叶面肥对农作物阻镉效应机制研究进展

张梅华，姜朵朵，于 松，潘利祥，李朝晖

（中节能六合天融环保科技有限公司，北京 102200）

综述报告

叶面肥对农作物阻镉效应机制研究进展

张梅华，姜朵朵，于 松，潘利祥，李朝晖

（中节能六合天融环保科技有限公司，北京 102200）

张梅华, 姜朵朵, 于松, 潘利祥, 李朝晖.叶面肥对农作物阻镉效应机制研究进展 [J/OL].大麦与谷类科学,2017,34(3):1-5 [2017-05-03].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20170503.1610.001.html

叶面肥以其可溶性高、吸收好、缓解重金属吸收效果明显等优点而逐渐成为抑制作物吸收重金属研究的新热点。目前不同种类叶面肥对农作物的阻镉机理主要是通过拮抗吸收，抑制含镉的金属酶活性，降低作物的蒸腾效率以阻碍Cd的向上运输，促进抗氧化物质的形成，对重金属离子具有吸附及螯合作用，以及增加作物营养物质的叶面吸收从而增加作物胞内盐浓度以此抑制作物对根系环境及空气中重金属的吸收等。本文对此进行了综述。

叶面肥；阻抗重金属；阻镉机理

我国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的污染超标率为 16.1%，其中镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)、锌(Zn)、镍(Ni)8 种无机污染物点位超标率分别是 7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%；耕地点位超标率为 19.4%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。从无机污染物点位超标来看，镉的超标问题最为突出[1]。叶面肥以其可溶性高、吸收性好等优点而逐渐成为抑制作物吸收重金属的材料。大量研究表明，喷施含有某些元素（如硒、锌、硅、钼等）的叶面肥可以有效地缓解作物对重金属镉的吸收，减轻镉的毒害作用。但是，叶面肥缓解重金属吸收的机理仍不清晰。本文旨在对不同种类叶面肥对农作物的阻镉效应及阻镉机理进行综合阐述。

1 叶面肥分类

叶面肥种类繁多，2000 年来通过农业部认证登记的叶面肥就有近 700 种，目前按其主要成分可大致划分为4大类：

1)营养型叶面肥。此类叶面肥富含氮、磷、钾及微量元素等养分。主要功能是为作物提供各种营养元素，改善作物的营养状况，尤其适宜于作物生长后期进行各种营养的补充。

2)调节型叶面肥。此类叶面肥中含有调节植物生长的物质，如生长素等激素或生长调节剂成分。将营养元素和腐植酸混合，可制成腐酸型叶面肥。一方面能促进作物增产，另一方面还能提高作物的抗旱、抗低温及抗病性等特异抗性，改善作物品质。

3)生物型叶面肥。主要是通过人工培养、筛选有益菌类并进一步制成菌肥，有刺激作物生长代谢、减轻和防止病虫害发生等功能。此类肥料中含微生物菌体及代谢物，如氨基酸、核苷酸与核酸类物质等。

4)复合型叶面肥。此类叶面肥种类繁多，复合混合形式多样，含有多种矿物质元素。其功能有多种，既可提供营养，又可刺激生长调控发育，此类叶面肥是目前市场上最为常见的种类。

2 叶面肥对作物重金属吸收的效应研究

2.1 喷施锌、硒肥对重金属吸收的效应

吕选忠等在镉污染条件下对叶面喷施硒、锌肥，结果表明，施硒、锌对镉的吸收具有明显的抑制作 用 ， 分 别 使 生 菜 的 镉 吸 收 率 降 低 31.63% 、37.01%；此外，施硒使生菜硒吸收率增加高达121.3%，施锌则使生菜锌吸收率增加 117%[2]。方勇等研究叶面喷施硒肥（以生物肥做载体，加入亚硒酸钠制成富硒肥料母液），喷施低浓度硒肥（25 g/hm2和 50 g/hm2）时 ，大 米 中 镉 含 量 与 对 照 组 相 比未发生较大变化；当喷施浓度增加至 75 g/hm2和100 g/hm2时，稻米中硒含量和粗蛋白含量显著增加，且有利于锰和铁元素的吸收，此外，也显著降低稻米中汞、铅、镉含量，其中，稻米中镉含量分别降低 11.7%和 15.6%[3]。汤海涛等喷施腐植酸肥、富硒肥、自配钛硒微肥 3 种叶面肥，结果发现，喷施 3 种叶面肥可以有效降低铅、镉、汞、铬、砷 5 种重金属含量，降低幅度在 18%～46%，其中对于镉的降低效果，以自配钛硒微肥效果最好，降低率为 52%，腐植酸肥最差，降低率为 22%[4]。

2.2 喷施硅肥对重金属吸收的效应

王世华等采用盆栽实验，通过在水稻生长期内叶面喷施有机硅和无机硅，研究水稻籽实对镉的积累量和吸收系数。结果表明，土壤镉达到 50.0 mg/kg时，喷施有机硅和无机硅后，籽实镉含量下降率分别为 44%和 53%；水稻籽实镉含量随着土壤镉增加，下降更加明显，并且有机硅的作用强于无机硅[5]。李慧敏等利用水热合成法制备二氧化硅溶胶，氧化硅溶胶具有颗粒细、比表面积大、分散度高、附着性强的优点，易被植物吸收。微量稀土元素能够增加植物抗性，促进叶绿素合成，提高产量，喷施一定浓度的溶胶可以缓解生菜的砷毒害[6]。李芳柏等利用含二氧化硅的叶面阻隔剂进行了5年的田间技术示范，实验组较对照组稻谷增产 29.6%，稻米中砷含量下降 40.2%，镉含量下降 28.2%，大面积实施后，稻米重金属超标面积降低 40%[7]。李超等研究蔬菜喷施硅、钼、硒及其配合喷施发现，小白菜、辣椒、萝卜3种蔬菜作物的多个品种可食用部位的镉含量均有明显下降[8]。

2.3 喷施壳聚糖对重金属吸收的效应

甲壳素经脱乙酰基后得到的一种天然阳离子多糖，称为壳聚糖。它不仅可以作为植物的抗菌剂，还可以作为重金属离子的螯合剂和吸附剂，因此可将壳聚糖用于重金属污染土壤的修复[9]。研究表明，壳聚糖能够影响镉胁迫条件下小麦生长及生理，小麦幼苗经过镉处理后生长受到明显的抑制，叶绿素的含量降低、金属硫蛋白和丙二醛（MDA）的含量提高，表现出典型的镉胁迫特征；经过壳聚糖处理的小麦所受到的镉毒害得到显著缓解，减少了小麦幼苗对镉的吸收[10]。顾丽嫱等对火鹤叶片进行镉胁迫，发现叶片中 MDA含量、可溶性蛋白含量、相对电导率均明显提高，而叶绿素含量明显降低，进而认为壳聚糖处理能显著缓解镉对火鹤的毒害[11]。

2.4 喷施微量元素对重金属吸收的效应

马建军通过叶面喷施不同质量浓度的 FeSO4溶液来研究小白菜吸镉量。结果表明，低质量浓度的Fe能减少小白菜对镉的吸收，改善小白菜品质；此外，叶面喷施磷酸氢盐溶液(KH2PO4)能降低镉、铅、锌在稻米中的积累，提高水稻产量[12]。周青等对利用镧甘氨酸配合物（La-Gly）防止镉伤害小白菜的生理效应进行研究，结果表明，200 mg/LCdCl2对小白菜的生长产生严重的抑制作用，通过叶面喷施 100mg/L La-Gly，能有效减轻镉对其造成的伤害[13]。

3 叶面肥阻镉机制

镉是已知的最容易在生物体内积累的重金属，具有半衰周期长、毒性大的特点。有研究表明，水稻茎叶和谷物中镉积累的主要过程来自于木质部的运输[14]，这说明叶面喷施可能是通过抑制茎叶中的镉向穗部转移来降低糙米镉含量的。开发具有重金属阻控功能的叶面肥的意义，在于它不会对土壤造成二次污染，因为叶面肥作用于作物本身，通过减少叶面吸收和表皮渗透进入作物的镉来控制镉含量，同时叶面喷施可能会阻断镉在作物体内向上运输[15]。Hill等在 1970 年就提出，理化性质相近的元素与有毒的金属元素之间在生物学上具有协同或者拮抗作用[16]。如：Cd2+和 Zn2+为同族元素，具有非常相近的化学性质，因此，对于生物细胞上的结合位点，2种离子可以产生互相竞争的作用。

3.1 锌、硒对镉的拮抗作用

植物中镉与锌的相互作用早就被关注，但是至今没有得出一致的结论，Wagner 认为是协同效应[17]，Alloway 认为是拮抗效应[18]，Thomet等认为无相互作用[19]。目前多数研究表明，锌、镉之间存在着拮抗作用[1]。虞银江等研究表明，叶面施用锌肥对降低水稻叶片镉含量的作用，是由锌、镉共用亲和性质膜转运蛋白所产生的锌/镉拮抗作用，从而阻控了早稻（Y 俩优 792）茎、叶部镉向上的迁移；而对晚稻（农香 130）叶片中镉富集则起到促进作用[20-21]。Adiloglu研究证明施用锌肥可降低谷类作物中镉积累，竞争镉在细胞上的结合位点[22]。水稻中锌元素含量存在显著的基因型差异[19]，最终对水稻中镉分布的影响也存在差异。龙思斯等研究也表明，两个水稻品种在相同的叶面锌肥下表现的锌、镉交互作用也不同，锌在水稻植株中与镉所体现的拮抗与协同并没有一致的结论[23]。

硒是油菜体内谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的组成部分，外源硒的供应会使油菜体内该酶成分之一的谷胱甘肽（GSH）含量增加，而 GSH 富含巯基，巯基可与镉结合，钝化细胞中的镉，从而降低镉引起的毒害作用[24]。植物体内的硒可与镉结合形成镉 - 硒 - 蛋白质复合体，从而将镉排出 体外[25-26]。也有研究直接表明，外源硒能明显降低植物对镉的吸收[27-28]。Han 等的研究表明，低硒处理（含量≤4.4mg/kg）可使MDA含量下降，提高了烤烟抗氧化胁迫的能力，显 著降低镉胁 迫引起的 膜质过氧化程度[29]。有学者认为，硒能提高谷胱甘肽过氧化物酶的活性，抑制含镉的金属酶的形成，从而阻碍镉的吸收[30]。

3.2 硅对镉的生理作用

叶面喷施硅肥减轻水稻重金属毒害和降低水稻对镉等重金属吸收的机理可能是一种生理作用。硅作为水稻的必需元素，可以提高水稻叶片叶绿素含量、根系活力，降低细胞膜透性，从而提高水稻对重金属毒害的抵抗能力[31]。王世华研究认为，纳米硅一方面通过降低作物的蒸腾效率，减少有害元素的吸收和向地上部的运转，从而降低作物对镉的积累；另一方面可促进水稻幼苗体内合成植物螯合肽（PCs），减少了活性重金属的比例；同时叶面喷施纳米硅还可以改善作物的营养吸收，促进抗氧化物质的合成，增强水稻幼苗的抗氧化能力[32]。Liu 等研究发现，水稻从叶面吸收的硅运输到根系，增强了根系细胞壁对镉的吸附固定能力，从而阻止了镉从根系向上转运[33]。崔晓峰等研究还发现硅能提高保护酶活性，缓解自由基对细胞膜的损害，保护膜的完整性，从而抑制镉进入根部细胞[34]。

3.3 壳聚糖对镉吸附与螯合作用

顾丽嫱等研究发现，在镉胁迫下，喷施壳聚糖可有效提高火鹤幼苗叶片中叶绿素的含量，降低MDA 含量、可溶性蛋白含量和相对电导率，从而缓解镉的毒害作用[11]。壳聚糖分子中含有大量的氨基和羟基，使之具有离子交换、螯合和吸附作用。王志华等利用 X 射线光电子光谱法（XPS）测定了多孔性壳聚糖凝胶小球吸附 Cd2+前后各元素结合能及各元素的组成，结合化学分析法的结果，提出壳聚糖吸附镉既有表面物理吸附又有化学吸附，壳聚糖中-NH2是 Cd2+的吸附活性基团，其分子链上的 -OH不参与吸附反应[35]。

3.4 微量元素缓解作物重金属毒害的作用机理

微量元素铁（Fe）、镧（La）、硼（B）、钼（Mo）等会通过叶面渗透作用被蔬菜叶片吸收，增加叶片中营养物质的含量，这样蔬菜对于从根部运输的营养需求就相对减少，所以施用叶面肥会降低蔬菜中的重金属含量。另外，叶面肥中微量元素和氮、磷、钾等营养元素通过叶面进入组织细胞，增加了细胞液中的盐浓度，也进一步抑制了根部及叶片对土壤和空气中重金属离子的吸收，降低对重金属的富集[36]。铈通过提高抗氧化系统保护酶活性及自身特性，清除由于重金属镉、铅 胁迫产生的大量自由基，减轻膜脂过氧化程度[34]，从而保护膜的完整性，阻碍镉、铅进入细胞，降低小白菜地上部和根部镉、铅含量。

4 结语

目前，大多数研究都致力于土壤施用条件对农作物吸收重金属镉的影响，而通过叶面喷施，从农作物的外部环境着手减少植物对镉吸收的研究却较少。喷施硒 /锌肥、硅肥、壳聚糖以及其他微量元素（硼、钼等）均能在一定程度上有效阻隔农作物对镉的吸收。不同种类叶面肥对农作物的阻镉机理主要是通过拮抗吸收，抑制含镉的金属酶活性，降低作物的蒸腾效率以阻碍镉的向上运输，促进抗氧化物质的形成，对重金属离子具有吸附及螯合作用，以及增加作物营养物质的叶面吸收、增加作物胞内盐浓度以此抑制作物对根系环境及空气中重金属的吸收等，但对镉吸收阻抑机理的研究仍相当不够，还须进一步深入下去。

[1]中华人民共和国环境保护部.环境保护部和国土资源部发布 全 国 土 壤 污 染 状 况 调 查 公 报 [A/OL].2014-04-17 [2016-11-02].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201404/t20 140417_270670.htm.

[2]吕选忠,宫象雷,唐 勇,等.叶面喷施锌或硒对生菜吸收镉的拮抗作用研究[J].土壤学报,2006,43(5):868-870.

[3]方 勇,陈 曦,陈 悦,等.外源硒对水稻籽粒营养品质和重金属含量的影响[J]. 江苏农业学报,2013,29(4): 760-765.

[4]汤海涛,李卫东,孙玉桃,等.不同叶面肥对轻度重金属污染稻田水稻重金属积累调控效果研究 [J].湖南农业科学, 2013(1):40-44.

[5]王世华,罗群胜,刘传平,等.叶面施硅对水稻籽实重金属积累的抑制效应[J].生态环境,2007,16(3):875-878.

[6]李慧敏,刘传平,李芳柏,等.叶面喷施铈硅复合溶胶抑制生菜 砷 积 累 效 应 研 究 [J]. 生 态 环 境 学 报 ,2010,19(5): 1108-1113.

[7] 李芳柏,刘传平.农作物重金属阻隔技术新型复合叶面硅肥及其产业化[J].中国科技成果,2013(16):77-78.

[8]李 超.硅、钼、硒及其配合喷施对几种蔬菜吸收、积累镉及蔬菜品质的影响 [D].武汉:华中农业大学,2011.

[9]章绍康,王光辉,徐 兰.壳聚糖及其衍生物在环境污染治理中的应用[J].化工环保,2015(2):154-158.

[10]王 云,蔡 汉,陆任云,等.壳聚糖对镉胁迫条件下小麦生 长 及 生 理 的 影 响 [J]. 生 态 学 杂 志 ,2007,26(10): 1671-1673.

[11]顾丽嫱,李春香,高凤菊,等.壳聚糖对镉胁迫下火鹤生理生 化 指 标 的 影 响 [J]. 安 徽 农 业 科 学 ,2010,38(17): 8934-8935.

[12]马建军.铁对蔬菜生长及吸镉量的影响[J].河北职业技术师范学院学报,1999,13(4):26-28.

[13]周 青,黄晓华,彭方晴,等.镧 - 甘氨酸配合物对镉伤害小白菜的影响[J].环境科学,1999,20(1):91-94.

[14]URAGUCHI S,WATANABE I,YOSHITOMI A,et al. Characteristics of cadmium accumulation and tolerance in novel Cd-accumulation crops,Avena stragosaandCrotalaria juncea[J].Journal of Experimental Botany,2006,57(12): 2955-2965.

[15] 沙乐乐.水稻镉污染防控钝化剂和叶面阻控剂的研究与应用[D].武汉:华中农业大学,2015.

[16]HILL C,MATRONE G.Chemical parameters in the study of in vivo and in vitro interactions of transition elements[J]. Federation Proceedings,1970,29(4):1474-1481

[17]WAGNER G J.Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health[J].Advances in Agronomy, 1993,51:173-212.

[18]ALLOWAY B.HeavyMetals in Soil[M].2nd.London:Blackie Academic Professional,1995.

[19]THOMET U,VOGEL E,KRAHENBUHL U.The uptake of cadmium and zinc by mycelia and their accumulation in mycelia and fruiting bodies of edible mushrooms[J].European Food Research and Technology,1999,209(5):317-324.

[20]虞银江，廖海兵，陈文荣，等. 水稻吸收、运输锌及其籽粒富集锌的机制[J]. 中国水稻科学，2012，26（3）：365-373.

[21]周 坤，刘 俊，徐卫红，等.外源锌对不同番茄品种抗氧化酶活性、镉积累及化学形态的影响[J]. 环境科学学 报 ，2014，34（6）：1592-1599．

[22]ADILOGLU A.The effect of zinc （Zn）application on uptake of cadmium （Cd） in some cereal species[J]． Archives of Agronomyand Soil Science，2002，48（6）：553-556．

[23]龙思斯，杨益新，宋正国，等.三种类型阻控剂对不同品种水稻富集镉的影响 [J].农业资源与环境学报,2016,33 (5):459-465.

[24]庞晓辰,王 辉,吴泽嬴,等.硒对水稻镉毒性的影响及其机制的研究[J].农业环境科学学报,2014,33（9）:1679-1685.

[25]方继宇,贾永霞,张春梅,等.马缨丹对镉的生长响应及其富集、转运和亚细胞分布特点研究[J]. 生态环境学报,2014,23（10）:1677-1682.

[26]屈婵娟,吴志超,赵小虎,等.硒对镉胁迫下不同基因型油菜镉积累、光合特性及抗氧化活性的影响[J].农业资源与环境学报,2015,32(5):490-497.

[27]FENG R W,WEI C Y,TU S X.The roles of selenium in protecting plants against abiotic stresses[J].Environmental and Experimental Botany,2013,87:58-68.

[28]LIN L,ZHOU W H,DAI H X,et al.Selenium reduces cadmium uptake and mitigates cadmium toxicity in rice[J]. Journal ofHazardous Materials,2012,235-236(2):343-351.

[29]HAN D,LI X H,XIONG S L,et al.Selenium uptake, speciation and stressed responseof Nicotiana tabacumL.[J]. Environmental and Experimental Botany,2013,95:6-14.

[30]IP C,BIRRINGER M,BLOCK E,et al.Chemical speciation influencescomparativeactivityofselenium-enrichedgarlic and yeast in mammarycancer prevention[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2000,48(6):2062-2070.

[31]GALVEZ L,CLARK R B,GOURLEY L M,et al.Silicon interaction with manganese and aluminumtoxicityin sorghums [J].Journal ofPlant Nutrition,1987,10(9/10/11/12/13/14/15/16): 1139-1147.

[32]王世华.叶面喷施纳米硅增强水稻抗重金属毒害机理研究[D].南京:南京农业大学,2007.

[33]LIU C P，LI F B，LUO C L，et al． Foliar application of two silica sols reduced cadmium accumulation in rice grains[J]. Journal ofHazardous Materials，2009，161(2/3):1466-1472.

[34]崔晓峰,李淑仪,丁效东,等.喷施硅铈溶胶缓解镉铅对小白菜毒害的研究[J].土壤学报,2013,50(1):171-177.

[35]王志华,王书俊,黄毓礼.X 射线光电子光谱法研究壳聚糖吸附 Cd（II）的机理[J].分析实验室,2001,11(20):14-16.

[36]赵海香,袁 丁,贾艳霞,等.不同施肥方式对蔬菜富集铅特性的影响[J].北方园艺,2011(11):8-11.

Research Progress on the Cadmium Resistant Mechanisms of Foliar Fertilizers on Crop

ZHANG Mei-hua,JIANG Duo-duo,YU Song,PAN Li-xiang,LI Zhao-hui
(CECEPL&T EnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Beijing102200,China)

Foliar fertilizer has become a new research hotpot nowadays due to its high solubility,good absorption,and significant effect of reducing plant heavy metal absorption.This paper reviews the research progress on the mechanisms by which different types of foliar fertilizers inhibit plant cadmium absorption.Their main mechanisms of action are as follows:antagonism to heavy metal absorption,inhibition of cadmium metal enzyme activity,reduction of Cd transpiration efficiency in crops,promoting the formation of antioxidant substances,adsorption and chelation of heavy metal ions,enhancing crop uptake of nutrients by foliage,and increasing cellular salinity to control the heavy metal absorption from plant rhizosphere and air.

Foliar fertilizer;Heavy metal resistance;Cadmium resistant mechanism

X53

：A

：1673-6486-20160277

2016-11-02

十三五国家科技计划支撑项目（2015BAD05B00）。

张梅华（1987—），女，硕士，主要从事环境微生物治理。E-mail:meihua.zhang@talroad.com.cn。