水稻镉污染相关农艺调控技术研究与应用进展

张燕 黄奇娜 邵国胜* 王宏航

（1 中国水稻研究所，杭州 310006；2 衢州市农业农村局农业技术推广中心，浙江衢州 324000；第一作者：zhangyan11@caas.cn；*通讯作者：shaoguosheng@caas.cn；807099788@qq.com）

近年来，随着我国工业化、城镇化和农业现代化的不断发展，重金属排放量增加，土壤与粮食重金属特别是镉污染日趋严重[1-3]。镉作为首位重金属污染物，不仅对土壤生态系统有极大破坏性，还能干扰植物的光合作用、矿物质元素吸收、电子传递等生理代谢途径，同时影响植物的营养生长和生殖过程[4-5]。镉具有很强的毒性，极具迁移性，能够通过食物链进入人体并积累，对人体造成不可逆的健康问题[6]。水稻是我国主要的粮食作物之一，镉含量超标的稻米是我国人群摄入镉的主要来源，人民身体健康面临极大威胁[7-9]。

近年来，加强防控水稻镉污染已成为政府、社会以及广大科研工作者关注的焦点。迄今为止，除制定相应标准、法规规范重金属污染物排放外，污染土壤（农田等）的相关修复技术也早已开展研究与小规模化应用。例如，旨在减少土壤中镉总量的换土、客土和深耕等物理措施以及利用螯合剂、无机溶剂、表面活性剂等进行淋洗的化学措施[10-12]。然而，这些措施在实际应用上耗费高、工程量大且易造成土壤二次污染，并不适宜大范围投入应用。相较之下，合理的水肥管理、叶面阻控等农艺调控技术较为经济、环保且高效。本文重点阐述了水稻镉污染相关农艺调控技术的研究进展与应用现状，为形成重金属镉污染区水稻安全生产的农艺调控技术综合体系提供理论依据和技术支持。

1 水稻镉污染农艺调控技术

目前，水稻镉污染农艺调控技术主要包括水分管理技术、合理施肥技术、叶面阻控技术、原位钝化修复技术、微生物修复技术、种植制度调整和种植镉低积累品种等。这些调控技术旨在通过降低土壤中重金属镉的生物有效性、降低水稻镉吸收与转运能力，实现镉污染农田的水稻安全生产。

1.1 水分管理技术

水稻不同于旱地作物，其具有特殊的水分需求规律。水稻生产过程中，合理的水分管理不仅是确保水稻良好生长和产量的关键技术，也是控制水稻镉污染最有效的措施之一。张丽娜等[13]发现，不同水分管理对水稻镉积累具有极显著的调控作用。例如旱作、不同生育期烤田和全生育期淹水处理后，水稻镉积累存在显著差异，其中全生育期淹水处理下水稻籽粒中镉含量最低。其核心机理在于淹水能够提高土壤环境酸碱性（pH）并使土壤环境呈现较强的还原状态，导致有效态镉一方面被溶解的有机质以及铁、锰氧化物吸附，另一方面可与硫离子（还原态）结合形成硫化镉沉淀，生物有效性大幅降低[14-16]；反之，旱作或者烤田后土壤的氧化环境可以增加有效态镉含量，导致水稻中镉积累量增加[17]。全生育期淹水可有效降低稻米镉积累已被大量文献报道[18-19]，但水稻生产过程中，全生育期淹水尚存一些具体问题，较难以全面推广应用。此外，杨定清等[20]进一步发现，选择水稻生长关键期（分蘖期、抽穗期和灌浆期）进行淹水处理是既能有效降低稻米镉积累又能保障水稻产量较佳的水分管理方式[19,21-22]。

1.2 合理施肥技术

合理施肥作为农业生产上重要的增产措施，同样对作物重金属镉污染具有明显的调控作用。氮、磷和钾肥作为“肥料三要素”，其品种繁多且特性各异，对水稻镉污染的调控效果差异悬殊。铵态氮能酸化水稻根际，导致根际土壤有效态镉增加，相反硝态氮则碱化水稻根际，减少根际土壤有效态镉含量[23]。曹仁林等[24-25]发现，碱性含钙磷肥能够提高稻田土壤pH，导致碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态镉分配系数增加，有效态镉减少。此外，磷酸根离子导致土壤表面负电荷增加，有效态镉被大量吸附，水稻镉积累大幅度降低。然而，施用磷肥也可能导致作物镉积累增加，一方面是由于磷肥中阳离子与有效态镉竞争专性吸附位点释放有效态镉造成的[26]；另一方面由于加工生产的磷肥并不能去除原材料磷矿石中的镉，长期施用含镉量高的磷肥会加重稻米镉污染。也有研究表明，施用磷肥会增强水稻根系的镉吸收能力[27]。衣纯真等[28]发现，除氯化钾促进水稻镉积累外，硫酸钾和硝酸钾等钾肥也能够有效调控水稻镉污染。另外，有机肥能够增加土壤中有机质含量，有机质富含活性基团，能够吸附重金属镉，导致镉生物有效性降低。合理施用有机肥能有效降低镉在水稻中的积累，也有研究表明长期不合理施用有机肥反而会促进水稻镉积累[29-31]。

1.3 叶面阻控技术

叶面喷施微肥除了能全面补充水稻生长发育所需营养外，还能有效控制水稻镉污染。王世华等[32-33]发现，叶面喷施硅肥能够显著降低水稻籽粒镉含量。邓思涵等[34]对不同浓度的叶面硅肥、钙肥、铁肥和氮肥进行比较，发现低浓度叶面硅肥对降低糙米镉含量效果最佳（降镉率57.14%）。然而，硅肥的降镉效果并未取得一致结论。在实际应用中往往会出现对水稻镉积累的调控没有明显效果，甚至促进水稻镉积累的现象[35]，具体原因和机理有待进一步深入研究。水稻植株对锌、镉的吸收与转运具有部分共同途径，即相同的膜转运蛋白。叶面施用锌肥对镉的转运具有一定抑制作用，能够有效降低糙米镉积累[36-37]。另外，管恩相等[38]发现，叶面适量施用硒肥既能增加糙米含硒量，又能有效降低糙米中镉、汞等重金属含量。目前，农业生产上运用的叶面肥种类逐渐丰富，包括营养型叶面肥（大量元素、中量元素和微量元素）、生物型叶面肥（氨基酸类叶面肥、腐殖酸类叶面肥、甲壳素类叶面肥、海藻酸类叶面肥和糖醇类叶面肥等）和调节型叶面肥（生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类和乙烯类等）等，它们抑制作物重金属积累的功能还有待进一步研究。

1.4 原位钝化修复技术

原位钝化修复主要是利用钝化剂吸附、沉淀和络合重金属，改变重金属的赋存形态以降低其迁移性和生物有效性。目前农业生产上应用较多的是无机类钝化剂（石灰、磷酸盐、黏土矿物等）和有机类钝化剂（堆肥、生物炭和动植物残渣）。石灰、石灰石等能够提高土壤pH，使土壤表面胶体负电荷增加，镉被大量吸附并沉淀[39-40]。研究报道，大田撒施石灰使水稻籽粒降镉率达到35.3%[41]。杨永杰等[42]认为，合理的石灰施用量是确保水稻镉积累有效降低的关键。张青等[43]发现，施加超细磷矿粉能有效降低水稻铅、镉的积累，这主要是因为磷酸盐类钝化剂能促进金属离子形成磷酸盐沉淀。海泡石、沸石等自身的特殊结构赋予它们较强的吸附和离子交换能力，使土壤中有效态镉含量显著降低。方志萍等[44]发现，利用海泡石可以不同程度地降低水稻各器官的铅、镉积累。此外，堆肥能够增加土壤中铁锰氧化物结合态镉的分配系数，有效降低水稻镉积累的同时促进水稻生长发育[45]。高碱性生物炭表面具有多孔结构且含有大量碳、氮官能团，能够大量吸附镉。研究表明，生物炭（降镉率28%～29%）相较于沸石（降镉率9%～13%）、磷矿石（降镉率4%～14%）能更有效降低土壤中有效态镉含量[46]。有机物料中腐殖化有机物富含的功能团对镉有良好的代换、吸附和络合作用，形成难溶的大分子金属有机络合物[47]。苏初连等[48]发现，施用腐殖酸类营养液后，稻田土壤pH上升，土壤中有效态镉含量降低了0.15～0.6 mg/kg，且稻谷产量得到提升。

1.5 微生物修复技术

微生物修复主要利用自然环境中或经人工培养具有特殊功效的微生物（细菌、真菌和藻类等）对重金属进行固定、移动或转化以达到良好修复效果[49]。目前，已有研究证明，微生物对作物重金属镉污染的阻控作用明显。细菌菌株Curpriavidus taiwanessis KKU2500-3能够将土壤中有效态镉转化为硫化镉并沉淀，使水稻植株降镉率达到61%[50]。Curpriavidus sp.Cd02、Alishewanella sp.WH161等菌株细胞表面能够吸附有效态镉，通过提高土壤环境pH促进碳酸镉沉淀的形成，稻田中有效态镉含量分别降低约6.5%和33.6%[51-52]。Burkholderia sp.Y14菌株通过促进水稻根系对土壤中铁、锰等必需营养元素的吸收以遏制镉的吸入[53]。水稻根际促生菌Enterobacter aerogenes K6、Klebsiella pneumonia K5菌株均能有效缓解水稻幼苗氧化胁迫，并抑制对重金属镉的吸收，同时促进水稻幼苗生长[54-55]。植物内生菌是指寄居在植物组织内，对宿主植物不产生伤害的一类微生物。大部分内生菌具有增加宿主对外界环境的应激耐受性。研究发现，碱蓬内生真菌Sordariomycetes sp.EF11-01能够增强镉胁迫下水稻幼苗的抗氧化防御能力，提高水稻对镉的抗性并促进幼苗生长[56]。内生菌生活在植株体内，受环境干扰较少，在实际应用中促进植物生长和提高植物耐逆性的效果更稳定，而目前成功挖掘并应用于控制水稻镉污染的水稻内生菌报道尚少[57]。

1.6 种植制度调整

种植制度调整主要是在水稻生产或空闲期轮作或间套作重金属高富集植物，利用重金属高吸收、高富集能力以降低土壤重金属总量，进而减少水稻植株镉积累。沈丽波等[58]发现，将锌、镉超积累植物——伴矿景天与水稻进行水旱轮作并配合施用钙镁磷肥能有效减少水稻镉积累。于玲玲等[59]研究发现，合适的油菜-水稻轮作体系能够有效降低油菜和下茬水稻（糙米）镉含量。谢运河等[60]通过比较“春玉米-晚稻”“早稻-晚稻”“早稻-秋玉米”三种不同轮作模式发现，只有“早稻-秋玉米”的轮作体系能够实现镉污染耕地水稻的安全生产。由于旱作植物难以与水稻进行间作，因此利用镉高富集水生植物是实现间作降低水稻镉积累的关键。研究发现，水生草本植物再力花（Thalia dealbata Fraser）抗镉能力强，与水稻间作能够有效降低稻米中的镉积累[61]。“水稻-蕹菜（Ipomoea aquatica Forsk）”间作并配以合理的水分管理、钝化修复剂使用，能显著降低水稻籽粒镉积累[62-63]。然而，高富集植物相较于普通植物，其根系能够分泌更多的有机酸，可活化大量的镉，提高镉的生物有效性，从而促进高富集植物对镉的吸收与积累，但同时也容易造成下茬水稻镉积累的增加[64]。利用高富集植物与水稻轮作，从长远来看既能降低土壤镉含量，又能降低水稻镉积累，但整体应用成本较高、见效时间较长，较难在生产中真正应用。另外，镉高富集植物的秸秆富含重金属镉，其秸秆处理与利用存在一定难度，需引起关注。

1.7 种植镉低积累品种

筛选并种植镉低积累水稻品种是安全利用镉污染稻田最有力的保障之一。镉低积累水稻品种是指在相同土壤环境下种植的水稻籽粒中镉积累量较低的品种。2014年湖南开始启动镉低积累水稻品种选育工作，先后从685个主栽品种中筛选出49个应急性镉低积累品种。DUAN等[65]从471个主栽品种或已通过审定的水稻品种中成功筛选出8个镉低积累品种。王天抗等[66]从国内外275份水稻资源中筛选出2份适合在重度镉污染耕地种植的镉低积累材料，并从其中1份与IR28杂交后代中选育出镉低积累新材料。但由于水稻品种的镉积累特性极易受环境，包括土壤环境、气候环境的影响，截至目前，尚未见到真正稳定且极少受（不受）环境影响的镉低积累品种。不过，大量研究和生产实践中发现，生育期较短的水稻品种镉积累往往较低[65,67]，建议在水稻生产中有意识地选择生育期相对较短的品种进行种植。相较于大规模筛选和培育镉低积累品种，挖掘水稻中镉吸收、转运相关调控因子，并结合分子育种手段定向培育镉低积累品种的方法更加行之有效。例如，将参与水稻根系细胞吸收镉的NRAMP5基因[68]、隔离重金属镉至液泡的HMA3基因[69]，以及参与地上部运输、分配镉的LCT1基因[70]等定向应用于改良高产高镉品种。然而，研究早已经明确这些基因表达的转运蛋白主要转运铁、锰、锌等必需元素，利用这些基因进行镉低积累品种选育尚需关注其产量、耐逆性和稻米品质等问题。此外，将Gn1a、Ghd7和RH8[71-73]等控制产量性状的优异等位基因定聚合至低镉低产水稻品种中也是进行定向培育的另一选择。

2 存在问题

我国耕地土壤镉及其他重金属污染日益严峻，严重影响了耕地的安全利用和粮食生产。目前，虽然大量农艺调控技术已被成功应用于控制水稻镉污染，但仍然存在一些局限性，需要后续加以优化、创新与集成，以期发展经济、环保、高效、稳定与可持续发展的调控技术。

水肥管理是较为普遍应用的一种农艺技术措施。研究已经明确，全生育期淹水是控制水稻镉积累最有效的水分管理模式，但由于其耗水量巨大，而我国很多水稻生产区域水资源匮乏，该技术难以推广应用，且不符合我国农业的可持续发展理念。另一方面，长期淹水会强烈改变稻田环境，导致水稻无效分蘖增加，水稻叶片的蒸腾速率和光合作用被干扰，甚至加重病虫害的发生，最终影响水稻产量和品质[20]。值得注意的是，淹水也会增加土壤中砷的生物有效性，导致水稻中砷的积累量大幅提高[21,74-75]。通过合理施肥控制水稻镉积累，需要注重不同种类和形态无机、有机肥的合理搭配，以及适时适量施用。土壤环境不同，可导致肥料施用对水稻镉污染的调控作用有着显著差异。叶面喷施微肥效率高、用量节省还能避免土壤二次污染，但在实际应用中调控效果的稳定性和持久性易受环境因素（刮风下雨、高温低温等）制约。原位钝化修复技术由于物资和劳务用工消耗较大，农民接受度相对较低。此外，该技术的作用原理主要基于对土壤pH的调控，而对土壤结构、肥力以及土壤生态系统等的影响尚未有明确定论，也并未引起广泛关注。

培育并种植镉低积累水稻品种能更有效降低稻米镉超标的风险。挖掘低镉基因并筛选优异等位基因，利用分子标记辅助育种将其聚合至优良品种中，可筛选获得稳定的低镉材料。其中，低镉新品种的筛选与认定是镉低积累水稻品种培育的核心。目前筛选和认定镉低积累品种的方法较多，但仍然存在争议之处，并未形成统一标准，大大增加了水稻镉低积累品种选育的困难，亟需建立一套简单且稳定的筛选与分级评价体系。

3 展望

土壤重金属污染较为复杂，利用农艺调控技术控制作物重金属污染应当基于对土壤环境的严密监测以及污染成分的全面剖析。建立健全的土壤污染监测与评估系统，并在此基础上因地制宜选择合理的调控技术并合理应用，才能有效控制作物重金属污染并保障作物产量。然而，单一应用某种农艺调控技术往往难以达到预期的治理效果，只有因地制宜选择多种农艺措施集成联用，建立适用于当地多目标、高效、安全、经济、绿色和可持续发展的治理体系或模式，才能取得控制作物重金属污染的最佳效果。