土壤重金屬含量與糧食生產(chǎn)安全性的研究進(jìn)展

陳雪梅 陸明東

（1.中國科技開發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022；2.南寧市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 30022）

土壤重金屬含量與糧食生產(chǎn)安全性的研究進(jìn)展

陳雪梅1陸明東2

（1.中國科技開發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022；2.南寧市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 30022）

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，許多有害重金屬進(jìn)入土壤系統(tǒng)，造成農(nóng)田生態(tài)破壞和環(huán)境質(zhì)量惡化。直接導(dǎo)致糧食作物如水稻、玉米、小麥的生長(zhǎng)受阻，糧食中重金屬含量增加，從而降低糧食的產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴(yán)重影響糧食的生產(chǎn)安全。文章分析了通過改善農(nóng)藝措施、使用土壤改良劑、植物修復(fù)等措施來保護(hù)土壤資源，提高土壤質(zhì)量，并通過篩選重金屬富集能力低的糧食作物品種來降低糧食中重金屬的含量，提高糧食生產(chǎn)的安全性。

土壤；重金屬；糧食安全

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，重金屬污染日趨普遍，幾乎威脅著每個(gè)國家。土壤中的重金屬污染物大部分殘留于土壤耕層，少移動(dòng)、難降解、毒性大，導(dǎo)致土壤一旦受污染很難恢復(fù)。而且被重金屬污染的土壤無色無味，很難被人的感官察覺，一般要通過農(nóng)作物進(jìn)入食物鏈積累到一定程度時(shí)才能反映出來，因此重金屬是影響糧食生產(chǎn)安全的一類重要污染物質(zhì)。影響糧食生產(chǎn)安全的主要重金屬為鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、 汞（Hg）、銅（Cu）等，其主要來自農(nóng)田灌溉、農(nóng)藥和肥料、礦山的開采和冶煉等。

據(jù)農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)近年的調(diào)查，我國24個(gè)?。ㄊ校┏墙?、污水灌溉區(qū)、工礦等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快地區(qū)的320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中，污染超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積為60.6萬公頃，占調(diào)查總面積的20%。其中重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)作物種植面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)作物種植面積的80%以上，尤其是鉛、鎘、汞、銅及其復(fù)合污染最為突出。當(dāng)前我國受鉻、鎘、汞、鉛、鎳等重金屬污染的耕地面積已達(dá)2000多萬公頃，約占總耕地面積的1/5。研究報(bào)道，華南地區(qū)部分城市有50%的農(nóng)田遭受Cd、As、Hg等重金屬污染。因此，種植在重金屬污染的土壤上，水稻、玉米、小麥等糧食的產(chǎn)量和品質(zhì)都受到重金屬的影響，研究報(bào)道，部分糧食中重金屬含量超標(biāo)。

（一）土壤重金屬對(duì)糧食生產(chǎn)的影響

在我國，水稻、小麥、玉米、大豆和薯類作為主要的糧食作物，每年受重金屬污染的糧食約1200萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過 200億元，重金屬污染土壤對(duì)農(nóng)作物的影響研究已迫在眉睫。

目前，土壤中重金屬污染物主要有銅（Cu）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）和鉻（Cr）等。當(dāng)農(nóng)作物種植在被重金屬污染的土壤上，其根系吸收土壤中的重金屬，如果重金屬在植物體內(nèi)積累過多，會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，使植物體內(nèi)的代謝過程發(fā)生紊亂，直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，乃至造成植株死亡。不同種類和濃度的重金屬，對(duì)不同作物產(chǎn)量的影響可能不同。

1.重金屬對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響

稻米是我國人民主要的糧食之一，全國60%以上的人口以稻米為主食。水稻作為主要的糧食作物，在我國廣泛種植，對(duì)南方地區(qū)尤為重要，而土壤重金屬污染引起的稻米超標(biāo)問題已屢見報(bào)道，重金屬污染已嚴(yán)重威脅到稻米生長(zhǎng)安全。

引起稻米污染的主要重金屬包括Pb、Cd、Cr、Hg、As等生物毒性強(qiáng)的金屬元素，它們通過水稻的吸收和積累而與蛋白質(zhì)結(jié)合存在于籽粒的胚乳中，造成稻米重金屬的殘留物含量超標(biāo)。1950年，日本首次報(bào)道了“鎘米”事件。據(jù) 1980年中國農(nóng)業(yè)環(huán)境報(bào)告，我國農(nóng)田土壤中鎘污染面積為9333公頃，1992年全國已經(jīng)有不少地區(qū)出現(xiàn)生產(chǎn)“鎘米”的現(xiàn)象。表1為我國部分污染區(qū)農(nóng)田土壤和稻米中鎘的含量狀況。2003年報(bào)道我國鎘污染耕地面積為1.33萬公頃，并有11處污灌區(qū)土壤鎘含量達(dá)到了生產(chǎn)“鎘米”的程度， 每年生產(chǎn)“鎘米”5萬噸。2002年，農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（杭州）對(duì)生產(chǎn)基地和市場(chǎng)稻谷與大米樣品的檢測(cè)表明，對(duì)照部頒《無公害食品—大米》標(biāo)準(zhǔn)，稻谷樣品達(dá)標(biāo)的比例僅為57.4%，大米樣品達(dá)標(biāo)率79.3%，污染物超標(biāo)的主要是鉛、鎘、砷。

表1 我國部分地區(qū)污染農(nóng)田土壤和稻米中鎘的含量

2.重金屬對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

玉米作為我國重要的糧食作物之一，其根系、秸稈具有吸收土壤重金屬元素的特征，然而，高濃度重金屬則會(huì)對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用。

不同種類和濃度的重金屬對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育有不同的影響。玉米幼苗受鎘毒害后，隨著Cd濃度增大和時(shí)間的延長(zhǎng)，幼苗受抑制的程度增大，玉米根系吸收鎘后，一方面對(duì)根系直接產(chǎn)生毒害作用，另一方面進(jìn)入玉米體內(nèi)，引起玉米體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的不平衡，造成代謝失調(diào)，抑制植物生長(zhǎng)。李國良研究表明，當(dāng)Cd濃度高于50 mg·L-1時(shí)，明顯抑制種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)；在120 mg·L-1時(shí)，玉米種子幾乎不發(fā)芽。周振明研究表明，隨著土壤鉛污染濃度的升高，平均單株穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、總粒數(shù)、百粒重下降，禿尖長(zhǎng)度增加，玉米產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。巢麗儀等研究表明，隨著Cr3+濃度的增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，其對(duì)玉米幼苗的毒害作用越明顯，表現(xiàn)為Cr3+對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)，包括株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重有明顯的抑制作用。低濃度的Hg+對(duì)玉米種子萌發(fā)初期呼吸有短暫促進(jìn)作用，同時(shí)表現(xiàn)出一種后期毒害效應(yīng)，可抑制玉米種子的呼吸作用，使細(xì)胞產(chǎn)能代謝減弱。

3.重金屬對(duì)小麥的影響

小麥作為中國北方的主要糧食和飼料作物，在一些地區(qū)已受到環(huán)境中重金屬的污染。

蔡保松等研究表明，鎘處理明顯降低或減少了小麥植株高度、根系、地下部和地上部的干重和鮮重。華珞等研究表明，當(dāng)土壤中外源Cd的濃度增加時(shí)，土壤有效態(tài)Cd含量明顯增加，小麥籽粒產(chǎn)量急劇下降。高濃度的Pb會(huì)延緩和抑制小麥種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)，并且濃度越高抑制作用越顯著。徐瀾研究表明，有毒重金屬Cr、Pb在小麥的根系、莖葉和籽粒中積累，導(dǎo)致小麥生長(zhǎng)受阻。

（二）糧食生產(chǎn)過程中重金屬含量的控制

許多研究表明，重金屬進(jìn)入土壤環(huán)境后，大部分被土壤吸附固定而積累于土壤中，農(nóng)作物通過根系吸收重金屬并在體內(nèi)積累。土壤重金屬元素有效含量與農(nóng)作物中重金屬元素含量間有較好的相關(guān)性，植物吸收重金屬的濃度隨土壤中重金屬的濃度增加而增加。另外，植物產(chǎn)量與土壤重金屬的污染程度也有著較大的相關(guān)性。因此，提高糧食生產(chǎn)安全性的關(guān)鍵是降低土壤中重金屬的含量。

目前，降低土壤中重金屬含量的重要途徑包括兩個(gè)方面：改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物有效性；從土壤中去除重金屬。主要包括農(nóng)藝措施、施用土壤改良劑、作物品種選育、植物修復(fù)等。

1.農(nóng)藝措施

采取農(nóng)藝措施降低土壤重金屬有效性和減少現(xiàn)有栽培糧食作物對(duì)重金屬的吸收，從而減少糧食中的重金屬含量。一些較有效的農(nóng)藝措施，主要包括：合理施用重金屬含量符合標(biāo)準(zhǔn)的肥料、農(nóng)藥和其他化學(xué)投入品、水田保持水層、施用有機(jī)肥、改變肥料種類與使用方法、使用石灰、改變耕作方式等。有機(jī)肥不僅可以改善土壤的理化性質(zhì)、增加土壤的肥力，而且可以影響重金屬在土壤中的形態(tài)及植物對(duì)其的吸收。有機(jī)肥包括一些作為土壤改良劑使用的有機(jī)物質(zhì)，其中，有的成分對(duì)重金屬有活化作用，增強(qiáng)重金屬的移動(dòng)性和生物有效性；有的則具有固定作用，降低重金屬的有效性，從而降低土壤中重金屬含量。大量施用磷肥能夠通過吸附、沉淀作用，降低重金屬毒性。實(shí)踐表明，農(nóng)藝措施在控制土壤重金屬含量時(shí)效果較好，但也存在修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等不利因素。

2.施用土壤改良劑

土壤改良劑的修復(fù)機(jī)理是通過改變土壤pH，增加吸附位點(diǎn)或促進(jìn)重金屬離子與土壤其它組分（包括改良劑本身）的共沉淀等過程來降低重金屬生物有效性。因此，可以利用土壤改良劑來降低重金屬向食物鏈的遷移污染風(fēng)險(xiǎn)。常用的改良劑有無機(jī)改良劑和有機(jī)改良劑，其中無機(jī)改良劑主要包括石灰、碳酸鈣、粉煤灰等堿性物質(zhì)和羥基磷灰石、磷礦粉、磷酸氫鈣等磷酸鹽以及天然或人工合成的沸石、膨潤(rùn)土等礦物。有機(jī)改良劑包括農(nóng)家肥、綠肥、草炭等有機(jī)肥料。

目前，國內(nèi)已有不少利用土壤改良劑控制污染土壤上水稻對(duì)重金屬的吸收累積，降低糙米中重金屬含量的研究報(bào)道。王凱榮等的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，向重金屬Pb、Cd污染的酸性水稻土上施用石灰性改良劑（堿性煤渣、生石灰和高爐渣）能有效抑制水稻對(duì)重金屬的吸收，降低糙米中Pb、Cd含量，改善稻米的衛(wèi)生品質(zhì)。施用5.0 g·kg-1堿性煤渣可使早稻糙米Pb、Cd含量分別降低78.6%和75.4%，晚稻糙米Pb、Cd含量分別降低45.7%和87.9%，使糙米Pb、Cd含量從嚴(yán)重超標(biāo)水平降到了國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)允許的含量以下。龔海軍等研究也表明，施用土壤改良劑（農(nóng)大夫-地保2號(hào)，又名土壤還原素）能顯著提高潮泥田和紅黃泥的土壤pH值，降低土壤有效態(tài)Cd、Pb及水稻糙米Cd、Pb含量。同時(shí)，施土壤改良劑減少污染土壤上水稻糙米的Cd、Pb積累量與土壤改良劑用量、土壤pH值及土壤Cd、Pb含量有關(guān)，可能對(duì)酸性土壤更有效。楊秀敏等通過等溫吸附試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)表明，粘土礦物凹凸棒石對(duì)Cd有很好的吸附作用，在Cd污染土壤中添加少量的凹凸棒石可使玉米的Cd中毒程度降低，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。

3.品種選育

作物種間和種內(nèi)不同基因型之間在重金屬的吸收和積累上存在著明顯差異。因此，可以通過篩選和培育重金屬富集能力低的品種，來降低重金屬污染土壤糧食中的重金屬含量，從而提高糧食生產(chǎn)安全性。

目前，人們對(duì)水稻糙米對(duì)重金屬積累差異及品種篩選進(jìn)行了大量的研究。水稻對(duì)一些有毒重金屬的吸收和積累基因型間存在著顯著差異，通過選擇籽粒低重金屬積累的水稻品種，從而在重金屬輕中度污染的土壤上持續(xù)進(jìn)行稻米安全生產(chǎn)已被公認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)有效的途徑。程旺大等已經(jīng)開展了水稻子粒低重金屬積累基因型篩選及其機(jī)理研究，目前已篩選獲得了一些子粒低重金屬積累基因型，可直接推薦用于安全稻米生產(chǎn)。何俊瑜等研究表明，不同小麥品種對(duì)Cd的耐性差異很大，如豐優(yōu)9870的耐Cd性較強(qiáng)，而豐優(yōu)2號(hào)對(duì)Cd較敏感。

4.植物修復(fù)

近十年來，植物修復(fù)作為一種綠色的，經(jīng)濟(jì)的，環(huán)境友好的技術(shù)，一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。它主要利用綠色植物的新陳代謝活動(dòng)來固定、提取、揮發(fā)和降解土壤中的重金屬。主要技術(shù)包括植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定。

植物提取最早是由 Channey提出來的，即利用重金屬富集能力較強(qiáng)的植物通過吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)的過程，將重金屬轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存在地上部分，最終通過收獲地上部分集中處理來達(dá)到減少土壤重金屬含量的目的。植物提取是目前研究最多，最有發(fā)展前景的方法，能應(yīng)用于植物提取的植物往往是一些超積累植物。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超積累植物有45科500余種，其中73%為Ni的超積累植物，主要是十字花科的庭芥屬。

植物揮發(fā)是利用一些植物來促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，揮發(fā)出土壤和植物表面的過程，污染物只是從土壤經(jīng)植物轉(zhuǎn)移到大氣當(dāng)中進(jìn)行稀釋。重金屬如砷和汞可以生物甲基化而形成可揮發(fā)的分子。砷可以被耐砷植物海藻轉(zhuǎn)變?yōu)?CH3)2AsO2

-揮發(fā)出體外。考慮到現(xiàn)場(chǎng)空氣中的揮發(fā)性，金屬濃度及金屬的再次沉降，該方法實(shí)際上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

植物穩(wěn)定指利用植物吸收和植物根際作用使土壤中污染物轉(zhuǎn)化為相對(duì)無害物質(zhì)。在這一過程中，土壤重金屬的含量并不減少，但由于減低了在土壤中的有效態(tài)，從而達(dá)到降低重金屬含量的效果。利用植物活動(dòng)來降低重金屬活性，使其不能為生物所利用，如植物葉枝分解物，根系分泌物對(duì)重金屬的固定作用，腐殖質(zhì)對(duì)金屬離子的螯合作用等過程。

5.根際、內(nèi)生細(xì)菌修復(fù)

超累積植物修復(fù)作為一項(xiàng)綠色的，經(jīng)濟(jì)的，環(huán)境友好的技術(shù)而受國內(nèi)外重視。然而，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)目前發(fā)現(xiàn)和報(bào)道的一些超富集植物往往植株矮小、生物量低、生長(zhǎng)速度慢、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，而且受土壤水分、鹽度、酸堿度的影響，對(duì)固定態(tài)和沉淀態(tài)的重金屬不易吸收，難以在實(shí)際中應(yīng)用。大量研究結(jié)果表明，根際細(xì)菌和超積累植物的促植物生長(zhǎng)內(nèi)生細(xì)菌能夠有效地促進(jìn)超累積植物的生長(zhǎng)，增加植株體內(nèi)重金屬的積累量，從而達(dá)到降低土壤中重金屬含量的目的。例如，Idris 等研究發(fā)現(xiàn)，鎳超積累植物 Thlaspi goesingense的根際細(xì)菌和地上部組織中的內(nèi)生菌具有耐 Ni抗性。Barzanti等從Alyssum bertolonii根、莖和葉組織中分離出83株內(nèi)生細(xì)菌，這些菌株具有高抗金屬能力。我們的研究也發(fā)現(xiàn)，Zn/Cd超積累植物東南景天的根系、莖和葉片組織中也定居著大量的內(nèi)生細(xì)菌，且從各植物組織中分離純化的單個(gè)菌株對(duì)Zn、Cd、Pb、Cu具有較強(qiáng)的抗性。盆栽試驗(yàn)表明，當(dāng)生長(zhǎng)在重金屬污染土壤上，接種菌株顯著促進(jìn)東南景天的生長(zhǎng)，植株地上部和根系的重金屬含量明顯增加。因此，內(nèi)生細(xì)菌可以提高宿主植物對(duì)生物與非生物脅迫的適應(yīng)能力或者促進(jìn)宿主植物的生長(zhǎng)，從而可提高超積累植物對(duì)土壤中重金屬的吸收和富集，降低土壤中重金屬的含量。

盆栽試驗(yàn)證明，土壤接種 Cr還原菌（Ochrobactrum intermedium和Bacillus cereus）能緩減Cr（VI）對(duì)植物的毒害作用；金屬抗性細(xì)菌 Methylobacterium oryzae和Burkholderia sp顯著緩減Ni和Zn對(duì)番茄的毒害作用，同時(shí)植物體內(nèi)Ni和Zn含量降低。Belimov等報(bào)道，根際細(xì)菌使在生長(zhǎng)在Pb、Cd污染土壤上小麥的產(chǎn)量增加了42%，原因在于根際細(xì)菌促進(jìn)了小麥對(duì)P、K、S和Ca吸收。接種金屬抗性菌株Kluyvera ascorbata SUD165/26菌株（能過量分泌高鐵載體的突變體）能緩減Ni、Pb和Zn對(duì)番茄、Brassica campestris和印度芥菜的毒害作用。Belimov等從生長(zhǎng)在Cd污染土壤上的印度芥菜根際土壤中分離出11種Cd抗性細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)它們均能促進(jìn)印度芥菜幼苗的根系伸長(zhǎng)生長(zhǎng)（有或無 Cd的條件下）。因此，還可以通過調(diào)控植物根際微生物種群和功能來影響增加或降低土壤中重金屬的生物有效性，從而減低土壤中重金屬含量。

（三）展望

品種選育是提高糧食安全性的主要措施之一。為進(jìn)一步擴(kuò)大品種篩選范圍，廣泛收集耐、抗重金屬污染的糧食作物品種或基因材料，研究糧食作物對(duì)不同重金屬元素吸收分配的基因型差異及其在時(shí)間、空間上的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上為進(jìn)一步構(gòu)建利用分子標(biāo)記對(duì)耐、抗毒基因進(jìn)行分子鑒定和基因鑒定，為進(jìn)一步分離、克隆抗性基因和遺傳工程培育耐、抗、低吸收或少富集的糧食作物品種奠定基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)糧食安全生產(chǎn)的目的。

近年來，間作套種是一項(xiàng)較新的農(nóng)業(yè)技術(shù)。重金屬富集植物與非富集植物種植在一起，能為與之間套種的植物提供一定的保護(hù)作用。選擇適當(dāng)?shù)闹参锓N類，盡可能提高超富集植物對(duì)重金屬的吸收，降低與之間作的農(nóng)作物重金屬含量，是修復(fù)途徑的新思路。試圖通過超累積植物與糧食作物套種，利用超累積植物對(duì)重金屬的富集作用，使重金屬穩(wěn)定化，從而獲得合格的糧食產(chǎn)品。同時(shí)，試圖接種耐重金屬菌株到超累積植物和糧食作物套種的農(nóng)田上，使其促進(jìn)套種植物的生長(zhǎng)，促進(jìn)超累積植物對(duì)土壤中重金屬的積累，從而降低土壤中重金屬含量，達(dá)到降低目標(biāo)糧食中重金屬含量，提高糧食生產(chǎn)安全性的目的。

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1008-1151(2011)05-0104-03

2011-02-16

陳雪梅（1983－），女，中國科技開發(fā)院廣西分院助理工程師；陸明東（1983－），男，南寧市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站助理工程師。