重金属镉、铅对小麦的影响及改良剂缓解效果研究进展

宋淑艳，拜丽克孜·买提库尔班

（1.天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384；2.和田职业技术学院 农业科学系，新疆 和田 848000）

截至2019 年底，我国小麦种植面积已达2 373 万hm2。随着我国现代化建设的推进，随之带来的环境污染问题以及生态破坏问题不容忽视，我国农田环境整体上呈现恶化趋势。从污染特征来看，重金属离子污染是农田土壤和水体的主要污染物[1]。对于小麦生产而言，由于小麦根系在一定条件下会吸收重金属，不仅影响植物生长，还会在植物器官中富集，被人体吸收后，对人体健康造成危害。

1 重金属来源及对人体的危害

1.1 农田重金属来源

1.1.1 污水灌溉 由于我国降水特点是南多北少，季节上分布不均匀，造成我国呈现缺水的态势。加上经济的快速发展导致水污染，造成水源性缺水，使农业水资源更加捉襟见肘，某些情况下使用污水或者已经被重金属污染的水源成为不得已的办法。通常情况下在使用污水灌溉农田时，污水中的重金属离子会残留在土壤之中。根据农业部的数据显示，截止到2000 年，我国的污水灌溉面积已达430 多万 hm2[2]。由于污水灌溉导致的大量农田重金属积累问题已经不能再被忽视。

1.1.2 大气污染 矿物开采、重工业生产（如有色金属加工、金属冶炼）所排放的废气中含有大量重金属颗粒物，这些污染物通过干沉降或湿沉降的方式从大气进入土壤，并且大气污染物容易随风迁移造成大面积污染。

1.2 重金属对人体的危害

镉进入人体内主要分布在骨骼中，半衰期长。痛痛病就是长期食用镉大米导致体内钙元素流失，最终患病。镉也在人体的肝、胰腺内分布，导致多种慢性疾病的发生。

慢性铅中毒较为常见，主要是扰乱人体酶系统，破坏人体机能。大脑作为铅元素的靶器官，血铅含量如果超标，会给神经系统带来严重的损害和影响，如造成学龄儿童智力和发育的迟缓。另外铅还会影响人体免疫系统，造成人体自身免疫力的下降等。

2 镉、铅元素对小麦生长的影响

2.1 镉、铅元素对小麦种子萌发的影响

小麦种子的萌发标志着小麦生长阶段的开始，同时也是植物最早接触重金属的阶段。据周秋峰等[3]研究，小麦发芽率、发芽势随镉离子浓度升高有明显降低的特点，与镉离子浓度上升呈负相关等。但也有不同研究结论，如祝杜民[4]的研究表明，在施加低浓度镉2 mg·L-1和5 mg·L-1的情况下，小麦发芽率较对照有所增加，呈现促进作用。镉浓度达到一定程度才会对小麦发芽产生明显的抑制作用，发芽率呈逐渐下降趋势。何俊瑜等[5]的研究表明，镉对小麦种子萌发的影响不仅与浓度有关，还与小麦品种有关，不同小麦品种对镉的反应差异较大。一般情况下，镉的化合物浓度大于50 mmol·L-1时，小麦种子生长和萌发从一开始就会受到严重的影响和抑制。

张雅莉和王林生[6-7]对中国春小麦、硬粒小麦的种子萌发和幼苗生长的研究表明，当添加铅离子50 mg·L-1时，供试小麦中音1320 品种的发芽率、发芽势有所增高，较对照分别上升了4%和12.9%；而当铅离子浓度达到200 mg·L-1时，中音1320 品种的发芽率较对照下降了0.5%和2.2%。说明小麦种子对重金属有一定的耐性，但超过一定限度后，随重金属离子浓度的增加，小麦的发芽指数和活力指数下降。

2.2 镉、铅元素对小麦幼苗生长的影响

研究显示，镉、铅元素均对小麦幼苗生长具有胁迫作用，幼苗的根长、芽长、根长/芽长、根重、芽重、根重/芽重 6 项指标均呈递减趋势[3]。对小麦幼苗长度和重量进行比较，镉、铅对小麦幼苗长度的抑制大于对重量的抑制。从根芽比的不断降低来看，镉、铅对小麦幼根生长的毒害大于对幼芽的毒害。这主要是由于小麦幼根吸附固定大量的重金属离子，阻碍重金属离子向地上部分迁移，减少了对芽的损伤，导致小麦幼根生长受抑制明显强于芽受抑制[7]。从小麦幼苗生长角度分析，即使低浓度的重金属对种子造成的影响有限，发芽率和发芽势未明显降低，甚至部分品种发芽率略有提高，但萌发之后，小麦幼苗在此环境中生长便会受到抑制。部分小麦品种如洛旱6号、中育10号、豫农949等在低浓度镉的环境下，幼苗生长较对照更好，但这种正向促进效果有限并会随着时间的延长逐渐消失[8]。

2.3 镉、铅元素对小麦干物质积累及产量的影响

镉、铅胁迫影响小麦后续生长，表现为株高降低，地上部干重减少，影响小麦正常抽穗。镉处理后，小麦抽穗和开花时间比对照晚5 d左右[9]。重金属胁迫也会影响小麦产量，叶面积指数、有效穗数、穗粒数、千粒重等均受到影响[10]。铅、镉对小麦产量的影响主要体现在影响小麦分蘖能力。据黄萍霞[11]研究，随镉、铅离子浓度的上升，小麦有效穗数呈下降态势。

对小麦穗粒数和穗粒重的直接影响主要体现在灌浆过程中。小麦籽粒灌浆物质来源按形成时间的先后可分为2部分：一部分是花前贮存于营养器官中，花后转移到籽粒中的同化产物；另一部分是花后的同化产物，包括直接输送到籽粒中的光合产物和开花后形成的贮藏性物质向籽粒的再转移。干物质的转移影响小麦籽粒质量。研究显示，灌浆期间镉离子可能损伤“叶-茎鞘-穗”这一同化物运输途径，导致同化物不能顺利从叶和茎鞘运往穗部，部分同化物滞留在叶片和茎鞘。由于干物质运输受阻，势必影响小麦穗部发育，造成产量下降。

3 改良剂对土壤镉、铅离子的缓释效果

3.1 碳酸钙、粉煤灰的改良效应

碳酸钙、粉煤灰能有效缓解镉、铅对小麦的毒害。粉煤灰富含K、Ca、Mg 等碱性金属，提高土壤pH 值的同时也改变了土壤理化性状，促进土壤中一些微生物活性的增强并促进养分转化。另外钙、镁是植物生长所必需的元素，钙离子能在植物根部吸收镉、铅时产生抵抗作用，即当钙离子加入后，植物根部对重金属元素的吸收将会减少，同时会增加对钙的吸收。另外，钙离子能参与到小麦细胞壁结构的构建，与果胶质结形合成不溶性的沉淀，阻止镉、铅离子的侵入。

3.2 黏土矿物的改良效应

黏土矿物储量丰富，为含水硅铝酸盐的统称，是一类天然清洁剂，广泛应用于土壤重金属的改良中。其原理是黏土矿物颗粒小、比表面积较大，在土壤中与土壤溶液形成胶体，利用其优良的吸附性和离子交换性实现土壤改良。用粘土矿物做改良剂的主要作用是与重金属离子进行吸附、离子交换、配位反应，共沉淀等，从而达到固定重金属的效果。

海泡石是一种镁硅酸盐黏土矿物，具有很强的吸附能力。据郝金才等[12]研究，在施用海泡石的情况下，土壤中有效态铅含量、有效态镉含量较对照降低19.2%和30.8%，显示海泡石对中度镉污染、高度铅污染的土壤有良好的修复作用。

3.3 生物炭的改良效应

生物炭是农作物秸秆或者其他生物质材料在缺氧或无氧条件下，在小于700 ℃下裂解而形成的一种含碳丰富的、稳定的芳香化的固体物质。由于生物炭在土壤中具有稳定的土壤芳香化结构，土壤中的细菌、真菌难以对生物炭进行降解，有效阻止了由于微生物对生物炭的分解使得被结合的重金属离子再次进入土壤，延长了治理时间，缓解了土壤镉、铅污染。研究表明，土壤酸碱性影响生物炭对镉、铅的吸附效果。据黄敏等[13]研究，生物炭施入不同酸碱性的土壤中，土壤中的有效镉和铅含量均显著降低，且有效态铅含量降幅均明显大于有效态镉含量，有效态镉和铅含量降幅分别为50.05%和58.6%，酸性土壤明显比中性土壤和碱性土壤降幅要高。

4 结 论

总体而言，低浓度的镉、铅对小麦发芽率、发芽势有促进作用，但达到一定浓度时，对小麦种子萌发呈现抑制作用，且随浓度的增加，抑制效应越明显。相同浓度的镉、铅比较，小麦种子萌发受镉的影响较大，这可能因为镉在土壤中的迁移能力较强，更易进入小麦根系。与空白对照比较，镉、铅处理的小麦株高有不同程度的下降，产量也随重金属处理浓度的增加而下降。但部分小麦品种对镉、铅的耐受性较好，可承受相对较高的重金属浓度，如中育10 号出现了在低浓度下促进幼苗生长的现象，但这种现象随时间的延长而减弱。因此，较耐受镉、铅的品种可作为耐性品种进行推广种植。

我国小麦产区广泛，不同地区土质、土壤环境明显不同，镉、铅有效态的实际状况也不同。研究显示，土壤pH 值、Eh 值越低，镉、铅有效态越高。土壤阳离子越高，一定程度上可以吸收更多的镉离子和铅离子。碳酸钙、粉煤灰、黏土矿物、生物炭对土壤改良均有较好效果，但使用时也要视具体情况而定，过量使用往往会导致相反的结果。大多数改良剂对我国南方酸性土壤有较好的改良效果，但对中性和碱性土壤改良效果较差。少数改良材料如巯基修饰坡缕石可在中性土壤中应用，具有较好的效果。