（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128）

鎘對玉米的毒害效應(yīng)及調(diào)控措施研究進(jìn)展

孫姣輝，陳婷婷，滕振寧，張同科，賀晟陽，羅紅兵*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128）

鎘是一種生物毒性很強(qiáng)的非必需元素，且易于被吸收。鎘通過在玉米內(nèi)富集進(jìn)入食物鏈，危及人類健康。綜述了土壤中鎘污染來源、對玉米生長及生理生化特性的影響，及玉米對鎘的吸收積累與分配等研究情況，討論了降低其毒性的調(diào)控技術(shù)。

鎘；吸收；積累；毒害；玉米

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，全球環(huán)境中重金屬含量急劇上升［1］，重金屬引起的土壤肥力退化、農(nóng)作物產(chǎn)量降低和品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2］。鎘是生物毒性很強(qiáng)的重金屬之一，具有化學(xué)活性強(qiáng)、不可逆性、移動性大和毒性持久等特點，易通過食物鏈的富集作用危及人類健康，玉米是我國重要的糧經(jīng)飼作物，發(fā)展玉米生產(chǎn)是一項長期的戰(zhàn)略任務(wù)。但隨著生態(tài)環(huán)境惡化和耕地面積的銳減，發(fā)展“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、生態(tài)、安全”玉米生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［3］。因此研究鎘對玉米生產(chǎn)的影響具有非常重要的意義。

1 土壤中鎘的來源

土壤中鎘的來源主要有兩種，一種是自然源，另一種是人類活動源［4］。

1.1 土壤鎘自然源與背景值

自然土壤中鎘通常主要來自于成土母質(zhì)，僅自然源而沒有或鮮有人類活動引入鎘的土壤中的水平，稱為土壤鎘的背景值。一般土壤中的背景值為0.01～2 mg/kg［5］。我國土壤的背景值平均為0.097 mg/kg［6］。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）研究，截止2013年中國以92 000 t鎘儲量成為世界鎘儲量最為豐富的國家［7］。鎘主要分布在我國中部、西南部及華東地區(qū)，如云南、廣東、湖南、貴州等地［6］，各區(qū)域的鎘背景值總體分布為：西部地區(qū)＞中部地區(qū)＞東部地區(qū)；北方地區(qū)＞南方地區(qū)［8］。這一分布特征可能與土壤成土過程中的水熱條件以及生物氣候帶有關(guān)。

1.2 土壤鎘人類活動源

鎘對土壤的主要污染途徑包括工業(yè)廢水廢渣、污水灌溉、磷肥的大量施用等。王凱榮研究表明，湖南省農(nóng)田鎘污染主要來源于工業(yè)排放的廢水和廢氣［9］。湘江流域的郴州、衡陽和湘潭等地區(qū)土壤Hg、Pb、Cd、Cu和As等重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)［10］。水資源匱乏促使污灌在我國廣泛應(yīng)用，緩解農(nóng)業(yè)用水資源短缺的同時也造成農(nóng)田重金屬污染，如沈陽市郊區(qū)某河沿岸部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污灌農(nóng)田土壤鎘含量范圍達(dá)到0.15～8.23 mg/kg，嚴(yán)重超出我國土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值，屬于重度鎘污染地區(qū)［11］。白銀市污水灌溉區(qū)、黃灌區(qū)農(nóng)田土壤Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg、F等有害物質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，且呈逐年遞增的趨勢［12］。據(jù)報道，含鎘磷肥的大量施用已給全球環(huán)境帶入約660 000 kg鎘［13］。韓曉日等研究發(fā)現(xiàn)，長期施用磷肥和高量有機(jī)肥會增加土壤中鎘的含量，表層土壤鎘積累量與施肥密切相關(guān)，不同土層鎘含量隨施肥時間的延長而增加［14］。

2 鎘對玉米幼苗生長的影響

重金屬鎘對植物的傷害最先表現(xiàn)在種子的萌發(fā)及幼苗的生長上，低濃度的鎘能促進(jìn)玉米種子的萌發(fā)，提高其發(fā)芽率、發(fā)芽勢［15～17］，刺激玉米根系生長、苗高及地上部干物質(zhì)累積［18］，但當(dāng)環(huán)境中鎘離子超過一定閾值時，則抑制玉米的生長，即鎘對玉米種子萌發(fā)、幼苗生長具有低濃度下促進(jìn)和高濃度下抑制效應(yīng)［19］。葉綠素是植物光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)。相關(guān)研究表明，玉米幼苗葉片的葉綠素總量及葉綠素a、葉綠素b值隨著鎘濃度的增加而增加［20，21］，且在相同處理下，葉綠素a/b值明顯增加，說明葉綠素a比葉綠素b對重金屬鎘更敏感［21～23］，可能是Cd2+被植物吸收后，葉綠素體膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受損，影響葉綠素的生物合成，導(dǎo)致葉綠素含量降低。植物細(xì)胞在Cd2+脅迫下細(xì)胞膜系統(tǒng)發(fā)生明顯改變，高度液泡化。宇克莉等［24］研究發(fā)現(xiàn)，‘津單2號’低鎘處理下（10-6mol/L），玉米幼苗根尖細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)陷，并形成大小不一的囊泡，細(xì)胞器中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體豐富且分泌大量囊泡，且部分囊泡融合成較大的液泡，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大量囊泡能包裹重金屬鎘離子，將鎘分隔在某一特定區(qū)域，且液泡中存在的蛋白質(zhì)、糖、有機(jī)酸等物質(zhì)可結(jié)合重金屬鎘，從而解緩其破壞作用［25，26］。隨著鎘離子濃度的增高和處理時間的延長，細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞解體。

3 鎘脅迫對玉米生理生化特性的影響

葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞、葉綠素含量降低、葉片的光合強(qiáng)度下降，這是植物被重金屬鎘毒害的普遍現(xiàn)象。根系活力能反映出植物根系的吸收能力和合成代謝強(qiáng)弱，隨著鎘離子濃度的增加，玉米根系活力持續(xù)下降［18］。在各種逆境條件下，植物體內(nèi)的活性氧的產(chǎn)生與清除的平衡系統(tǒng)被破壞［27］，過多的活性氧可攻擊細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂類及DNA堿基，引發(fā)膜脂過氧化、生物膜系統(tǒng)破壞和植物生理代謝紊亂［28］。細(xì)胞膜系統(tǒng)受到破壞后，透性增加，使丙二醛含量上升。植株自身存在活性氧清除系統(tǒng)包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)，前者包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等，后者有抗壞血酸、維生素E、谷胱甘肽（GSH）等，它們以不同途徑來緩解鎘脅迫所產(chǎn)生的毒害。在低鎘處理下和鎘脅迫初期，玉米體內(nèi)活性氧酶清除系統(tǒng)活性變化不大，但隨著鎘濃度增加及處理時間延長，酶活性均呈上升趨勢［29］。但也有研究發(fā)現(xiàn)，在Cd2+脅迫初期，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性均升高；隨著脅迫時間延長，葉片中SOD和CAT活性略有上升，其他抗氧化酶活性逐漸下降，且高濃度組抗氧化酶活性下降最明顯［30］，其可能是鎘處理時間、濃度及品種間差異造成的。微生物活性和群落結(jié)構(gòu)的變化能反映出土壤質(zhì)量，環(huán)境中重金屬鎘濃度增高時，會影響甚至抑制微生物的生長及代謝活動［31］。

4 鎘在玉米中的吸收積累與分配

環(huán)境中的鎘通過根部、葉片吸收和表皮滲透3種途徑進(jìn)入玉米體內(nèi)。玉米從環(huán)境中吸收鎘之后，經(jīng)體內(nèi)運輸分布至根、莖、葉等各個器官。因不同組織器官的功能、結(jié)構(gòu)與代謝能力、重金屬對器官親和性的差異，從而植株各部位鎘積累量存在顯著差異。邵華偉等［32］連續(xù)3年在添加不同劑量的生活垃圾堆肥的土壤中種植玉米試驗，成熟期玉米植株各器官重金屬鎘分布：根部＞莖稈＞葉片＞籽粒；曹瑩等［33］研究表明，在鉛鎘復(fù)合污染的土壤，玉米各器官對鎘的吸收規(guī)律是根＞下葉＞莖＞上葉＞籽粒，且玉米植株各部位的鎘含量隨鎘濃度的升高呈現(xiàn)上升的變化過程。兩者的研究結(jié)果均表明，植株根部鎘含量大于地上部鎘含量，其可能的原因是玉米根系中的鎘進(jìn)入根的皮層細(xì)胞后與根內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖、核糖、核酸等化合形成穩(wěn)定的大分子絡(luò)合物，或形成不溶性有機(jī)大分子而沉積下來，導(dǎo)致向地上部運輸受阻。李靜等［34］研究表明，葫蘆島鋅廠周圍重金屬污染程度不同的地區(qū)，玉米成熟期植株不同器官的Cd、Pb、Zn濃度大小均依次為：葉＞根＞莖＞籽粒。該分布特征與其他研究者［35～38］的結(jié)果類似。但與邵華偉的有所出入，可能是由于土壤類型及背景值、水熱條件、其它污染造成。對于重金屬鎘在玉米植株體內(nèi)各器官的分布不能一概而論，還有待進(jìn)一步的驗證和探討。

另外，同一植物不同品種、植物不同部位及不同生育時期，土壤水分等因子也會影響鎘的吸收。玉米籽粒重金屬含量在品種間差異顯著，甜玉米品種籽粒重金屬含量高于飼料玉米品種，靈丹20、正丹958等籽粒Cd、Pb、Zn和Cu含量均低于甜玉米品種豐田1號、超甜38等［39］。孫洪欣等［40］研究發(fā)現(xiàn)，洛玉803籽粒鎘含量均顯著高于先玉335、偉科702、敦煌1號和秀青74-9的，且其高出幅度分別為46%、45%、41%和38%。玉米品種根、莖和葉鎘含量在各生育時期也表現(xiàn)出不同的變化趨勢。楊惟薇等［41］研究發(fā)現(xiàn)，玉米的根、莖、葉吸收積累鎘最高的時期是苗期，根、莖鎘含量在不同生育期呈相同的吸收規(guī)律，鎘含量從高到低依次為苗期、拔節(jié)期、灌漿期、抽雄期和成熟期；而葉片鎘含量從高到低依次為苗期、抽雄期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期。黃益宗等［42］研究表明，土壤水分含量對玉米苗期地上部及地下部鎘含量有影響。

5 農(nóng)田土壤重金屬鎘污染修復(fù)措施

目前修復(fù)土壤重金屬污染主要有以下幾種途徑：一是通過物理/化學(xué)手段來分離或固定土壤中的重金屬，二是利用生物修復(fù)削減土壤環(huán)境中的重金屬含量，三是通過農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)，降低其生物有效性。針對土壤鎘污染，可以通過以下幾種途徑來治理。

5.1 物理/化學(xué)修復(fù)技術(shù)

物理/化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指通過物理/化學(xué)手段來清除或固定土壤中的重金屬，達(dá)到清潔土壤和降低其生物有效性。客土法、換土法、去表土、深耕翻土法等工程措施由于工作量大且成本較高只適合于修復(fù)小面積污染土壤。據(jù)報道，磷礦粉、磷酸氫鈣等磷酸鹽、碳酸鹽和硅酸鹽［43］，廄肥、豬糞、雞糞等有機(jī)肥［44，45］、生物炭［46，47］、石灰、活性炭等堿性物質(zhì)［48，49］，沸石、膨潤土等礦物均可降低土壤鎘有效性［50，51］。林愛軍等［52］研究表明，10 g/kg骨炭處理下，土壤中水溶態(tài)和交換態(tài)鎘濃度降低，而碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘、有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘、殘渣態(tài)鎘濃度顯著增加，這說明骨炭可降低鎘的遷移性和生物有效性，穩(wěn)定、固化土壤中的有效態(tài)鎘。

5.2 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用動物、微生物或植物的生命代謝活動，減少土壤重金屬含量或通過改變重金屬的化學(xué)形態(tài)從而降低其毒性。如檸檬酸細(xì)菌能通過胞外沉淀作用分解有機(jī)的2-磷酸甘油［53］，惡臭假單胞菌通過減少對Cd2+的吸收，產(chǎn)堿細(xì)菌可合成新的膜蛋白，以阻止Cd2+滲透至胞內(nèi)［54］。微生物還可通過氧化、還原、甲基化和去甲基化作用來轉(zhuǎn)化重金屬，從而降低重金屬污染程度。植物修復(fù)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好被廣泛采用。李凝玉等［55］研究認(rèn)為，扁豆、眉豆和鷹嘴豆等豆科植物與玉米間作能顯著提高玉米對鎘的吸收積累能力，可大大提高玉米作為修復(fù)植物的鎘清除效率。黑麥草、東方香蒲、麻瘋樹、蘆葦、蘆竹、荻、五節(jié)芒、芥菜、白榆、泡桐和構(gòu)樹等植物可通過植物穩(wěn)定來降低土壤中重金屬的移動性［56，57］。

5.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

秸稈、稻草等有機(jī)肥料的施用能鈍化土壤有效態(tài)鎘，促使土壤中活性較高的交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化為活性較低的有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd和錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd［58］。其可能的原因是土壤中有機(jī)質(zhì)絡(luò)合了土壤中Cd2+，土壤有機(jī)碳含量、土壤微生物和酶系的活性增強(qiáng)，從而加速了土壤重金屬污染物的降解。據(jù)報道，土壤重金屬形態(tài)、吸附解吸與不同形態(tài)的氮、磷、鉀肥密切相關(guān)［59］。吳啟堂等［60］研究認(rèn)為，在11種N、P、K肥的不同形態(tài)中，分別以Ca（NO3）2、鈣鎂磷肥、硫酸鉀處理的菜心鎘含量最低，且該形態(tài)的化肥處理具有較高的pH值、較低的水溶性態(tài)和交換態(tài)Cd，因而合理施用化肥能有效降低重金屬污染。改變耕作制度和調(diào)整作物種類也是降低土壤鎘污染的重要措施，如選擇超富集作物（如東南景天、圓錐南芥、天藍(lán)遏蘭菜、野生莧、麻等）種植于重金屬污染嚴(yán)重的地區(qū)，并通過連續(xù)種植收割將重金屬移除，在輕度重金屬污染的地區(qū)，種植重金屬耐性植物小黑麥、大豆等。

6 研究展望

綜上所述，土壤鎘污染嚴(yán)重影響了玉米的生長發(fā)育，且易通過食物鏈傳遞富集，危及生態(tài)環(huán)境、食品安全和人類健康。目前的研究主要集中在水培、盆栽或小規(guī)模的試驗上，應(yīng)加強(qiáng)大田試驗研究的力度。一方面應(yīng)深入研究玉米在鎘脅迫下生理生化變化及玉米對鎘脅迫防御機(jī)制、耐鎘玉米的抗性機(jī)理，充分利用分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)培育低鎘、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的玉米品種。另一方面，重金屬修復(fù)技術(shù)已成為了國內(nèi)外研究的重難點，改良劑原位修復(fù)技術(shù)因受土壤理化性質(zhì)、重金屬離子、作物等因素的影響，其修復(fù)效果不是很理想，有必要深入探討現(xiàn)有改良劑的修復(fù)原理及影響改良劑使用效果的不同因素，如土壤類型、pH值、Eh，以及溫度、濕度等氣候因子。植物修復(fù)因其成本低廉、環(huán)境友好被廣泛采用，應(yīng)加大力度挖掘超富集植物、高抗性微生物、動物等資源研究。由于目前土壤重金屬污染呈現(xiàn)出多樣性和地域性，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)已成為未來發(fā)展趨勢，微生物—動物—植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、化學(xué)—物化—生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、物理—化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是土壤修復(fù)的新內(nèi)容，同時，加強(qiáng)土壤學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科間的緊密合作，取長補短，有利于更好的修復(fù)重金屬污染土壤。

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Research Progress about the Toxic Effect of Cadm ium on Maize and Regulation Measures

SUN Jiaohui，CHEN Tingting，TENG Zhengning，ZHANG Tongke，HE Shengyang，LUO Hongbin*

（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Cadmium is a non essential element but high biotoxicity，and is easy to be absorbed.Cadmium enter into food chain through enriched in corn，thereby endanger to human and animal health.This paper summarizes the Cd pollution sources in the soil，the effects of Cd on the growth and physiological and biochemical characteristics ofmaize，the absorption，accumulation and distribution of Cd inmaize.Themeasures to regulate Cd poisonous effectwere discussed.

Cadmium；absorption；accumulation；toxic；maize

S513；X173

A

1001-5280（2017）01-0088-05

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2017.01.23

2016 09 12

孫姣輝（1989-），女，碩士研究生，Email：914737502@qq.com。*通信作者：羅紅兵，教授，Email：1289413219@qq.com。

湖南省農(nóng)業(yè)委員會科技項目。