土壤重金属含量与粮食生产安全性的研究进展

陈雪梅 陆明东

（1.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022；2.南宁市环境保护监测站，广西 南宁 30022）

土壤重金属含量与粮食生产安全性的研究进展

陈雪梅1陆明东2

（1.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022；2.南宁市环境保护监测站，广西 南宁 30022）

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一。随着工业生产规模不断扩大、城镇化的快速发展，许多有害重金属进入土壤系统，造成农田生态破坏和环境质量恶化。直接导致粮食作物如水稻、玉米、小麦的生长受阻，粮食中重金属含量增加，从而降低粮食的产量和品质，严重影响粮食的生产安全。文章分析了通过改善农艺措施、使用土壤改良剂、植物修复等措施来保护土壤资源，提高土壤质量，并通过筛选重金属富集能力低的粮食作物品种来降低粮食中重金属的含量，提高粮食生产的安全性。

土壤；重金属；粮食安全

随着工业生产的发展，重金属污染日趋普遍，几乎威胁着每个国家。土壤中的重金属污染物大部分残留于土壤耕层，少移动、难降解、毒性大，导致土壤一旦受污染很难恢复。而且被重金属污染的土壤无色无味，很难被人的感官察觉，一般要通过农作物进入食物链积累到一定程度时才能反映出来，因此重金属是影响粮食生产安全的一类重要污染物质。影响粮食生产安全的主要重金属为镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、 汞（Hg）、铜（Cu）等，其主要来自农田灌溉、农药和肥料、矿山的开采和冶炼等。

据农业部环境监测系统近年的调查，我国24个省（市）城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积为60.6万公顷，占调查总面积的20%。其中重金属含量超标的农作物种植面积约占污染物超标农作物种植面积的80%以上，尤其是铅、镉、汞、铜及其复合污染最为突出。当前我国受铬、镉、汞、铅、镍等重金属污染的耕地面积已达2000多万公顷，约占总耕地面积的1/5。研究报道，华南地区部分城市有50%的农田遭受Cd、As、Hg等重金属污染。因此，种植在重金属污染的土壤上，水稻、玉米、小麦等粮食的产量和品质都受到重金属的影响，研究报道，部分粮食中重金属含量超标。

（一）土壤重金属对粮食生产的影响

在我国，水稻、小麦、玉米、大豆和薯类作为主要的粮食作物，每年受重金属污染的粮食约1200万吨，造成的直接经济损失超过 200亿元，重金属污染土壤对农作物的影响研究已迫在眉睫。

目前，土壤中重金属污染物主要有铜（Cu）、镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）和铬（Cr）等。当农作物种植在被重金属污染的土壤上，其根系吸收土壤中的重金属，如果重金属在植物体内积累过多，会对植物产生毒害作用，使植物体内的代谢过程发生紊乱，直接影响植物生长发育，乃至造成植株死亡。不同种类和浓度的重金属，对不同作物产量的影响可能不同。

1.重金属对水稻生长的影响

稻米是我国人民主要的粮食之一，全国60%以上的人口以稻米为主食。水稻作为主要的粮食作物，在我国广泛种植，对南方地区尤为重要，而土壤重金属污染引起的稻米超标问题已屡见报道，重金属污染已严重威胁到稻米生长安全。

引起稻米污染的主要重金属包括Pb、Cd、Cr、Hg、As等生物毒性强的金属元素，它们通过水稻的吸收和积累而与蛋白质结合存在于籽粒的胚乳中，造成稻米重金属的残留物含量超标。1950年，日本首次报道了“镉米”事件。据 1980年中国农业环境报告，我国农田土壤中镉污染面积为9333公顷，1992年全国已经有不少地区出现生产“镉米”的现象。表1为我国部分污染区农田土壤和稻米中镉的含量状况。2003年报道我国镉污染耕地面积为1.33万公顷，并有11处污灌区土壤镉含量达到了生产“镉米”的程度， 每年生产“镉米”5万吨。2002年，农业部稻米及制品质量监督检验测试中心（杭州）对生产基地和市场稻谷与大米样品的检测表明，对照部颁《无公害食品—大米》标准，稻谷样品达标的比例仅为57.4%，大米样品达标率79.3%，污染物超标的主要是铅、镉、砷。

表1 我国部分地区污染农田土壤和稻米中镉的含量

2.重金属对玉米生长的影响

玉米作为我国重要的粮食作物之一，其根系、秸秆具有吸收土壤重金属元素的特征，然而，高浓度重金属则会对玉米生长产生毒害作用。

不同种类和浓度的重金属对玉米的生长发育有不同的影响。玉米幼苗受镉毒害后，随着Cd浓度增大和时间的延长，幼苗受抑制的程度增大，玉米根系吸收镉后，一方面对根系直接产生毒害作用，另一方面进入玉米体内，引起玉米体内营养元素的不平衡，造成代谢失调，抑制植物生长。李国良研究表明，当Cd浓度高于50 mg·L-1时，明显抑制种子萌发和幼苗生长；在120 mg·L-1时，玉米种子几乎不发芽。周振明研究表明，随着土壤铅污染浓度的升高，平均单株穗长、穗粗、穗重、总粒数、百粒重下降，秃尖长度增加，玉米产量呈下降趋势。巢丽仪等研究表明，随着Cr3+浓度的增加和胁迫时间的延长，其对玉米幼苗的毒害作用越明显，表现为Cr3+对玉米幼苗的生长，包括株高、根长、鲜重和干重有明显的抑制作用。低浓度的Hg+对玉米种子萌发初期呼吸有短暂促进作用，同时表现出一种后期毒害效应，可抑制玉米种子的呼吸作用，使细胞产能代谢减弱。

3.重金属对小麦的影响

小麦作为中国北方的主要粮食和饲料作物，在一些地区已受到环境中重金属的污染。

蔡保松等研究表明，镉处理明显降低或减少了小麦植株高度、根系、地下部和地上部的干重和鲜重。华珞等研究表明，当土壤中外源Cd的浓度增加时，土壤有效态Cd含量明显增加，小麦籽粒产量急剧下降。高浓度的Pb会延缓和抑制小麦种子的萌发和幼苗的生长，并且浓度越高抑制作用越显著。徐澜研究表明，有毒重金属Cr、Pb在小麦的根系、茎叶和籽粒中积累，导致小麦生长受阻。

（二）粮食生产过程中重金属含量的控制

许多研究表明，重金属进入土壤环境后，大部分被土壤吸附固定而积累于土壤中，农作物通过根系吸收重金属并在体内积累。土壤重金属元素有效含量与农作物中重金属元素含量间有较好的相关性，植物吸收重金属的浓度随土壤中重金属的浓度增加而增加。另外，植物产量与土壤重金属的污染程度也有着较大的相关性。因此，提高粮食生产安全性的关键是降低土壤中重金属的含量。

目前，降低土壤中重金属含量的重要途径包括两个方面：改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，降低其在环境中的迁移性和生物有效性；从土壤中去除重金属。主要包括农艺措施、施用土壤改良剂、作物品种选育、植物修复等。

1.农艺措施

采取农艺措施降低土壤重金属有效性和减少现有栽培粮食作物对重金属的吸收，从而减少粮食中的重金属含量。一些较有效的农艺措施，主要包括：合理施用重金属含量符合标准的肥料、农药和其他化学投入品、水田保持水层、施用有机肥、改变肥料种类与使用方法、使用石灰、改变耕作方式等。有机肥不仅可以改善土壤的理化性质、增加土壤的肥力，而且可以影响重金属在土壤中的形态及植物对其的吸收。有机肥包括一些作为土壤改良剂使用的有机物质，其中，有的成分对重金属有活化作用，增强重金属的移动性和生物有效性；有的则具有固定作用，降低重金属的有效性，从而降低土壤中重金属含量。大量施用磷肥能够通过吸附、沉淀作用，降低重金属毒性。实践表明，农艺措施在控制土壤重金属含量时效果较好，但也存在修复时间较长等不利因素。

2.施用土壤改良剂

土壤改良剂的修复机理是通过改变土壤pH，增加吸附位点或促进重金属离子与土壤其它组分（包括改良剂本身）的共沉淀等过程来降低重金属生物有效性。因此，可以利用土壤改良剂来降低重金属向食物链的迁移污染风险。常用的改良剂有无机改良剂和有机改良剂，其中无机改良剂主要包括石灰、碳酸钙、粉煤灰等碱性物质和羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸氢钙等磷酸盐以及天然或人工合成的沸石、膨润土等矿物。有机改良剂包括农家肥、绿肥、草炭等有机肥料。

目前，国内已有不少利用土壤改良剂控制污染土壤上水稻对重金属的吸收累积，降低糙米中重金属含量的研究报道。王凯荣等的盆栽试验结果表明，向重金属Pb、Cd污染的酸性水稻土上施用石灰性改良剂（碱性煤渣、生石灰和高炉渣）能有效抑制水稻对重金属的吸收，降低糙米中Pb、Cd含量，改善稻米的卫生品质。施用5.0 g·kg-1碱性煤渣可使早稻糙米Pb、Cd含量分别降低78.6%和75.4%，晚稻糙米Pb、Cd含量分别降低45.7%和87.9%，使糙米Pb、Cd含量从严重超标水平降到了国家食品卫生标准允许的含量以下。龚海军等研究也表明，施用土壤改良剂（农大夫-地保2号，又名土壤还原素）能显著提高潮泥田和红黄泥的土壤pH值，降低土壤有效态Cd、Pb及水稻糙米Cd、Pb含量。同时，施土壤改良剂减少污染土壤上水稻糙米的Cd、Pb积累量与土壤改良剂用量、土壤pH值及土壤Cd、Pb含量有关，可能对酸性土壤更有效。杨秀敏等通过等温吸附试验和盆栽试验表明，粘土矿物凹凸棒石对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，促进玉米生长。

3.品种选育

作物种间和种内不同基因型之间在重金属的吸收和积累上存在着明显差异。因此，可以通过筛选和培育重金属富集能力低的品种，来降低重金属污染土壤粮食中的重金属含量，从而提高粮食生产安全性。

目前，人们对水稻糙米对重金属积累差异及品种筛选进行了大量的研究。水稻对一些有毒重金属的吸收和积累基因型间存在着显著差异，通过选择籽粒低重金属积累的水稻品种，从而在重金属轻中度污染的土壤上持续进行稻米安全生产已被公认为最经济有效的途径。程旺大等已经开展了水稻子粒低重金属积累基因型筛选及其机理研究，目前已筛选获得了一些子粒低重金属积累基因型，可直接推荐用于安全稻米生产。何俊瑜等研究表明，不同小麦品种对Cd的耐性差异很大，如丰优9870的耐Cd性较强，而丰优2号对Cd较敏感。

4.植物修复

近十年来，植物修复作为一种绿色的，经济的，环境友好的技术，一直是国内外研究的热点。它主要利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、提取、挥发和降解土壤中的重金属。主要技术包括植物提取、植物挥发和植物稳定。

植物提取最早是由 Channey提出来的，即利用重金属富集能力较强的植物通过吸收和运转的过程，将重金属转移并储存在地上部分，最终通过收获地上部分集中处理来达到减少土壤重金属含量的目的。植物提取是目前研究最多，最有发展前景的方法，能应用于植物提取的植物往往是一些超积累植物。目前已经发现超积累植物有45科500余种，其中73%为Ni的超积累植物，主要是十字花科的庭芥属。

植物挥发是利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，挥发出土壤和植物表面的过程，污染物只是从土壤经植物转移到大气当中进行稀释。重金属如砷和汞可以生物甲基化而形成可挥发的分子。砷可以被耐砷植物海藻转变为(CH3)2AsO2

-挥发出体外。考虑到现场空气中的挥发性，金属浓度及金属的再次沉降，该方法实际上存在一定的风险。

植物稳定指利用植物吸收和植物根际作用使土壤中污染物转化为相对无害物质。在这一过程中，土壤重金属的含量并不减少，但由于减低了在土壤中的有效态，从而达到降低重金属含量的效果。利用植物活动来降低重金属活性，使其不能为生物所利用，如植物叶枝分解物，根系分泌物对重金属的固定作用，腐殖质对金属离子的螯合作用等过程。

5.根际、内生细菌修复

超累积植物修复作为一项绿色的，经济的，环境友好的技术而受国内外重视。然而，随着研究的深入，人们发现目前发现和报道的一些超富集植物往往植株矮小、生物量低、生长速度慢、生长周期长，而且受土壤水分、盐度、酸碱度的影响，对固定态和沉淀态的重金属不易吸收，难以在实际中应用。大量研究结果表明，根际细菌和超积累植物的促植物生长内生细菌能够有效地促进超累积植物的生长，增加植株体内重金属的积累量，从而达到降低土壤中重金属含量的目的。例如，Idris 等研究发现，镍超积累植物 Thlaspi goesingense的根际细菌和地上部组织中的内生菌具有耐 Ni抗性。Barzanti等从Alyssum bertolonii根、茎和叶组织中分离出83株内生细菌，这些菌株具有高抗金属能力。我们的研究也发现，Zn/Cd超积累植物东南景天的根系、茎和叶片组织中也定居着大量的内生细菌，且从各植物组织中分离纯化的单个菌株对Zn、Cd、Pb、Cu具有较强的抗性。盆栽试验表明，当生长在重金属污染土壤上，接种菌株显著促进东南景天的生长，植株地上部和根系的重金属含量明显增加。因此，内生细菌可以提高宿主植物对生物与非生物胁迫的适应能力或者促进宿主植物的生长，从而可提高超积累植物对土壤中重金属的吸收和富集，降低土壤中重金属的含量。

盆栽试验证明，土壤接种 Cr还原菌（Ochrobactrum intermedium和Bacillus cereus）能缓减Cr（VI）对植物的毒害作用；金属抗性细菌 Methylobacterium oryzae和Burkholderia sp显著缓减Ni和Zn对番茄的毒害作用，同时植物体内Ni和Zn含量降低。Belimov等报道，根际细菌使在生长在Pb、Cd污染土壤上小麦的产量增加了42%，原因在于根际细菌促进了小麦对P、K、S和Ca吸收。接种金属抗性菌株Kluyvera ascorbata SUD165/26菌株（能过量分泌高铁载体的突变体）能缓减Ni、Pb和Zn对番茄、Brassica campestris和印度芥菜的毒害作用。Belimov等从生长在Cd污染土壤上的印度芥菜根际土壤中分离出11种Cd抗性细菌，发现它们均能促进印度芥菜幼苗的根系伸长生长（有或无 Cd的条件下）。因此，还可以通过调控植物根际微生物种群和功能来影响增加或降低土壤中重金属的生物有效性，从而减低土壤中重金属含量。

（三）展望

品种选育是提高粮食安全性的主要措施之一。为进一步扩大品种筛选范围，广泛收集耐、抗重金属污染的粮食作物品种或基因材料，研究粮食作物对不同重金属元素吸收分配的基因型差异及其在时间、空间上的变化规律，在此基础上为进一步构建利用分子标记对耐、抗毒基因进行分子鉴定和基因鉴定，为进一步分离、克隆抗性基因和遗传工程培育耐、抗、低吸收或少富集的粮食作物品种奠定基础，最终实现粮食安全生产的目的。

近年来，间作套种是一项较新的农业技术。重金属富集植物与非富集植物种植在一起，能为与之间套种的植物提供一定的保护作用。选择适当的植物种类，尽可能提高超富集植物对重金属的吸收，降低与之间作的农作物重金属含量，是修复途径的新思路。试图通过超累积植物与粮食作物套种，利用超累积植物对重金属的富集作用，使重金属稳定化，从而获得合格的粮食产品。同时，试图接种耐重金属菌株到超累积植物和粮食作物套种的农田上，使其促进套种植物的生长，促进超累积植物对土壤中重金属的积累，从而降低土壤中重金属含量，达到降低目标粮食中重金属含量，提高粮食生产安全性的目的。

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2011-02-16

陈雪梅（1983－），女，中国科技开发院广西分院助理工程师；陆明东（1983－），男，南宁市环境保护监测站助理工程师。