镉污染农田土壤修复技术及安全利用方法研究进展

不同作物基因型差异引起的镉吸收累积差异机制不同，部分低累积作物主要通过减少镉由根部向地上部转移的方式降低可食部位镉浓度，如在低镉累积大豆(品种Enrei)根细胞内发现有与镉形成螯合物的蛋白质和氨基酸，减少镉向地上部的迁移。此外，部分植物通过减少根细胞镉吸收的途径而降低地上部镉的累积量，该过程主要以根细胞壁作为有效吸收屏障，而根细胞分泌的与镉亲和性较高的有机物可进一步降低根细胞镉吸收量。相同浓度镉胁迫3d后，耐镉小麦(品种RAJ4161)根部植物螯合肽合成酶增加，而镉敏感小麦(品种PBW343)减少;胁迫10d后，耐镉小麦镉根部和叶部抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶达到最大值，表明两种不同品种小麦的镉耐性差异机制主要表现为mRNA表达的差异。有研究表明，基因调控水平上，导致水稻镉吸收累积差异的主要机制是编码HMA3转运蛋白基因的差异，水稻等位基因OsHMA3影响镉从根部到地上部的转移效率，OsHMA3基因静默可导致水稻根部镉向地上部转移量增大;OsHMA3突变导致功能丧失，镉向地上部运转大幅度增加，而OsHMA3基因过量表达则减少了镉的转移。OsNramp5基因负责将细胞外部溶液中的镉转移到根细胞内，研究表明，除去OsNramp5基因的水稻突变体根部镉吸收量比野生型的水稻降低90%。Wang等研究发现，不同品种大白菜镉累积量差异与Nramp3表达的差异有关，此外NRT1.8的表达也可能与大白菜镉累积有一定关系。值得一提的是，低累积作物的低累积特性存在不稳定性，如研究发现籽粒低累积小麦品种(尧麦和洛优9909)在连续种植3年后，第3年籽粒中镉质量分数超过0.1mg˙kg-1，可见多代种植后作物的低累积特性可以发生变化。

2.2 超镉累积植物筛选

镉超累积植物是指叶部镉累积量高于100mg˙kg-1的植物，同时该植物地上部镉含量与根系镉含量的比值应大于1。公认的镉超级累植物只有遏蓝菜(Thlaspi  caerulescens)等少数几种十字花科植物，遏蓝菜为麦田主要杂草之一。水培条件下，相比白玉草(Silene venosa)和西红柿(Ycopersicon  esculentum)，遏蓝菜将镉由培养液向地上部转移的效率均较高，但遏蓝菜生物量较小、生长较为缓慢且机械收割困难，导致其镉修复的应用受到一定程度的限制。McGrath等研究表明，种植14个月的遏蓝菜可将污染土壤中21.7%的镉去除，且土壤镉的去除率远高于仅种植4个月的遏蓝菜处理组，可见合理延长种植时间可提高遏蓝菜镉去除率。Wei等发现一种镉超累积植物——龙葵(Solanum  nigrum  L.)，当土壤镉质量分数为20~60mg˙kg-1时，龙葵地上部镉累积量可达110~460mg˙kg-1，其镉富集系数可高达2.68，且地上部镉累积量高于根部。相比遏蓝菜，龙葵的生长迅速，生物量大(正常环境下可达1m高)，因而龙葵修复镉污染土壤的前景较好。

锌超累积植物鼠耳芥(Arabidopsis  halleri)对镉也有超累积作用，有报道显示部分鼠耳芥品种地上部镉的累积量可超过100mg˙kg-1。研究表明，鼠耳芥主要通过木质部汁液载入和运输镉，且该过程消耗能量，镉在木质部汁液中主要以无机离子形态进行迁移。尽管鼠耳芥生物量不大，但其生长周期短，因而应用鼠耳芥修复农田土壤镉具有一定的可行性。在中国发现的原生态镉超累积植物为东南景天，属景天科，为自然进化的锌、镉超累积植物，其茎、叶中镉含量可分别高达9000mg˙kg-1和6500mg˙kg-1，但东南景天生物量小，生长缓慢，修复效率相对较低，限制了其工程应用。

近年来研究发现，印度芥菜(Brassica  juncea)对较强的耐性，且生物量较大，其吸收的总镉量远高于东南景天。油菜是中国主要农作物之一，其中芥菜型油菜和印度芥菜是同属同种植物，并且它们还有较强耐瘠薄的能力。水培和土培条件下，油菜品种Xikou  Huazi 对镉具有耐性，可作为植物修复材料，品种Zhongyou 821 对镉的耐性较差;研究表明，Xikou Huazi

型油菜根际土壤碳酸盐结合态镉和有机结合态镉含量均高于非根际土壤，而Zhongyou 821  型油菜根际和非根际土壤中碳酸盐结合态镉和有机结合态含量无显著差异，可见镉耐性油菜品种根际具有降低镉生物有效性的作用。郭艳杰等研究发现，Cd、Pb  复合污染条件下，与油菜相比，印度芥菜对重金属Cd、Pb 的耐性较强，地上部生物量较大，是同处理油菜的1.1~2.0倍，两种植物对土壤Cd 的吸收均达到100  mg˙kg-1以上，表现出超富集特性。

观赏植物如某些品系菊花对镉也具有一定的耐性作用，例如Ramana等评估了野菊花(Chrysanthemum indicum  L.)和万寿菊(Tagetes erecta L.)对土壤镉的植物提取能力，研究发现野菊花可耐受高达200 mg˙kg-1  的镉污染，而万寿菊在此污染水平下出现死亡。野菊花镉累积量是万寿菊的3倍。尽管野菊花可从土壤中吸收较大量的镉，但其植株内部镉由根部向地上部转移受限，而万寿菊镉吸收量较少，但其内部镉由根部向地上部转移效率较野菊花高。万寿菊地上部镉累积量大于100μg˙g-1  且地上部镉与根部镉浓度比值大于1，因此万寿菊为镉的超累积植物。与普通植物相比，多年生经济作物苎麻(Boehmeria  nivea)对镉、砷等重金属具有较强的耐受能力，其对镉的富集系数可达2.1，转运系数可达3.0，但在未经活化调控的污染土壤中，苎麻的植物提取能力相对较低，限制了其土壤修复的应用。

无论是超积累植物还是低累积作物，植物从土壤中吸收重金属后若不经过合理处置，又将回归至土壤环境，再次造成污染，因此重金属富集植物生物质的处置是制约植物修复商业化应用的重要因素之一。基于减量化、无害化和资源化原则，焚烧法、灰化法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法、液相萃取法和植物冶金等为处置重金属富集植物生物质的主要技术。

3 联合调控方法  

3.1 钝化剂与低累积作物联合的安全生产体系

工业快速发展引起耕地面积锐减，重金属超标土壤的农业利用是在中国耕地资源紧张、粮食和食物安全形势严峻前提下的一种不得已的选择。在中低浓度镉污染农田土壤中，采用化学钝化剂联合低累积作物有望实现镉超标农田土壤的安全利用。

小麦秸秆生物炭施用及低镉累积水稻品种种植均可降低稻米镉累积量，且生物炭施用对低镉累积的水稻品种的降镉效应高于高镉累积水稻品种，低镉累积水稻品种与生物炭联合施用可减少69%~80%的稻米镉累积量，因而低镉累积水稻品种联合生物炭施用可用于修复镉污染稻田土壤，从而降低人类健康风险。钝化剂石灰和煤渣混施，可使水稻镉累积量降低38.3%~9.1%;而石灰、煤渣和甘蔗渣混施，可使水稻糙米镉累积量降低58.3%~70.9%;种植低镉累积水稻品种(XiangZaoxian32)糙米中镉含量低于食品安全标准限值(0.2mg˙kg-1);选育低累积品种并合理配施钝化剂可保障污染农田土壤农产品安全。

陈东哲等在稻田Cd中污染区采用VIP技术(Variety，Irrigation and pH  adjustment，V指采用低镉品种，I指水分控制，P指调节酸碱度)进行修复治理小区、示范试验，证实种植低累积Cd水稻品种、施用适量生石灰的“VIP技术”有明显降稻米Cd效果，对稻田土壤Cd降解没有明显效果，但中、轻度稻田Cd污染区早稻收割期土样全Cd和有效Cd含量都明显高于晚稻收割期，早稻稻米Cd含量明显低于晚稻稻米。谢敏等研究发现，在早稻生产中，施用生石灰可极显著降低稻谷总镉含量，在晚稻生产中，“IP”和“VIP+土壤调理剂”处理，可极显著降低稻谷总镉含量。

3.2 低累积作物与超累积植物套种或轮作农艺调控体系

镉超累积植物龙葵与低镉累积白菜套种，第一轮套种试验，90d后土壤中10%的镉被去除，添加甘氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等植物提取促进剂可将土壤镉去除率提高至20%;第二轮套种试验中，即使添加植物提取促进剂后小白菜植株中镉浓度仍低于食品限量标准，达到可食用标准。中低浓度镉污染土壤中，龙葵与低镉累积大葱品种套种试验研究发现土壤镉的去除率为7%，龙葵的生长并不影响大葱(Allium  victorialis)的生物量，且大葱地上部镉累积量低于标准限量，可见采用低累积作物与超累积植物套种可达到“边生产边修复”的目的。通过合理的水肥管理，低镉累积型空心菜及青菜与东南景天的轮作使土壤镉的去除率高达56.5%，DTPA提取态镉降低62.3%，作物镉吸收量降低，东南景天生物量增大。

4 结论与展望  

农田土壤镉污染引起的农产品安全问题备受关注，在当前中国耕地资源紧缺背景下，如何保障中低浓度镉污染农田土壤的安全利用是研究热点也是难点。尽管近几十年来国内外学者已经通过物理、化学、生物和化学-生物联合等技术修复镉污染农田土壤，并取得一系列研究成果，部分还在生产上得以推广实施，但由于土壤本身的复杂性加之作物对生长环境的强烈依赖性等主要因素导致上述部分研究成果无法在真实环境或者大范围内应用。此外，农田生态系统极易受到环境和人为因素的影响，因此无论基于物理、化学还是生物方法的镉生物有效性调控技术都无法持久，环境因子的波动很有可能会导致镉形态的转变，从而影响作物镉吸收、累积过程。

结合实际农业生产，今后的研究工作应主要集中在以下几个方面：(1)系统解析土壤镉生物有效性主控环境因子及作用机制，构建基于环境主控因子的农田土壤镉生物有效性最佳调控技术体系;(2)深入探究低累积作物或超富集植物镉吸收的关键生物过程，寻找植物镉耐性基因或转运蛋白，探寻转基因植物在镉污染农田土壤中的应用及前景;(3)从农业生态工程角度出发，结合污染特征、作物种类、耕作模式、钝化剂类型、水肥管理等探索绿色、高效联合调控技术规程，切实指导农业生产。