章清杞 林荔輝 張青齡 黃建立

（1 福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院，福州350002；2 福建省糧油質(zhì)量監(jiān)測(cè)所，福州350002；第一作者：376401757@qq.com）

鎘（Cd）是一種生物毒性很強(qiáng)的重金屬元素，在自然環(huán)境中不能降解，具有很高的生物累積系數(shù)，可以通過灌溉水或土壤富集到水稻的各個(gè)器官。水稻吸收過量Cd 不僅影響生長(zhǎng)發(fā)育，還會(huì)富集在稻米內(nèi)并通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)身體健康造成極大危害[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)污染物大量排放及含Cd 劣質(zhì)農(nóng)藥、化肥的大量使用，致使我國(guó)的耕地受污染面積增大，特別是稻田重金屬污染日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致我國(guó)部分農(nóng)產(chǎn)品Cd 含量超標(biāo)，湖南的“鎘大米事件”就是一個(gè)典型的例子，Cd 污染已嚴(yán)重威脅我國(guó)糧食安全[3-4]。由于重金屬污染造成的我國(guó)糧食產(chǎn)量損失每年超過1 000 萬t，導(dǎo)致總經(jīng)濟(jì)損失超過200 億元[5-6]。近年來，不少研究者對(duì)Cd 積累的調(diào)控技術(shù)已進(jìn)行較深入的研究，提出了各種調(diào)控Cd 積累的措施[2-6]。本文就調(diào)控與防治水稻Cd 積累的技術(shù)措施進(jìn)行綜述，以期為水稻安全生產(chǎn)提供參考。

1 鎘低積累水稻品種選育

水稻對(duì)Cd 的吸收和富集存在明顯的品種間遺傳差異，Cd 低積累水稻品種在稻田土壤Cd 超標(biāo)的環(huán)境條件下種植其稻米Cd 積累量相對(duì)較低。實(shí)踐證明，低Cd 積累水稻品種的選育是解決稻米Cd 污染最經(jīng)濟(jì)、可行的方法[7-8]。許艷霞等[9]研究表明，種植低Cd 積累水稻品種兩優(yōu)336 可使稻谷Cd 含量降低36.4%，有效降低水稻Cd 污染。江川等[10]對(duì)60 個(gè)水稻品種Cd 吸收能力進(jìn)行研究，得出秈稻品種的Cd 積累水平顯著高于粳稻，并篩選出Cd 低吸收品種臺(tái)粳8 號(hào)。劉三雄等[11]以湖南省水稻研究所選育的20 份水稻新品系為材料，進(jìn)行連續(xù)多年、多點(diǎn)在Cd 污染區(qū)種植，結(jié)果表明，有16份材料稻米Cd 含量低于湘晚秈13 號(hào)，其中R1195 等10 份材料顯著低于對(duì)照湘晚秈13 號(hào)，BG130 等8 份材料極顯著低于湘晚秈13 號(hào)。篩選出Cd 低積累不育系W115S 和恢復(fù)系R1195、R1514。張錫洲等[12]從眾多水稻材料中篩選到Cd 低積累恢復(fù)系13 份，其Cd 積累量最大值是最小值的2.03 倍，篩選到Cd 低積累保持系2份，其Cd 積累量最大值是最小值的1.40 倍。肖國(guó)櫻等[13]的研究認(rèn)為，爪哇稻較抗Cd 積累，可以利用爪哇稻作為雜交親本來選育Cd 低積累品種。從2014 年開始，湖南省開始大規(guī)模篩選低Cd 水稻品種，先后篩選出了49 個(gè)應(yīng)急性Cd 低積累品種，囊括了早稻、中稻和晚稻等三個(gè)類型[14]。湖南雜交水稻研究中心也于2014—2016 年征集雙季稻品種285 個(gè)（早稻品種98 個(gè)，晚稻品種187 個(gè)），在重金屬污染區(qū)進(jìn)行了低Cd 積累品種篩選試驗(yàn)，共篩選出應(yīng)急性Cd 低積累品種25 個(gè)，包含早稻品種12 個(gè)、晚稻品種 13 個(gè)[15]。此外，中嘉早 17、株兩優(yōu) 189、華 1s/R039、長(zhǎng)兩優(yōu) 772、長(zhǎng)兩優(yōu) 1419、長(zhǎng)兩優(yōu) 051、川作優(yōu) 1727、德香 4103、川作優(yōu) 6203、蓉 18 優(yōu)447、宜香優(yōu) 4245、蜀優(yōu) 217、岡優(yōu) 725。甬優(yōu) 538、春優(yōu)84、嘉禾218、秀水134 等品種也被證明具有Cd 低積累特性[3，16-17]。

在低Cd 積累分子育種研究方面，研究者利用碳離子束輻射誘變技術(shù)獲得3 株NRAMP5 基因突變體，在鎘污染條件下其稻米Cd 含量顯著降低[18]。TANG 等[19]利用基因敲除技術(shù)，也獲得了NRAMP5 基因突變體，并證實(shí)了NRAMP5 基因能夠降低Cd 的積累，但對(duì)農(nóng)藝性狀影響不明顯。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)了另外2 個(gè)低鎘突變體，lct1 和lcd。LCT1 在RNAi 干擾表達(dá)后植株的Cd 含量能降低一半。lcd 是一個(gè)水稻Tos17 插入突變體，能減少稻米的Cd 積累[20-21]。在低Cd 材料的分子標(biāo)記輔助育種方面，陳彩霞等[14]利用4 個(gè)低Cd 分子標(biāo)記，對(duì)5 769 份高代育種材料進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，篩選到低Cd 積累兩系不育系8 份、恢復(fù)系72 份。

2 土壤調(diào)控技術(shù)

目前我國(guó)稻米Cd 超標(biāo)的主要原因在于農(nóng)田土壤的Cd 污染。研究表明，稻米的Cd 含量與稻田土壤中的Cd 含量呈顯著正相關(guān)[22]。所以，解決稻米Cd 超標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)是治理土壤的Cd 污染問題。目前修復(fù)稻田土壤Cd 污染主要有兩種方法，一是物理和化學(xué)修復(fù)方法，二是生物修復(fù)方法。

2.1 物理化學(xué)修復(fù)

采用物理或化學(xué)手段治理是降低土壤Cd 污染有效的方法。土壤中的Cd 不容易發(fā)生遷移，且主要分布在土壤表層，物理修復(fù)方法主要是通過深耕，使含Cd量高的表層土壤和含Cd 量低的深層土壤互換，或采用刮除運(yùn)離表層土壤、不同田塊土壤置換、客土覆蓋的方法來降低表層土壤中的Cd 含量[23-24]?；瘜W(xué)修復(fù)方法主要是使用改良劑、螯合劑等化學(xué)物質(zhì)，達(dá)到改變土壤pH 值、降低Cd 活性或增加Cd 遷移性，達(dá)到抑制水稻吸Cd 的目的，此類方法也被稱為原位鈍化技術(shù)，該方法具有成本低、見效快等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用。如在稻田中使用石灰、海泡石、有機(jī)酸、硫肥、硅肥、多羧基氨基酸螯合劑等來修復(fù)土壤[25-27]。研究認(rèn)為，土壤的pH和Eh 是影響水稻Cd 吸收的重要環(huán)境因子，在堿性（高pH 值）和還原性（低 Eh 值）條件下，Cd2+離子與土壤中的負(fù)離子發(fā)生共沉淀，降低了土壤Cd 的有效性[28]。石灰是改變土壤pH 值最有效的物質(zhì)，Cd 污染土壤使用鈍化劑石灰處理后，土壤pH 值平均提高了0.87[29]，稻米的Cd 含量下降，降幅范圍為20.00%～33.70%，糙米Cd 積累量最高可降低54.8%[29-31]。研究證明，秸稈和豬糞等有機(jī)肥料對(duì)Cd 污染土壤有良好的改良效果，可以使土壤pH 值升高，促進(jìn)游離態(tài)鎘轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)Cd，降低水稻對(duì)Cd 的吸收量[32-33]。在土壤中施入堿煤渣、高爐渣[34]、赤泥、海泡石[35]、粉煤灰、磷礦粉、生物炭[36]，能與鎘形成絡(luò)合物而使得重金屬有效態(tài)降低，從而降低稻米的Cd 積累。生物炭處理降低土壤有效態(tài)Cd 含量達(dá)41.53%，粉煤灰和磷礦粉處理有效態(tài)Cd 含量分別降低了27.92%和25.97%[36]。羅海艷等[37]研究了椰殼炭及鐵錳改性椰殼炭對(duì)土壤中Cd 的鈍化效果及對(duì)水稻吸收積累Cd 的影響，結(jié)果表明，施加椰殼炭及鐵錳改性椰殼炭均能提升土壤pH 值，當(dāng)鐵錳改性椰殼炭施加量高于0.1%時(shí)效果顯著，施加0.5%處理效果最好，且優(yōu)于添加0.5%的未改性椰殼炭處理。施加椰殼炭及鐵錳改性椰殼均可使土壤中弱酸可溶態(tài)Cd 降低。施加0.5%椰殼炭與0.05%～0.50%的改性椰殼炭均可鈍化土壤中Cd 并降低水稻對(duì)Cd 的吸收。喻福濤等[38]的研究表明，1%用量的硫代硫酸鈉、硫化鈉、多硫化鈣、亞硫酸鈉對(duì)土壤中有效態(tài)Cd 及pH 值的影響最大，有效態(tài)Cd 降幅分別為11.91%、21.28%、21.28%、24.26%。

2.2 生物修復(fù)

生物修復(fù)方法包括植物修復(fù)和微生物修復(fù)，主要是通過在污染田里種植Cd 富集植物，或利用耐性微生物等，利用生物萃取、吸附和根系過濾等作用，通過生物體對(duì)土壤Cd 的吸收轉(zhuǎn)移或改變其生物有效性從而達(dá)到修復(fù)土壤的目的。目前為止，國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物有700 多種，但僅有小部分可用于土壤Cd修復(fù)，目前已發(fā)現(xiàn)的Cd 富集效果較好的植物有遏藍(lán)菜、葉芽阿拉伯芥達(dá)、印度芥菜[39]、蒲公英[40]、東南景天[41]、蕨類[42]、油菜[43]等，可以作為改良 Cd 污染土壤的富集植物。

微生物修復(fù)技術(shù)有在土壤里接入外源污染降解菌的投菌法，強(qiáng)迫土壤微生物氧化的生物通氣法和向土壤投加微生物需要的物質(zhì)的生物培養(yǎng)法[44]。周麗英等[45]采用培養(yǎng)基加鎘平板法，從水稻根際土壤分離得到3株具有較強(qiáng)Cd 耐性和Cd 吸收能力的假單胞菌屬細(xì)菌，在Cd 處理濃度為100 mg/L 條件下，3 株菌株菌體中的Cd 含量分別為9.04 mg/g、4.96 mg/g 和 28.58 mg/g，富集系數(shù)依次為 90.4、49.6 和 285.8。王立等[46]的研究結(jié)果表明，AMF 菌劑可與水稻穩(wěn)定共生，施加菌劑處理后水稻的菌根依賴性指數(shù)提高，且施加菌劑可緩解Cd 對(duì)水稻產(chǎn)生的生長(zhǎng)抑制效應(yīng)。在Cd 含量為5 mg/kg內(nèi)的低濃度Cd 脅迫條件下，水稻根冠比降低程度較緩慢，表明菌劑在中低濃度的Cd 污染情況下對(duì)水稻有較強(qiáng)的保護(hù)作用。說明AMF 能夠很好地緩解Cd 脅迫對(duì)水稻造成的生長(zhǎng)發(fā)育的抑制。黎鵬等[47]的研究表明，盆栽水培水稻添加耐Cd 內(nèi)生細(xì)菌R3（Pantoea sp.）和R5（Stentrophomonassp.）菌懸液，均能顯著降低水稻植株各部位的Cd 含量；R5 菌株和R3 菌株處理后的水稻植株內(nèi)生細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生了顯著變化，水稻地上部?jī)?nèi)生細(xì)菌群落的多樣性增加，根部?jī)?nèi)生細(xì)菌群落的多樣性降低。水稻在添加氧化亞鐵硫桿菌QBS-O1 后，水稻株高及產(chǎn)量增加，根、莖、葉、谷殼和糙米中Cd 含量顯著降低，但在重度Cd 污染土壤中，利用QBS-O1很難實(shí)現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)的目的[48]。

3 農(nóng)藝措施調(diào)控

農(nóng)藝措施調(diào)控是指利用不同的農(nóng)藝措施來影響土壤有效Cd 的吸附固定和釋放，從而緩解Cd 污染對(duì)稻苗的危害和降低Cd 在稻谷中的積累，主要包括水分管理技術(shù)和肥料及礦物質(zhì)的使用。

3.1 水分控制技術(shù)

稻田的水分灌溉措施可以影響水稻對(duì)Cd 的吸收和積累。稻田在淹水條件下的缺氧狀態(tài)可以抑制Cd 從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移，顯著降低水稻籽粒中的Cd 含量[49]。淹水可促進(jìn)水稻根分泌氧氣，將土壤中的Fe2+氧化成Fe3+，在水稻根表形成鐵氧化膜，鐵氧化膜通過吸附土壤中的Cd 來減少水稻對(duì)Cd 的吸收[50-51]。在水稻的全生育期進(jìn)行淹水灌溉，土壤有效態(tài)Cd 下降，稻米的Cd含量最低[52]。稻田長(zhǎng)期淹水可以使土壤Eh 值降低，且土壤的氧化還原電位降低，土壤中的SO42-被還原成S2-，可提高土壤pH 值，從而增加土壤中還原態(tài)陽離子Fe、Mn 和陰離子S2-等的含量，不僅可促進(jìn)土壤中還原態(tài)陽離子與Cd2+的競(jìng)爭(zhēng)吸附，還可以使還原態(tài)陰離子與Cd2+結(jié)合沉淀，降低Cd 在土壤中的有效性，抑制水稻對(duì)Cd 的吸收[52-54]。王惠明等[55]的研究表明，長(zhǎng)期淹水灌溉的水稻產(chǎn)量降低1.3%，糙米Cd 含量降低42.8%，土壤Cd 含量降低38.8%，其中有效態(tài)Cd 含量降低72.1%，陽離子交換量降低36.7%，長(zhǎng)期淹水灌溉可有效降低污染稻田土壤Cd 進(jìn)入水稻，實(shí)現(xiàn)水稻安全生產(chǎn)，但會(huì)增加糙米Hg 積累和造成水稻減產(chǎn)。

3.2 肥料及礦物質(zhì)施用

施肥是水稻生長(zhǎng)過程中的主要栽培措施，肥料的種類和施用方式會(huì)影響土壤中鎘的存在形態(tài)和含量。施用外源Se 會(huì)顯著降低水稻對(duì)Cd 的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明，Se 元素可提高土壤的 pH 值，Se 與 Cd 元素結(jié)合可形成難溶性復(fù)合物，從而抑制水稻對(duì)Cd 的吸收，地上部各器官Cd 含量顯著降低，或改變細(xì)胞膜的通透性，影響Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)，阻控Cd 向籽實(shí)中的轉(zhuǎn)運(yùn)，降低Cd在水稻籽粒的積累[56-58]。黃腐酸與高量Se 組配處理顯著減少水稻Cd 的吸收及向地上部和籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，更有效地降低稻米Cd 含量[58]。施硅可使硅在土壤中形成Si（OH）4，與 Cd 結(jié)合成復(fù)合物，降低 Cd 的活性，抑制水稻對(duì)Cd 的吸收，阻止Cd 從水稻根系向地上部運(yùn)輸[59-61]。高敏等[62]研究認(rèn)為，葉面噴施硅溶液處理對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量性狀均沒有顯著影響，噴施Si 可使水稻糙米中Cd 含量降低71.7%，同時(shí)Cd 從水稻根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低27.4%，從莖到葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)增加46.5%。水稻葉面噴施硅溶液可以有效阻止Cd 在水稻體內(nèi)的遷移，顯著降低水稻糙米對(duì)Cd 的積累。生育后期葉面噴施鋅肥對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量無明顯影響，稻株各部位Zn含量顯著增加，在5 mg/kg 濃度Cd 處理下，葉面噴施鋅肥后稻米Cd 含量降低15.4%[63]。韓瀟瀟等[64]研究表明，葉面噴施濃度為5 mmol/L 和10 mmol/L 的ZnSO4可顯著降低稻米的Cd 含量，葉面噴施ZnSO4提高了Zn 向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，抑制了Cd 由植株向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。葉面噴施S 可以通過增強(qiáng)有機(jī)大分子類物質(zhì)的生成，可能直接與Cd 發(fā)生螯合，區(qū)隔在細(xì)胞壁或者液泡上，降低Cd 的侵害[65]。鄧思涵等[66]開展了葉面Ca 肥、Si肥、N 肥和Fe 肥阻控水稻富集Cd 的試驗(yàn)，結(jié)果表明，施加不同葉面肥后，水稻增產(chǎn)8.14%～27.27%，其中Fe肥的增產(chǎn)效果最明顯。低濃度葉面肥處理時(shí)，Si 肥阻控稻米富集Cd 效果最佳，達(dá)到57.14%，其次是Ca 肥和Fe 肥，分別達(dá)38.78%和32.66%，N 肥為16.33%。施用葉面肥也可有效降低稻米Cd 含量，施用維谷康、鎘無憂、納米硒和噴噴富后，稻米Cd 含量均低于0.2 mg/kg的限量，降Cd 率依次為66.6%、62.8%、61.4%和42.5%[67]。

4 展望

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注稻米的衛(wèi)生品質(zhì)和食用安全。我國(guó)農(nóng)田土壤Cd 污染的源頭主要是劣質(zhì)及過度使用化肥和農(nóng)藥、污水灌溉及養(yǎng)殖業(yè)污染等，特別是水稻田的Cd 污染問題尤為突出，嚴(yán)重影響我國(guó)的糧食安全。水稻Cd 污染防治技術(shù)的研究具有重要意義。近年來，農(nóng)業(yè)專家已對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果。目前，土壤鈍化修復(fù)技術(shù)、農(nóng)藝肥料調(diào)控措施及Cd 低積累品種選育是最主要的應(yīng)對(duì)措施。土壤鈍化修復(fù)技術(shù)和農(nóng)藝措施調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)是效果較好、成本較低以及操作簡(jiǎn)單。Cd 低積累品種選育則是長(zhǎng)久解決水稻Cd 超標(biāo)更高效的方法。目前，Cd低積累水稻新品種的選育已成為中國(guó)水稻育種的主攻方向之一，

未來，我國(guó)面對(duì)土壤重金屬污染的問題依然嚴(yán)峻，需要研究和解決的問題還很多，需要農(nóng)業(yè)工作者繼續(xù)不懈的努力。水稻Cd 污染的解決應(yīng)當(dāng)采用多舉措?yún)f(xié)同應(yīng)對(duì)，綜合各種技術(shù)手段，以達(dá)到更有效的解決水稻Cd 污染難題。一是繼續(xù)加大土壤修復(fù)技術(shù)的研究，充分利用物理、化學(xué)、生物、生態(tài)等修復(fù)技術(shù)改良Cd 污染土壤；二是加強(qiáng)對(duì)水稻Cd 積累、運(yùn)轉(zhuǎn)途徑及其機(jī)制的研究，明確調(diào)控的機(jī)理，擴(kuò)大栽培技術(shù)與模式對(duì)Cd 污染的調(diào)控效應(yīng)的研究，篩選適宜的栽培調(diào)控措施，通過水分、肥料等管理技術(shù)抑制土壤交換態(tài)Cd 的形成；三是繼續(xù)加大育種研究和抗Cd 品種篩選，構(gòu)建Cd 低積累水稻種質(zhì)資源庫，除采用雜交育種、誘變育種等常規(guī)育種方法外，還可通過分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)，分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)等選育Cd 低積累的水稻品種。既要選育Cd 低積累水稻品種用于推廣，也要篩選Cd 超積累植物品種用于土壤修復(fù)，實(shí)現(xiàn)稻田Cd 污染危害的綜合防治；四是加大輪作制度研究，科學(xué)安排高富集Cd 的植物與水稻輪作，降低土壤Cd 含量。