镉对玉米的毒害效应及调控措施研究进展

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

镉对玉米的毒害效应及调控措施研究进展

孙姣辉，陈婷婷，滕振宁，张同科，贺晟阳，罗红兵*

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

镉是一种生物毒性很强的非必需元素，且易于被吸收。镉通过在玉米内富集进入食物链，危及人类健康。综述了土壤中镉污染来源、对玉米生长及生理生化特性的影响，及玉米对镉的吸收积累与分配等研究情况，讨论了降低其毒性的调控技术。

镉；吸收；积累；毒害；玉米

随着工农业的迅速发展，全球环境中重金属含量急剧上升［1］，重金属引起的土壤肥力退化、农作物产量降低和品质下降，严重影响环境质量和经济的可持续发展［2］。镉是生物毒性很强的重金属之一，具有化学活性强、不可逆性、移动性大和毒性持久等特点，易通过食物链的富集作用危及人类健康，玉米是我国重要的粮经饲作物，发展玉米生产是一项长期的战略任务。但随着生态环境恶化和耕地面积的锐减，发展“优质、高产、高效、生态、安全”玉米生产面临严峻挑战［3］。因此研究镉对玉米生产的影响具有非常重要的意义。

1 土壤中镉的来源

土壤中镉的来源主要有两种，一种是自然源，另一种是人类活动源［4］。

1.1 土壤镉自然源与背景值

自然土壤中镉通常主要来自于成土母质，仅自然源而没有或鲜有人类活动引入镉的土壤中的水平，称为土壤镉的背景值。一般土壤中的背景值为0.01～2 mg/kg［5］。我国土壤的背景值平均为0.097 mg/kg［6］。据美国地质调查局（USGS）研究，截止2013年中国以92 000 t镉储量成为世界镉储量最为丰富的国家［7］。镉主要分布在我国中部、西南部及华东地区，如云南、广东、湖南、贵州等地［6］，各区域的镉背景值总体分布为：西部地区＞中部地区＞东部地区；北方地区＞南方地区［8］。这一分布特征可能与土壤成土过程中的水热条件以及生物气候带有关。

1.2 土壤镉人类活动源

镉对土壤的主要污染途径包括工业废水废渣、污水灌溉、磷肥的大量施用等。王凯荣研究表明，湖南省农田镉污染主要来源于工业排放的废水和废气［9］。湘江流域的郴州、衡阳和湘潭等地区土壤Hg、Pb、Cd、Cu和As等重金属含量严重超标［10］。水资源匮乏促使污灌在我国广泛应用，缓解农业用水资源短缺的同时也造成农田重金属污染，如沈阳市郊区某河沿岸部分乡镇的污灌农田土壤镉含量范围达到0.15～8.23 mg/kg，严重超出我国土壤环境质量二级标准值，属于重度镉污染地区［11］。白银市污水灌溉区、黄灌区农田土壤Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg、F等有害物质严重超标，且呈逐年递增的趋势［12］。据报道，含镉磷肥的大量施用已给全球环境带入约660 000 kg镉［13］。韩晓日等研究发现，长期施用磷肥和高量有机肥会增加土壤中镉的含量，表层土壤镉积累量与施肥密切相关，不同土层镉含量随施肥时间的延长而增加［14］。

2 镉对玉米幼苗生长的影响

重金属镉对植物的伤害最先表现在种子的萌发及幼苗的生长上，低浓度的镉能促进玉米种子的萌发，提高其发芽率、发芽势［15～17］，刺激玉米根系生长、苗高及地上部干物质累积［18］，但当环境中镉离子超过一定阈值时，则抑制玉米的生长，即镉对玉米种子萌发、幼苗生长具有低浓度下促进和高浓度下抑制效应［19］。叶绿素是植物光合作用的基础物质。相关研究表明，玉米幼苗叶片的叶绿素总量及叶绿素a、叶绿素b值随着镉浓度的增加而增加［20，21］，且在相同处理下，叶绿素a/b值明显增加，说明叶绿素a比叶绿素b对重金属镉更敏感［21～23］，可能是Cd2+被植物吸收后，叶绿素体膜系统的结构受损，影响叶绿素的生物合成，导致叶绿素含量降低。植物细胞在Cd2+胁迫下细胞膜系统发生明显改变，高度液泡化。宇克莉等［24］研究发现，‘津单2号’低镉处理下（10-6mol/L），玉米幼苗根尖细胞质膜内陷，并形成大小不一的囊泡，细胞器中内质网和高尔基体丰富且分泌大量囊泡，且部分囊泡融合成较大的液泡，细胞内出现大量囊泡能包裹重金属镉离子，将镉分隔在某一特定区域，且液泡中存在的蛋白质、糖、有机酸等物质可结合重金属镉，从而解缓其破坏作用［25，26］。随着镉离子浓度的增高和处理时间的延长，细胞膜破裂，细胞解体。

3 镉胁迫对玉米生理生化特性的影响

叶绿体结构被破坏、叶绿素含量降低、叶片的光合强度下降，这是植物被重金属镉毒害的普遍现象。根系活力能反映出植物根系的吸收能力和合成代谢强弱，随着镉离子浓度的增加，玉米根系活力持续下降［18］。在各种逆境条件下，植物体内的活性氧的产生与清除的平衡系统被破坏［27］，过多的活性氧可攻击细胞内蛋白质、脂类及DNA碱基，引发膜脂过氧化、生物膜系统破坏和植物生理代谢紊乱［28］。细胞膜系统受到破坏后，透性增加，使丙二醛含量上升。植株自身存在活性氧清除系统包括酶系统和非酶系统，前者包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等，后者有抗坏血酸、维生素E、谷胱甘肽（GSH）等，它们以不同途径来缓解镉胁迫所产生的毒害。在低镉处理下和镉胁迫初期，玉米体内活性氧酶清除系统活性变化不大，但随着镉浓度增加及处理时间延长，酶活性均呈上升趋势［29］。但也有研究发现，在Cd2+胁迫初期，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性均升高；随着胁迫时间延长，叶片中SOD和CAT活性略有上升，其他抗氧化酶活性逐渐下降，且高浓度组抗氧化酶活性下降最明显［30］，其可能是镉处理时间、浓度及品种间差异造成的。微生物活性和群落结构的变化能反映出土壤质量，环境中重金属镉浓度增高时，会影响甚至抑制微生物的生长及代谢活动［31］。

4 镉在玉米中的吸收积累与分配

环境中的镉通过根部、叶片吸收和表皮渗透3种途径进入玉米体内。玉米从环境中吸收镉之后，经体内运输分布至根、茎、叶等各个器官。因不同组织器官的功能、结构与代谢能力、重金属对器官亲和性的差异，从而植株各部位镉积累量存在显著差异。邵华伟等［32］连续3年在添加不同剂量的生活垃圾堆肥的土壤中种植玉米试验，成熟期玉米植株各器官重金属镉分布：根部＞茎秆＞叶片＞籽粒；曹莹等［33］研究表明，在铅镉复合污染的土壤，玉米各器官对镉的吸收规律是根＞下叶＞茎＞上叶＞籽粒，且玉米植株各部位的镉含量随镉浓度的升高呈现上升的变化过程。两者的研究结果均表明，植株根部镉含量大于地上部镉含量，其可能的原因是玉米根系中的镉进入根的皮层细胞后与根内蛋白质、多糖、核糖、核酸等化合形成稳定的大分子络合物，或形成不溶性有机大分子而沉积下来，导致向地上部运输受阻。李静等［34］研究表明，葫芦岛锌厂周围重金属污染程度不同的地区，玉米成熟期植株不同器官的Cd、Pb、Zn浓度大小均依次为：叶＞根＞茎＞籽粒。该分布特征与其他研究者［35～38］的结果类似。但与邵华伟的有所出入，可能是由于土壤类型及背景值、水热条件、其它污染造成。对于重金属镉在玉米植株体内各器官的分布不能一概而论，还有待进一步的验证和探讨。

另外，同一植物不同品种、植物不同部位及不同生育时期，土壤水分等因子也会影响镉的吸收。玉米籽粒重金属含量在品种间差异显著，甜玉米品种籽粒重金属含量高于饲料玉米品种，灵丹20、正丹958等籽粒Cd、Pb、Zn和Cu含量均低于甜玉米品种丰田1号、超甜38等［39］。孙洪欣等［40］研究发现，洛玉803籽粒镉含量均显著高于先玉335、伟科702、敦煌1号和秀青74-9的，且其高出幅度分别为46%、45%、41%和38%。玉米品种根、茎和叶镉含量在各生育时期也表现出不同的变化趋势。杨惟薇等［41］研究发现，玉米的根、茎、叶吸收积累镉最高的时期是苗期，根、茎镉含量在不同生育期呈相同的吸收规律，镉含量从高到低依次为苗期、拔节期、灌浆期、抽雄期和成熟期；而叶片镉含量从高到低依次为苗期、抽雄期、拔节期、灌浆期和成熟期。黄益宗等［42］研究表明，土壤水分含量对玉米苗期地上部及地下部镉含量有影响。

5 农田土壤重金属镉污染修复措施

目前修复土壤重金属污染主要有以下几种途径：一是通过物理/化学手段来分离或固定土壤中的重金属，二是利用生物修复削减土壤环境中的重金属含量，三是通过农业生态修复技术，降低其生物有效性。针对土壤镉污染，可以通过以下几种途径来治理。

5.1 物理/化学修复技术

物理/化学修复技术是指通过物理/化学手段来清除或固定土壤中的重金属，达到清洁土壤和降低其生物有效性。客土法、换土法、去表土、深耕翻土法等工程措施由于工作量大且成本较高只适合于修复小面积污染土壤。据报道，磷矿粉、磷酸氢钙等磷酸盐、碳酸盐和硅酸盐［43］，厩肥、猪粪、鸡粪等有机肥［44，45］、生物炭［46，47］、石灰、活性炭等碱性物质［48，49］，沸石、膨润土等矿物均可降低土壤镉有效性［50，51］。林爱军等［52］研究表明，10 g/kg骨炭处理下，土壤中水溶态和交换态镉浓度降低，而碳酸盐结合态镉、有机结合态镉、残渣态镉浓度显著增加，这说明骨炭可降低镉的迁移性和生物有效性，稳定、固化土壤中的有效态镉。

5.2 生物修复

生物修复是指利用动物、微生物或植物的生命代谢活动，减少土壤重金属含量或通过改变重金属的化学形态从而降低其毒性。如柠檬酸细菌能通过胞外沉淀作用分解有机的2-磷酸甘油［53］，恶臭假单胞菌通过减少对Cd2+的吸收，产碱细菌可合成新的膜蛋白，以阻止Cd2+渗透至胞内［54］。微生物还可通过氧化、还原、甲基化和去甲基化作用来转化重金属，从而降低重金属污染程度。植物修复技术因其经济、环境友好被广泛采用。李凝玉等［55］研究认为，扁豆、眉豆和鹰嘴豆等豆科植物与玉米间作能显著提高玉米对镉的吸收积累能力，可大大提高玉米作为修复植物的镉清除效率。黑麦草、东方香蒲、麻疯树、芦苇、芦竹、荻、五节芒、芥菜、白榆、泡桐和构树等植物可通过植物稳定来降低土壤中重金属的移动性［56，57］。

5.3 农业生态修复技术

秸秆、稻草等有机肥料的施用能钝化土壤有效态镉，促使土壤中活性较高的交换态Cd转化为活性较低的有机结合态Cd和锰氧化物结合态Cd［58］。其可能的原因是土壤中有机质络合了土壤中Cd2+，土壤有机碳含量、土壤微生物和酶系的活性增强，从而加速了土壤重金属污染物的降解。据报道，土壤重金属形态、吸附解吸与不同形态的氮、磷、钾肥密切相关［59］。吴启堂等［60］研究认为，在11种N、P、K肥的不同形态中，分别以Ca（NO3）2、钙镁磷肥、硫酸钾处理的菜心镉含量最低，且该形态的化肥处理具有较高的pH值、较低的水溶性态和交换态Cd，因而合理施用化肥能有效降低重金属污染。改变耕作制度和调整作物种类也是降低土壤镉污染的重要措施，如选择超富集作物（如东南景天、圆锥南芥、天蓝遏兰菜、野生苋、麻等）种植于重金属污染严重的地区，并通过连续种植收割将重金属移除，在轻度重金属污染的地区，种植重金属耐性植物小黑麦、大豆等。

6 研究展望

综上所述，土壤镉污染严重影响了玉米的生长发育，且易通过食物链传递富集，危及生态环境、食品安全和人类健康。目前的研究主要集中在水培、盆栽或小规模的试验上，应加强大田试验研究的力度。一方面应深入研究玉米在镉胁迫下生理生化变化及玉米对镉胁迫防御机制、耐镉玉米的抗性机理，充分利用分子生物学和基因工程技术培育低镉、高产优质的玉米品种。另一方面，重金属修复技术已成为了国内外研究的重难点，改良剂原位修复技术因受土壤理化性质、重金属离子、作物等因素的影响，其修复效果不是很理想，有必要深入探讨现有改良剂的修复原理及影响改良剂使用效果的不同因素，如土壤类型、pH值、Eh，以及温度、湿度等气候因子。植物修复因其成本低廉、环境友好被广泛采用，应加大力度挖掘超富集植物、高抗性微生物、动物等资源研究。由于目前土壤重金属污染呈现出多样性和地域性，联合修复技术已成为未来发展趋势，微生物—动物—植物联合修复技术、化学—物化—生物联合修复技术、物理—化学联合修复技术是土壤修复的新内容，同时，加强土壤学、植物学、微生物学、生态学、化学、遗传学等学科间的紧密合作，取长补短，有利于更好的修复重金属污染土壤。

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Research Progress about the Toxic Effect of Cadm ium on Maize and Regulation Measures

SUN Jiaohui，CHEN Tingting，TENG Zhengning，ZHANG Tongke，HE Shengyang，LUO Hongbin*

（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Cadmium is a non essential element but high biotoxicity，and is easy to be absorbed.Cadmium enter into food chain through enriched in corn，thereby endanger to human and animal health.This paper summarizes the Cd pollution sources in the soil，the effects of Cd on the growth and physiological and biochemical characteristics ofmaize，the absorption，accumulation and distribution of Cd inmaize.Themeasures to regulate Cd poisonous effectwere discussed.

Cadmium；absorption；accumulation；toxic；maize

S513；X173

A

1001-5280（2017）01-0088-05

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2017.01.23

2016 09 12

孙姣辉（1989-），女，硕士研究生，Email：914737502@qq.com。*通信作者：罗红兵，教授，Email：1289413219@qq.com。

湖南省农业委员会科技项目。