水稻降鎘技術研究進展

作者簡介：胡國龍（1967—），男，大專，農藝師，研究方向： 農產品質量檢測及農業技術。

通信作者：劉小余（1985—），男，碩士，農藝師，研究方向：農業技術推廣及農作物病蟲害防治。

摘 要：水稻鎘超標已成為威脅糧食安全和食品安全的大問題，也是制約水稻產業提質增效的關鍵因素。鎘是植物生長的非必需元素，當鎘進入植物體內并積累到一定程度后，植物的多種生化活動會受到嚴重破壞，并對人體產生毒性。為了安全利用鎘污染水稻田，研究人員也越來越重視各類水稻降鎘技術。為了給相關研究提供參考，從低鎘水稻品種選育和篩選（種植前）、土壤改良劑阻鎘（種植中）、稻谷加工脫鎘（種植后）和“VIP+n”技術降鎘（集成技術）這4個方面出發，對水稻降鎘技術研究進展進行綜述，并對其發展方向進行展望。

關鍵詞：低鎘水稻；土壤改良劑；加工；“VIP+n”技術

中圖分類號：S511；X173 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）1-84-4

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.021

0 引言

水稻是我國主要糧食作物，其對鎘的吸附能力要強于其他農作物，從而導致稻田鎘污染成為當前水稻生產面臨的一大難題［1］。作為人體非必需元素，鎘會通過生物富集和生物放大進入食物鏈，嚴重危害人類的身體健康。如何安全利用鎘污染稻田，并實現水稻降鎘，阻止鎘進入食物鏈，已成當前研究熱點。為了給水稻降鎘相關研究提供參考，對水稻低鎘富集品種選育和篩選、土壤改良劑阻鎘、稻谷加工脫鎘和“VIP+n”技術降鎘等研究進展進行梳理和總結，并對未來研究方向進行展望。

1 低鎘水稻品種選育和篩選

1.1 低鎘水稻品種選育

目前，已進入示范推廣階段的低鎘水稻品種有“臻兩優8612”和“西子3號”。“臻兩優8612（蓮兩優1號）”由“隆臻36S”（母本）和“華恢8612”（父本）雜交得到，是國內首個非轉基因，且可直接推廣種植的鎘低積累雜交水稻品種。在鎘中度、重度污染的大田中，“臻兩優8612（蓮兩優1號）”籽粒的鎘質量分數比普通水稻品種下降90%以上，其籽粒鎘質量分數在0.03 mg/kg以下。2023年，“臻兩優8612（蓮兩優1號）”在海南省種植單產達4.39 t/hm2［2］。以“珞紅3A”和“珞紅4A”為供體，利用常規育種技術，結合低鎘分子標記輔助選擇法選育出的“西子3號”，是首個通過國審的低鎘水稻品種［3］。

目前，鎘低積累水稻品種的育種方法研究也取得了一定進展。華永歡［4］采用CRISPR/Cas9技術敲除粳型糯稻品種粳糯（Gn）的OsNramp5基因，獲得1個低鎘吸附的糯稻材料，并采用CRISPR/Cas9技術敲除秈型骨干親本宜香1B和蜀恢498（R498）材料中的Wx、OsNramp5基因，獲得2個低鎘吸附的新型糯性材料。裴峰等［5］在南粳46背景下，對OsNramp5基因進行敲除，創建無外源轉基因成分的Nramp5-KO敲除系，并通過試驗證明Nramp5-KO敲除系的鎘元素積累明顯降低，但產量和品質有不同程度下降。張上都等［6］以貴州省水稻耕種區的87個主栽水稻品種為研究對象，篩選出含有低鎘積累主效基因qCd7.1位點的9種水稻品種，其籽粒中的鎘含量顯著低于不含低鎘位點基因的品種。趙新輝等［7］通過60Co-γ射線輻射雜交水稻恢復系“華恢8612”，得到突變株“輻8612-12”；在中低度鎘污染環境下種植“輻8612-12”，其籽粒鎘含量穩定，且低于國家限量標準值。

1.2 低鎘水稻品種篩選

低鎘水稻品種篩選是對已有品種進行篩選，從而找到適合當地生境的鎘低積累品種。劉星星等［8］綜合考慮產量、水稻鎘積累和抗倒伏能力，發現“野香優明月絲苗”“兩優336”“美香占”“黃華占”“鄂豐絲苗”適宜在南方稻蝦田中栽種，“野香優莉絲”“豐山絲苗”“靚占”適宜在南方丘陵地區風較小的稻蝦田中種植。蔣小芳等［9］以安順市平壩區的7個主栽水稻品種為試驗材料，篩選出“泰優553”適宜在鎘輕中度污染稻田中推廣種植。劉榮等［10］兼顧稻米低鎘含量和高產量，在湖北省40個主栽秈稻品種中篩選出“隆兩優1686”和“巨2優60”，可作為推薦品種在湖北省鎘污染安全利用類稻田中種植。

2 土壤改良劑阻鎘

在水稻種植過程中，施用土壤改良劑可改善土壤環境質量，提高土壤生態功能，從而降低鎘在稻米中的富集。一方面，土壤改良劑會改變土壤環境，促進土壤中的鎘向遲態和無效態轉化；另一方面，土壤改良劑可提高水稻根系活性，緩解鎘對光合作用和抗氧化酶的毒副作用。

科學合理的施肥方式是最直接、最易推廣實施的鎘污染修復技術。周娟等［11］采用“有機肥+熟石灰+復合肥”和“有機肥+土壤調理劑+復合肥”2種施肥方式，能有效改善水稻田耕地質量，降低土壤鎘含量。在“荃優259號”種植過程中施用有機肥（老河口市綠美生物科技有限公司產品）和土壤調理劑［環保橋（湖南）生態環境工程股份有限公司產品］，可使稻谷和土壤中的鎘實現雙降［12］。

眾多研究表明，含硅的土壤改良劑能有效阻止鎘的富集。唐樂斌等［13］以“五優1179”和“絲香1號”為供試材料，于水稻孕穗期和灌漿期噴施硅（Si）、硒（Se）阻隔劑，不但能提高稻米產量，還降低了糙米中的鎘含量，且成本相對較低。在“豐優208”稻米種植中施用硒類阻控劑、硅類阻控劑均可減少鎘在稻米中的含量［14］。張宇鵬等［15］用配制好的土壤調理劑（SiO2質量分數為11.7%、有機質質量分數為18.3%）進行試驗，證明有機硅在將鎘固定于土壤中的同時，阻隔了水稻根系對鎘的吸收，水稻各部位的鎘含量均有所下降。

考究市售的各類改良劑應用效果和開發新的土壤改良劑，對稻田鎘生物修復一樣重要。楊西帆等［16］持續2 a對市售鈍化劑不同施用量對土壤中有效態鎘含量及稻米鎘含量的影響，發現由浙江省農業科學院研發的長效型鈍化劑（含90%方解石和10%腐殖酸礦粉）阻控水稻籽粒鎘富集的效果和持效性最優。復配鈍化劑（1%生物炭+0.2%硅肥/石灰，BS/BL）不但能顯著降低土壤中鎘含量，可使水稻籽粒中的鎘含量降低60%以上，且對水稻產量無不利影響，能實現鎘污染稻田的原位鈍化修復［17］。以牡蠣殼、石灰石等為原料的礦物源調理劑，通過降低土壤鎘活性，可阻控鎘進入水稻遷移與富集，且能增加水稻產量［18］。用CaO、FeSO4和改性電廠灰（BFA）來處理鎘污染稻田，能降低水稻各部位對鎘的富集系數［19］。考慮處理效果與處理成本，以6 000 kg/hm2復合鈍化材料（配比為m高嶺土∶m磷灰石∶m赤泥=1.0∶0.2∶0.2）來處理水稻，土壤中有效態鎘的降低率達到44.12%，稻米降鎘至國家標準以下［20］。用硫酸鋅溶液浸種能顯著促進秧苗生長，同時使在鎘污染土壤中生長的常規稻秧苗鎘濃度明顯下降［21］。鮑佳宇等［22］在水稻種植中施加鈣鋁層狀雙氫氧化物（CaAl-LDH），使田塊土壤離子交換態鎘下降26.71%，殘渣態鎘和鐵錳結合態鎘分別升高了18.49%、5.68%，稻米中的鎘含量下降68.42%；經過連續2 a原位監測顯示，稻米籽粒鎘含量降幅仍保持37%以上。

3 稻谷加工脫鎘

鎘在水稻各個部位的分布不同，且稻谷加工工序會影響鎘的轉移［23］。利用稻米清潔加工技術和工藝來降鎘，是阻止鎘進入食物鏈的最后關口。

超聲波作為一種穿透力強的機械波，在清潔領域中的應用越來越廣泛。研究表明，超聲波在稻米加工脫鎘方面的效果顯著。在超聲條件下，稻米浸泡116 min，超聲功率為560 W，浸提溫度為53 ℃，糙米的降鎘率達到38.97%，蒸谷加工的降鎘率為40.89%［24］。在米線加工過程中，低強度超聲波能使浸泡液中的細菌物種多樣性增加，會提高乳桿菌屬細菌的相對豐度，而乳桿菌屬細菌具有產乳酸特性，有利于提高脫鎘率［25］。此外，檸檬酸對稻米加工脫鎘也有幫助。陶湘林等［26］利用檸檬酸溶液對大米淀粉中的鎘進行脫除，再用脫鎘淀粉進行復配，通過雙螺桿擠壓機制得到耐酸性更好的擠壓重組米。此前，有學者從物理降鎘、化學降鎘和微生物降鎘方面對各種稻米加工降鎘技術進行了詳細研究［23，27］。

4 “VIP+n”技術降鎘

“低鎘品種 （Variety） +全生育期淹水灌溉（Irrigation）+施加生石灰調節土壤酸堿度（pH）+輔助措施（n）”（VIP +n）技術是一種將植物生理特性與農藝措施相結合的技術，是目前相對成熟的稻谷種植降鎘集成技術。近年來，多地圍繞“VIP+n”技術開展田間試驗，探索該技術組合在輕中度重金屬鎘污染稻田中的應用，為構建更科學、精細的鎘污染耕地修復治理技術模式打下基礎。

肖歡歡等［28］在耒陽市以25個鎘低積累水稻品種為供試品種，證實在鎘中度污染區應用“VIP+葉面阻控劑”技術能有效減輕土壤中重金屬鎘對水稻的危害，可提高水稻產量，從而實現稻谷出“鎘”而不染，有力保障稻谷質量安全［28］。藍勁松等［29］通過試驗證明，“VIP+A+B”（選用低鎘品種 + 淹水灌溉 + 施加生石灰 + 施加土壤鈍化劑 + 施加有機肥）處理對早稻的降鎘效率最高達98.36%、晚稻的降鎘效率達73.29%，早晚稻分別增產7.98%、8.74%。陳嘉莉等［30］在衡東縣進行大面積示范和對比試驗證明，應用“VIP+n”技術能降低稻米鎘含量，施用生石灰和土壤調理劑可降低稻田土壤中有效態鎘含量。易佳佳等［31］在湘陰縣采用全生育期淹水管理，在水稻分蘗期和灌漿期施用葉面阻鎘劑，試驗田較2016年同區域稻田和當年同區域雙季晚稻田均大幅降低。劉明書等［32］在辰溪縣開展試驗，發現“IP”“VIP”“VIP+n”均具有顯著降鎘效果，“IP”處理（淹灌+施石灰）技術是辰溪縣當前應對稻田鎘污染的首選技術，“VIP”“VIP+n”處理技術適合在辰溪縣鎘污染較重區域推廣應用。李威等［33］的研究表明，應用“VIP+n”技術能顯著提高酸性土壤pH值，緩解土壤酸化，降低土壤中有效態鎘含量（降低幅度為44.50%～81.33%），且對土壤有機質含量不產生明顯影響，在降低稻米鎘含量的同時，不減少水稻產量。唐金花［34］在湘潭縣以早稻“中嘉早17號”和“湘早秈24號”、晚稻“H優518”和“岳優27”為試驗材料，對經濟效益和稻米降鎘效果進行分析，證明“VIP”技術組合是降低農田重金屬污染稻米鎘含量較為有效的技術。在瀏陽市早稻“中早39”和“株兩優819”生產中，施用生石灰能顯著降低稻谷總鎘含量；在晚稻“H優518”和“金優59”栽培中，采用“IP”和“VIP+施用土壤調理劑”處理，能顯著降低稻谷總鎘含量［35］。

綜上所述，“VIP+n”技術較為成熟，并應用于湖南省多個地區；且結果證明，該技術對鎘污染土壤及稻谷的降鎘效果明顯，具有一定推廣意義；但該技術在一定程度上受可選低鎘品種少、季節性干旱等因素的影響。

5 發展展望

水稻降鎘關系著“舌尖上的安全”，研究意義重大。水稻降鎘的重點在于土壤源頭管理。從長久計，只有改善水稻生長環境，才能讓稻谷不受“鎘”擾。鑒于我國“大國小農”的現實，當下水稻降鎘應做好以下兩點：一是對各地鎘污染農田（特別是土壤和農產品皆鎘超標的農田）實施嚴格管控，由政府統一采購低鎘水稻品種，由企業按低鎘種植技術進行生產，并將稻谷脫鎘加工后進入食物鏈；二是各地應利用當前全國第三次土壤普查的契機，同步開展有針對性的各種水稻降鎘技術田間示范試驗，總結出更多降鎘集成技術，做到未雨綢繆。

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