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作者简介:

任利娟(1996-),硕士研究生,主要从事土壤重金属污染与修复研究。E-mail:renlijuan_1122@163.com。

通讯作者:

张乃明,E-mail:zhangnaiming@sina.com。

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    摘要

    我国土壤污染问题中重金属最为突出,当前有大量受重金属污染的耕地土壤亟待实现安全利用。重金属叶面阻控剂产品因其具有施用效果好、操作简单、成本可控、对土壤不造成二次污染等特点而广泛应用于受污染耕地安全利用的过程中。从主要种类、阻控机理和应用效果 3 个方面对叶面阻控剂的研究和使用现状进行了综述,并指出了叶面阻控剂作为一种新型外源阻控技术所存在的不足以及今后研究应用的方向,以期为我国受重金属污染耕地土壤安全利用提供科学依据。

    Abstract

    Heavy metals are the most prominent problem in soil pollution in China.At present,a large number of cultivated soils polluted by heavy metals need to be used safely.Heavy metal leaf surface resistance control agent products are widely used in the process of safe utilization of contaminated farmland because of their advantages such as good application effect, simple operation,controllable cost,and no secondary pollution to the soil.This paper summarized the research and application status of leaf surface resistance control agent from three aspects of main species,inhibition and control mechanism and application effect,and pointed out the shortcomings of leaf surface resistance control agent as a new exogenous inhibition and control technology,as well as the direction of future research and application,to provide a scientific basis for the safe use of heavy metal contaminated farmland soil in China.

  • 土壤重金属污染是影响农田生态系统健康和农产品质量安全的重要因素。据调查,我国农田土壤重金属污染点位超标率高达 19.4%,污染耕地总面积达到 2.3×107 hm2[1],镉(Cd)、铅(Pb)等无机物污染相对较为突出。重金属的过量累积会不同程度地影响作物正常生长发育,并通过食物链对人和动物的健康造成潜在风险,研究表明:Pb、Cd、铬(Cr)累积后对小麦的株高、次生根、根系活力造成抑制 / 胁迫效应,导致小麦产量下降[2-3];Pb 含量增加,会抑制土壤中的共生固氮过程,显著降低豆科植物的产量[4];Cd 含量过高会抑制蔬菜的生长,甚至直接导致其停止生长[5-6]。目前,以生物炭、碳酸钙、磷酸盐、石灰等为主要材料的原位钝化技术在重金属污染农田土壤修复中的应用较多,但存在着钝化稳定性能差、使用成本高和引发土壤二次污染风险等弊端。叶面阻控剂作为一种不直接接触土壤的环境友好型材料,在有效摒除土壤污染风险的基础上,能够有效阻隔土壤重金属在作物可食用部分中的累积,甚至部分区域仅通过使用叶面阻控剂就可以达到安全利用或者部分安全利用的效果。目前,关于叶面阻控剂的研究主要为粮食作物,水稻叶面喷施硅(Si)可以调节 Cd、砷(As)在植株体内的累积,使其滞留于根部,是降低水稻 Cd、As 吸收和根茎转运的有效方法;喷施 Na2SeO3 溶液可以降低 Cd 在根到茎的转运与水稻籽粒中的含量;喷施 ZnSO4 通过提高了锌(Zn)向籽粒的转运效率,从而抑制 Cd 向籽粒的转运,有明显降低 Cd 含量、增加 Zn 含量的效果;喷施苹果酸和锰(Mn)、Zn,可加快 Mn、Zn 等营养元素向籽粒的转运,使稻米中的 Cd 含量显著下降,并增加植株干重、籽粒产量、千粒重和收获指数,提升产量;在玉米拔节期和大喇叭口期复合喷施硒(Se) 和 Si,可有效降低籽粒中 Cd、As 的含量,提高产量;喷施 Se 肥和 Si 肥可有效阻隔 Cd 在马铃薯块茎中的富集转运,使马铃薯块茎中的 Cd 含量分别降低 37.6% 和 32.6%[7-14]。本文正是基于现阶段我国受重金属污染农田土壤安全利用的实际需求,从叶面阻控剂的主要种类、阻控机理和应用效果 3 个方面系统总结了叶面阻控剂现有的研究和使用效果,提出了叶面阻控剂作为一种新型外源阻控技术所存在的不足及潜在研究方向,以期为我国重金属污染农田土壤的安全利用提供科学依据。

  • 1 叶面阻控剂类型

  • 叶面阻控剂是一种通过向作物叶片表面喷施小分子有机或无机物,兼具健康、营养特性并可实现阻隔重金属向作物可食用部位转运或累积的一类产品,通过叶片气孔或水孔及细胞间隙吸收、木质部转运、跨维管束运输等多种运输方式进入植物体内,从而通过生理阻隔、元素拮抗、转运竞争等方式改变重金属的再分配,或通过调控植物根系分泌次生代谢产物,改变重金属的生物有效性,阻控根系对重金属的吸收,从而达到污染农田的安全利用。目前已研究报道的叶面阻控剂品类琳琅满目,现主要从营养元素型、稀土元素型和有机酸型来对其进行总结。

  • 1.1 营养元素型

  • 已报道的营养元素型叶面阻控剂主要涉及磷 (P)、Zn、铁(Fe)、Si、Se 等。营养元素主要是通过调节植物生理过程,增强植物抗氧化系统功能并提高作物叶片中叶绿素含量,促进作物光合作用和对营养元素的吸收,降低细胞膜透性,维护膜系统的完整,从而使作物对重金属的抗耐能力增加[15-16]

  • 1.1.1 大量营养元素型

  • 大量营养元素型叶面阻控剂主要以 P 元素为主。 P 是植物生长必需的大量营养元素之一,叶面喷施含 P 的叶面阻控剂可显著降低作物对重金属的吸收,特别是可食用部位对重金属的累积量,已报道的主要材料为磷酸二氢钾(KH2PO4)。主要作用方式包括:(1)通过减少重金属向地上部分迁移来减少植株体内的重金属含量[17],如 Cd 的醋酸提取态主要通过二代磷酸盐与重金属结合形成螯合物,以减少 Cd 在植株内的移动性[18];(2)增加细胞壁厚度,从而固持更多的 Cd[19]。有研究证明,叶面喷施 0.3% 的 KH2PO4 溶液可显著降低 Pb、Cd、Zn 等重金属在水稻籽粒中的累积,并提高水稻的产量[20]

  • 1.1.2 中量营养元素型

  • 中量营养元素型叶面阻控剂主要涉及硫(S)、钙(Ca)、镁(Mg)。其中,S 作为植物生长所需的营养物质,通常以 SO4 2- 的形式被植株根部吸收,经同化途径还原成游离态或结合态的 S2-,S2- 再转化为-SH 形态的半胱氨酸(Cys),硫的同化主要在叶中进行。叶面喷施不同形态的 S,可降低茎部向叶部 Cd 的转运,从而降低糙米中 Cd 的含量;研究发现,通过向叶面喷施 Cys、硫化钾(K2S)、硫酸钾(K2SO4)可以降低糙米中的 Cd 含量,分别依次降低 47.18%、39.49%、27.69%[21-22]

  • 1.1.3 微量营养元素型

  • 微量营养元素型叶面阻控剂以含 Zn、Fe 等元素为主。其中,Zn 是植物生长必需的微量元素,通过在植物体内与 Cd 拮抗,从而抑制根系对 Cd 的吸收和转运,降低植物体内 Cd 的含量。研究表明,水稻叶面喷施 ZnSO4·7H2O 可在一定程度上减少水稻籽粒 Cd 的累积,3~5 mg·L-1 ZnSO4 是叶面调控稻米 Cd 积累的最佳用量;Fe 主要参与叶绿体的形成、重金属的吸收转运[23],水稻体内缺 Fe 时会诱导 OsNramp1、IRT1 和 IRT2 转运蛋白的表达,而这些蛋白在转运 Fe 的同时也可以转运 Cd,通过叶面喷施 Fe,可增加水稻籽粒中 Fe 的含量,减少 Cd 的含量,诸多研究已证实,叶面喷施 FeSO4·7H2O 可显著增加水稻体内 Fe2+ 的含量,减少转运蛋白的表达,降低水稻体内 Cd 的含量[24-26]

  • 1.1.4 其它类型

  • (1)含 Si 叶面阻控剂

  • Si 作为水稻必需的“四大元素”之一,叶面喷施含 Si 的叶面阻控剂可促进水稻的生长发育,降低水稻体内重金属的含量。目前许多研究都证明了叶面喷施 Si 肥是降低稻米 Cd 含量的有效措施,叶面施 Si 可增加水稻叶面积、含水量、叶绿素含量和光合能力,减弱蒸腾速率,提高根系保护酶活力和自由空间中交换态 Cd 的比重,进而降低 Cd 在水稻体内的转运速率来减少水稻可食部位的 Cd 含量[1527]。黄崇玲等[28]发现,无论是叶面喷施无机 Si 溶胶还是有机 Si 溶胶,都可以降低稻米的 Cd 含量,从而提高水稻产量,而喷施 0.2% 有机 Si 溶胶抑制水稻体内 Cd 的效果最好。

  • (2)含 Se 叶面阻控剂

  • 植物体内抗氧化酶的活性中心是 Se,喷施含 Se 的叶面阻控剂通过改变抗氧化酶的活性与作物的抗性来降低水稻体内重金属的含量[29-32]。叶面喷施含 Se 的叶面阻控剂,一是能促进谷胱甘肽系统对植物螯合肽的合成,使水稻体内的 Cd2+ 与植物螯合肽进行络合,从而降低 Cd 的含量;二是参与水稻能量代谢、蛋白质代谢,与其它元素相互作用,从植物代谢活跃的细胞点位上移除 Cd 和改变细胞膜透性等方式抑制水稻各器官对 Cd 的吸收、迁移和累积[33-40],有研究表明,水稻叶面喷施 0.5 mg·kg-1 的 Na2SeO3,可以使水稻不同部位 Cd 的转运系数明显降低[41]

  • 1.2 稀土元素型叶面阻控剂

  • 目前研究较多的稀土元素叶面阻控剂主要是含有镧(La)、铈(Ce)、钕(Nd)等元素。这类元素通过增强植物对重金属的抗性来减少植株体内的重金属含量,具体表现为促进植株叶绿素、谷胱甘肽、金属硫蛋白合成,提高过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性,减少重金属对膜脂的破坏。已有研究证明,当农用混合碳酸轻稀土粉剂 (含 La、Ce、Pr+Nd)为 10 mg·kg-1 时,青椒中 Cd 的含量出现明显降低[42];La 可以通过提高叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)与 CAT 的活性、根系活力和降低丙二醛(MDA)含量与质膜透性,来有效缓解 Cd 对水稻幼苗、玉米幼苗、豌豆幼苗、大蒜幼苗及小白菜的毒害[43-44];Ce 通过提高酶的活性、脯氨酸含量,降低幼苗的相对电导率,减缓作物体内 MDA 的积累,来缓解 Cd、Pb 对黄豆幼苗、小麦幼苗茎叶和玉米的毒害,其中 5 mg·L-1 Ce3+ 可有效缓解低浓度 Cd 污染对菱叶片的毒害[45-46];Nd 通过减缓 MDA 在植物体内的积累来降低菹草和伊乐藻内的 Cd 含量,其中菹草最适宜的添加量为 10~15 mg·L-1,伊乐藻为 0.05 mg·L-1[47-48]

  • 1.3 有机酸型叶面阻控剂

  • 目前研究较多的有机酸型叶面阻控剂主要包括氨基酸、腐植酸、吲哚乙酸等。有机酸型叶面阻控剂是通过有机酸与重金属发生络合反应,钝化沉淀下来,从而降低重金属在植物体内的迁移性,如氨基酸可以通过促进植物体内蛋白质的合成,降低植物体内重金属的含量。已有研究表明,喷施腐植酸和吲哚丁酸可以降低饲料萝卜中重金属的含量;喷施天冬氨酸(Asp)既可降低植物地上部和根系 Cd 的浓度,也可以降低地上部到根系 Cd 的转运因子; 喷施 10、20 和 30 mg·L-1 的 Zn-赖氨酸(Lys)可使植物根部 Cd 含量分别比对照植物降低 10%、 22% 和 31%,地上部分别降低 27%、40% 和 52%,籽粒分别降低 33%、46% 和 70%[49-53]

  • 2 叶面阻控剂的阻控机理

  • 叶面阻控技术是通过调节与作物重金属积累相关的生理过程,抑制作物对重金属的吸收、转运、积累。主要是通过生理阻隔、元素拮抗和竞争转运作用来缓解重金属对作物的毒害,降低作物体内有毒元素含量。

  • 2.1 生理阻隔作用

  • 生理阻隔作用是通过施用诱导或激发液泡等质膜将重金属相关转运体隔离在液泡等细胞器腔室内或通过形成超大分子的螯合或络合物并隔离在细胞壁外,降低重金属在植物体内的运移,达到降低重金属在植物关键部位的累积量。生理阻隔主要是通过细胞壁和液泡来实现,在植物体内,Si 与 Cd 之间可以形成复杂的络合物并沉积于细胞壁上来降低 Cd 的可移动性,同时还可以增强植物细胞壁的强度,并为重金属提供结合位点,使经非原生质体路径运输的 Cd 总量减少,从而降低了 Cd 在地上部组织中的富集;液泡由于富含各类有机酸、蛋白质、有机碱、糖等物质,均能与重金属结合,因此是阻隔重金属离子的理想场所。目前,通过叶面喷施技术可把重金属区隔在细胞壁外或者液泡等组织器官中,减少其向其他关键部位扩散,从而延缓了土壤重金属向作物可食用部位的转运累积,确保食品安全[54-56]

  • 2.2 元素拮抗作用

  • 元素拮抗作用是因为重金属元素与营养健康元素存在相似的离子半径或电子结构而发生的吸收排斥效应,达到降低重金属吸收累积量的目的。研究表明,Se 和 Zn 等元素对重金属具有拮抗作用,可以抑制有毒元素在重金属体内的累积,缓解重金属对作物的毒害。Cd2+ 和 Zn2+ 有相似的外层电子结构,都有充满电子的 d 轨道,并且都有两个外层 s 电子,它们的稳定价态都是正二价,Cd2+ 与 Zn2+ 可以互相竞争进入生物细胞上的结合位点,因此,当 Zn 不足或土壤缺 Zn 时,受污染土壤中的 Cd2+ 就会进入植物体内与功能蛋白质相结合,占据酶的活性位置,使酶活性受到影响且 Cd2+ 会取代 Zn-酶中的 Zn2+,使得植株内 Cd 含量增加,反之亦然;Se 对 Cd 的拮抗机理则是通过提高了谷胱甘肽过氧化物酶的活性,从而抑制了含 Cd 金属酶的形成,降低 Cd 的吸收,减少植物体内 Cd 的含量[57-58]

  • 2.3 转运竞争作用

  • 转运竞争作用是植物在吸收重金属与营养元素时,通过二者之间的竞争吸收转运位点来降低重金属的转运比例从而达到安全利用的效果,主要体现在竞争转运位点与运输通道两方面。在植物根系吸收阶段,Fe2+ 与 Cd2+ 两者竞争吸收转运位点,当 Cd2+ 进入植物体后,Cd2+ 与 Fe2+ 之间出现明显的竞争,当 Fe2+ 含量充足时,Fe2+ 的竞争性更强,就会减少根系对 Cd2+ 的吸收和向地上部转运;Zn、Fe 与 Cd 在植物根系质膜里的转运是共用 1 个运输通道,叶面喷施含 Fe、Zn 等元素的叶面阻控剂后,即可占据 Cd 的运输通道,从而降低植物对 Cd 的吸收,减少植物关键部位 Cd 的累积量[59-61]

  • 3 叶面阻控剂在重金属污染耕地土壤安全利用中的应用

  • 3.1 叶面阻控剂在谷物类作物生产中的应用

  • 关于叶面阻控剂在谷物类作物中的应用已进行大量研究,王世华等[62]发现在水稻叶面喷施含 Si 的叶面阻控剂后,籽实中 Cd、Pb、铜(Cu)、 Zn 的吸收量均显著降低(P<0.05),产量也有所提高(P<0.05);李杉杉[63] 发现水稻喷施 Se/ Si、Fe 和 Zn 叶面阻控剂后与作物体内的 Cd 络合或竞争转运位点,使籽粒中 Cd 浓度比对照降低 17.8%~58.4%;李伯平[64]研究发现,水稻喷施叶面阻控剂后,可以使 Cd 停留在植物根、茎基部,从而使稻米 Cd 含量降低了 41.5%;沙乐乐[65]发现,在水稻抽穗前 5 d 进行一次喷施,7 d 后进行二次喷施含黄腐酸、胡敏酸钾与有机 Si 表面活性剂 L-77 的效果最好且降低幅度超过 50%;唐熙雯等[66]发现、经过“VIP+n”(V 为种植低镉积累品种,I 为优化水分管理,P 为施用石灰,n 为喷施叶面阻控剂)技术处理后早稻 Cd 含量较对照分别降低 70.00%、61.19% 和 69.66%,且均达到显著性差异(P<0.05),晚稻分别降低 87.16%、41.49% 和 61.71%,且均达到显著性差异(P<0.05);小麦叶面喷施纳米羟基磷灰石、Zn、Ce、混合施用 Zn、 Mg、Mn 均可显著降低小麦各部位(特别是籽粒) Cd 的含量,施用 Zn 肥的效果最好,籽粒中 Cd 含量可下降 50% 左右[67-69]。在玉米幼苗期喷施 La 可以缓解 Cd 对玉米幼苗生长造成的伤害、提高叶绿素含量、降低 MDA 和细胞膜透性以及维持 CAT 和 POD 活性;在玉米叶面喷施适当浓度的 Se 肥,既可以降低玉米籽粒中 Cd、As 的含量,又可以提高玉米籽粒中 Se 含量[70-71]

  • 3.2 叶面阻控剂在蔬菜作物生产中的应用

  • 蔬菜种植中存在不同程度的重金属累积污染,近期有人归纳指出,沈阳、南京为典型的 Cd 污染; 乌鲁木齐、西安、杭州属典型的 Pb 污染,成都属典型的 Hg 污染[72]。研究发现,叶面阻控剂可有效降低蔬菜中重金属的含量,进而达到蔬菜地安全利用的目的,小白菜、辣椒、萝卜叶面喷施含 2.0 g·L-1 Si、0.5 g·L-1 钼(Mo)、10 mg·L-1 Se 的叶面阻控剂可显著降低蔬菜中 Cd 的含量,并提升品质和产量[73];生菜、莴苣和菠菜叶面喷施含 Zn 的叶面阻控剂可以抑制根系对 Cd 的吸收,减少其向地上部的转移[51];番茄叶面每隔 4 d 喷施≤ 200 μmol·L-1 的 Zn 和 Fe,共 7 次,可抑制番茄对 Cd 的吸收、转运和积累[74-75];水东芥菜叶面每隔 7 d 喷施一次 Si、Ce 和 Si+Ce,可有效降低地上部重金属含量和增加产量,其中 Cd 分别下降 24.5%、2 2.9%、42.6%,As 分别下降 26.4%、26.0%、40.0%, Pb 分别下降 22.5%、32.5%、36.8%[76];黄瓜果实膨大期喷施含 0.5~1.5 ng 黄腐酸钾和 0.2~0.4 ng ZnSO₄ 的叶面阻控剂可有效阻隔黄瓜对 Cr、As、Pb 的吸收,并降低其含量[77]

  • 3.3 叶面阻控剂在其他农作物生产中的应用

  • 叶面阻控剂近年来不仅在谷类和蔬菜中应用广泛,在其他类农作物的应用也在逐步增加。在甜樱桃落花坐果期、西瓜坐果期、猕猴桃开花期和壮果期分别喷施 20、4.0、5.00~10.00 mg·L-1 的 Na2SeO3 可以显著降低果实内的重金属含量,其中以猕猴桃的效果最好,Cd 含量可下降 6.98%~28.49%,Pb 含量下降 23.46%~51.03%[5878-79]; 白甜瓜叶面喷施含 Zn 和黄腐酸钾的阻控剂可以减少对重金属的吸收,降低甜瓜 Cd、Pb 的含量[77]; 云烟叶面喷施腐植酸络合钾 10 mL·株-1 可有效降低烟叶中 Cd 的含量,促进烟株生长[80];石竹幼苗期添加 35~45 mg·L-1 的外源抗坏血酸可以最大程度地缓解 Cd 对石竹幼苗的毒害[81]

  • 4 研究展望

  • 叶面阻控剂作为受污染农田土壤安全利用的新型产品,不仅能够实现粮食、蔬菜等食品的安全达标,而且因不直接接触土壤而使其免受二次污染的风险,再加上运输方便、操作简单、高效经济使其更容易被农户接受。因此,叶面阻控剂在市场上得到了快速发展,但也存在一些不足和问题。结合研究现状及市场产品推广应用情况,对叶面阻控剂当前存在的问题及未来发展前景总结如下。

  • (1)叶面阻控剂作为一类重要新型农资产品,在重金属污染耕地安全利用中得到广泛使用,但其作用机理尚有待进一步完善。随着现代生物工程技术、基因编辑技术以及高分辨率电子显微镜等技术的应用,从亚细胞结构、超微结构、转运蛋白修饰及基因定向改造等途径来解释叶面阻控剂的作用机理已成为可能,可利用新技术对叶面阻控剂作用机理进行更深层次的研究。

  • (2)目前市场上的叶面阻控剂存在种类少、专用性不强等问题。不同作物类型对重金属元素的富集特性存在差异,如小麦可食部位 Cd 的富集系数 >水稻可食部位 Cd 的富集系数 >青椒可食部位 Cd 的富集系数,因此可针对作物类型或者不同重金属特性来加强叶面阻控剂专用型产品的开发研究。

  • (3)现有叶面阻控剂在使用时容易受外界环境温度、气候、植株叶片特性及元素吸收拮抗等影响,导致叶面阻控剂液滴保存时间短、吸收利用效果差等问题。可利用现代分子生物学技术促进叶面阻控剂更具高效性和靶标性,如可利用 CRISPR/ cas9 和基因敲除技术来培育抗逆性强,且更易于吸收叶面阻控剂的新品种。

  • (4)完善市场准入机制,确保产品质量。叶面阻控剂作为新型产品,虽然具有更为广阔的市场空间,但是也存在使用方法不明确、标准不完善的弊端,导致市面上所销售的叶面阻控剂产品良莠不齐,效果好坏参半。建议根据不同污染程度的农田土壤安全利用效果来逐步完善产品标准,规范重金属叶面阻控剂产品的市场准入制度,促进叶面阻控剂产品的安全健康发展。

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