水稻重金属污染及其阻控技术研究

邓思涵 陈聪颖 严冬 龙九妹，2 丁丹 雷鸣*

（1湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；2衡阳师范学院生命科学与环境学院，湖南衡阳421000）

随着经济的迅速发展，相对应而来的重金属污染也随之普遍，其中水稻重金属污染尤为突出[1]。对重金属目前尚没有严格的统一定义，一般是指密度大于4.5 g/cm3的金属。在环境污染方面所说的重金属主要包括镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、准金属元素砷（As）等生物毒性显著的元素，也包括一定毒性的铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）、镍（Ni）等常见元素。根据环境保护部和国土资源部发布的全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤污染物质以无机类型污染物为主，其中 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等8种污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[2]。因此，研究水稻中重金属污染阻控技术具有极其重要的意义。

1 水稻富集重金属的研究现状

从中国知网查阅（时间为1998年1月1日至2018年12月31日），输入关键词“水稻”和“重金属”，中国学术期刊网络出版总库有1 570篇，其中博士论文235篇，优秀硕士论文785篇，重要会议及其他82篇。如果从学科类别来看，环境科学与资源利用有1 496篇，农作物有653篇，生物学有296篇，农业基础科学284篇，农艺学238篇，轻工业140篇，化学67篇，预防医学与卫生学61篇，植物保护52篇，园艺41篇，自然地理学和测绘学39篇，矿业工程32篇，地质学31篇，农业经济20篇，有机化工18篇。从作者单位来看，排在前10的分别是浙江大学192篇，南京农业大学182篇，湖南农业大学97篇，四川农业大学80篇，中国科学院南京土壤所67篇，扬州大学63篇，中南林业科技大学53篇，华中农业大学53篇，西南大学47篇，福建农林大学43篇。由此可看出，对水稻重金属污染问题的关注度和重视度普遍较高。

从湖南省高等学校图书馆数字资源共享平台查阅，输入关键词“水稻”和“重金属元素名称”，查阅了近20年发表的水稻重金属污染文献（1998年1月1日至2018年12月31日），发现目前水稻重金属污染的研究仍主要放在 Cd 上，其次是对 As、Pb、Cu、Zn 的研究，而对Hg、Cr、Ni则研究较少。与单一重金属污染相比，对复合污染开展的研究则更少。

2 重金属对水稻的危害

重金属不能被土壤中的微生物所分解，因而会在土壤中不断积累，影响土壤性质[3]。重金属可以通过水稻根部的吸收和转运作用，在其根、茎、叶及籽粒中大量富集，并通过食物链的传递进入人体从而严重危害人体健康[3-4]。

Cd进入水稻体内后，影响线粒体及叶绿体的功能[5-6]，抑制叶肉细胞的生长，降低叶中叶绿素的含量，最终导致叶片光合作用率下降[7]。Hg可以影响水稻的光合作用、水稻抗氧化酶和活性基团及其水稻蛋白质磷酸化。As能影响水稻秧苗的初期生长，降低根系活力，导致功能叶明显黄化，还可以干扰核酸和蛋白质的合成，使可溶性糖和蛋白质的含量减少，同时抑制体内磷的功能，阻碍叶绿素的合成和减少干物质的积累，最终导致产量下降[8]。Pb可以抑制水稻的细胞分裂和生长，抑制某些酶的活性，影响组织蛋白质的合成，降低光合作用和呼吸作用，损害细胞膜系统，降低水稻的营养价值和产量[9]。水稻积累过量的Cu会使其生理代谢失调，导致根部从土壤中吸收氮的能力大幅下降，造成生长发育不良、分蘖减少、减产等一系列后果[10-11]。水稻若缺Zn则新生的叶片基部会失去绿色变成白色，中下部叶片中脉两侧出现不规则形状的棕色小斑点，严重时可能会蔓延到叶鞘部分，下部老叶容易发脆、易断，还会导致茎节变短，上下叶鞘重叠，叶枕并列。Cr在水稻体内积累后会出现氧化胁迫、改变叶绿体和细胞膜的结构，影响正常发育和生长代谢[12]。水稻中Ni一旦超过限量标准，就会出现一些列中毒症状，如植株矮小、叶片黄化，严重者直接坏死[13]。

表1 不同年份水稻重金属发表文章情况 （篇）

3 水稻富集重金属的来源

水稻等作物主要依靠根部从土壤中吸收养分及重金属，重金属对水稻的危害也主要来源于土壤。农田土壤中重金属的来源主要是大气沉降、污水灌溉、农用物资长期不合理使用、固体废弃物堆放等。重金属化合物的大气沉降是土壤中重金属污染超标的重要途径，包括矿山开采和金属冶炼都是产生大气沉降污染物的重要来源[14]。污水灌溉是采用工业废水、排污江河湖水或污染过后的城市地下水直接对农田进行灌溉。研究表明，在我国约140万hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%[15]。农用物资主要包括农药、化肥、地膜、畜禽粪便和污泥堆肥等[16-17]。

4 阻控水稻富集重金属的措施

大量研究证明，土壤中重金属含量与水稻体内重金属含量及稻米中重金属含量呈明显正相关，因此，减少土壤中重金属总量或者降低土壤中重金属的生物有效性是当前最为关键且最为有效的修复技术。传统的土壤修复可分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。但是对于稻田中重金属而言，目前修复阻控技术主要包括钝化技术、叶面肥阻控、品种筛选和农艺措施等。

4.1 钝化技术

在中低度重金属污染稻田中施用适量的钝化材料是目前降低稻田重金属活性，减少水稻对其吸收与富集的有效途径之一。现阶段钝化材料主要包括：生石灰、生物炭、海泡石、钙镁磷肥、有机改良剂等。生石灰是目前对酸性污染耕地最常用且最廉价的钝化材料，施用生石灰可以提升土壤pH值，生石灰中的Ca2+离子还能与重金属离子形成拮抗作用，最终使土壤中重金属的有效态降低[18]。但过度施用生石灰可能导致土壤板结，造成土壤肥力下降，增加水稻对其他重金属离子吸收的风险。生物炭是当前稻田钝化技术的研究热点，是可持续性较高的一种钝化方法，在稻田中加入生物炭可以提升土壤pH值、阳离子交换量、水溶性硫酸根离子和可溶性有机碳，能有效吸附重金属离子，降低重金属的有效态。但生物炭本身可能携带重金属离子，长期施用可能会增加稻田中重金属的含量。海泡石对重金属有很强的吸附结合作用，其主要功效是提高土壤pH值和对重金属进行物理化学吸附，最高解析率可达到70%[19]。但海泡石不能连续多年使用，其可能诱发稻田土壤次生潜育化风险。钙镁磷肥的作用与石灰相类似，主要是提升土壤pH值，固定和降低土壤中重金属离子的交换态和有效态，同时还能增加水稻产量，但成本较高。有机改良剂主要有畜禽粪便、水稻秸秆和堆肥等，这些有机改良剂都含有大量有机质，有机质中含有大量的有机配位体，能与重金属离子形成难溶和稳定的络合物或螯合物，继而降低水稻对重金属的吸收及转运。但由于有机物的不稳定性和复杂性可能会分解成有机酸类的物质，而这些物质会活化稻田中的重金属离子。

4.2 叶面肥阻控

叶面肥阻控技术是指直接向水稻等植株叶表面上施用肥料的一种措施，也是目前阻控水稻对重金属吸收的一种较好手段，主要包括叶面施硅（Si）、锌（Zn）、硒（Se）、铁（Fe）、钼（Mo）肥等。施Si可以显著促进作物的生长，提高作物的抗逆性，还能提升叶绿素的含量，提高根系活度和增加产量。研究表明，Si进入水稻体内后可以向根部移动[20]，与重金属发生沉淀反应，从而降低重金属在水稻体内向上运输的过程，最终减少地上可食用部分中重金属的含量。Zn可以使水稻叶片中Zn、Cd共用的亲和性质膜转运蛋白产生Zn/Cd拮抗作用[21]，Se可以与重金属发生沉淀，还能使重金属在细胞点位上发生移动或者改变细胞膜对重金属的通透性[22]。Fe和Mo都属于微量元素，其作用是能够提高水稻叶片细胞中抗氧化系统保护酶的活性，清除重金属产生的大量自由基，降低作物膜脂过氧化程度，保护细胞的完整性，缓解重金属的毒害，达到阻控重金属进入细胞内部的作用[23]。另外还可以喷施叶面腐殖酸肥和叶面壳聚糖，这两种物质都属于大分子物质，都具有很强的离子交换、螯合作用和吸附作用，使重金属难以进入到水稻体内，以此达到阻控效果。叶面肥既可以使水稻增产，还能有效降低水稻对重金属的吸收，是一种具有良好经济利用价值的阻控技术。但是在实际应用中单一喷施叶面肥很难达到完全阻控水稻对重金属的吸收，同时其作用还受天气、温度和喷施浓度等因素的影响。

4.3 水稻品种筛选

筛选低吸收重金属品种是目前治理水稻重金属污染的有效措施之一。水稻对不同重金属离子的抗性机制主要体现在金属蛋白及其功能上[24]。这些金属蛋白主要是由过量的重金属离子所诱导，由水稻等植物细胞合成，金属蛋白可以进入细胞内与重金属相结合，从而达到降低重金属毒害的作用[25]。研究表明，不同水稻品种体内的金属蛋白含量不一致，其对稻米富集重金属的能力会相差高达198倍，水稻籽粒转运重金属能力基本上表现为超级稻＞杂交稻＞常规稻，且一般高产水稻品种中的重金属含量高，低产水稻品种中的重金属含量低[26]。同时筛选出来的水稻品种还应该满足适应当地气候、多重重金属抗性、产量基本稳定等因素[27]。筛选出合适的水稻品种是一个难题。

4.4 农艺管理措施

农艺措施主要包括施肥、间作和水分管理。研究表明，在Cd污染的土壤中采用全生育期淹水灌溉比湿润灌溉和间歇性灌溉更有利于降低土壤中Cd的生物有效性和稻米中Cd的含量[30]。在稻田淹水状态下，土壤胶体和团聚体、pH、Eh、碳酸盐、阴阳离子、有机物和可溶性有机物、铁锰氧化物、含硫化合物、碳酸盐、磷酸盐、根系分泌物、微生物都可能产生变化[29-30]，而以上这些物质都可以影响重金属的生物有效性。HU等[33]研究表明，从不淹水逐渐到全生育期淹水，稻米中Cd的含量下降了90%，但As的含量却上升了50%，同时产量较传统管理模式有下降趋势。

5 总结与展望

目前阻控水稻吸收重金属虽然取得了一定程度的进展，但远远没有达到我们预期所需的效果。为了使我国稻米能够达到国家食品污染物限量标准，未来需要开展以下几点工作。

抓紧源头控制，加大对稻田周边冶金业、矿业、养殖业等管理，从源头上减少重金属流入稻田土壤系统中；开展多种阻控技术研发，仅仅靠单一修复技术很难达到预期结果，需多种技术相结合，如湖南省开展的“VIP+n”阻控技术；选育高产、低吸收重金属能力的水稻品种，深入研究水稻吸收重金属的机理，加强大田试验研究，现阶段开展的研究主要是集中在实验室水培或盆栽等小规模试验上，未来应该加强系统化的大田试验研究；开展复合污染研究。