篩選了3種常見礦物質類鈍化劑(氫氧化鈣、海泡石、羥基磷灰石)，對西南丘陵地區典型旱作農田鎘污染土壤開展研究，發現3種鈍化劑均對重金屬鎘有鈍化效果，其土壤有效態鎘去除率為海泡石(25.81%)>羥基磷灰石(25.43%)>氫氧化鈣(24.15%)；氫氧化鈣有效態鎘的去除率會隨著時間的推移迅速下降，海泡石和羥基磷灰石的作用相對更持久長效[20]。

3.3 葉面阻隔

通過葉面噴施阻隔劑，阻隔土壤中的鎘向可食用部位的遷移，是近年來麥田鎘污染治理的重要方向。關世羽研究了不同葉面阻隔劑對春小麥鎘累積吸收的影響，發現在分蘗期和孕穗期噴施2次阻隔劑，籽粒鎘含量降幅在37%～77%，錳鋅微肥處理降幅最大，平均降低57%[21]。李根等研究了葉面噴施鋅錳肥(配合有機硅增效劑)對小麥鎘積累的影響，發現處理后，小麥產量有增加趨勢，并且能降低小麥籽粒中鎘的含量，“川麥104”籽粒鎘降低9.38%，“川育25”籽粒鎘降低13.1%[22]。楊杰等研究了葉面噴施納米羥基磷灰石對苗期小麥生長和鎘吸收的影響，發現納米羥基磷灰石噴施處理顯著降低了新葉中的Cd質量比和Cd向新葉的轉移系數[23]。易柏竹[24]通過大田實驗，研究了6種葉面阻隔材料對小麥產量和籽粒Cd含量的影響,發現葉面噴施硅鉀材料對小麥籽粒Cd積累抑制效果最佳(較對照下降48.00%)，使籽粒Cd含量降為0.0585mg/kg。

3.4 植物修復

植物修復是通過種植對重金屬高富集的植物，將土壤中的重金屬總量降低的技術，該技術綠色無污染，可操作性強，是麥田重金屬鎘污染治理的重要方向。谷雨等研究了6種植物對土壤中重金屬鎘的富集，發現籽粒莧對重金屬鎘的富集系數最高，在醴陵、湘潭和株洲3個試驗點，籽粒莧地上部莖葉對重金屬鎘的富集系數分別達到6.79、5.49、7.37，具備對重金屬鎘的超富集特性，是修復土壤重金屬鎘污染的良好材料[25]。趙怡陽等研究了多種重金屬高富集植物的修復效果，發現富集植物對土壤中鎘的去除率為黑麥草>籽粒莧>伴礦景天>甘藍型油菜>蓖麻>香蒲，其中黑麥草對鎘的去除率達到76.4%，籽粒莧對鎘的去除率達到75.5%[26]。

4 展望

傳統麥田原位鈍化重金屬修復技術通常采用無機礦物源調理劑，其自身重金屬含量較高、堿性強，長期大量施用會破壞土壤理化性質，導致土壤板結、鈣化、有機質下降、土壤重金屬總量增加等問題。未來，在選擇重金屬低吸附小麥品種的基礎上，可探索有機源土壤調理劑為主，無機礦物源調理劑為輔的原位鈍化重金屬修復措施，其不僅可鈍化土壤重金屬，還可改良土壤，提升土壤的綜合生產能力，提升小麥產量，對保障糧食安全具有重要意義。