水稻降鎘技術(shù)研究進(jìn)展

作者簡(jiǎn)介：胡國(guó)龍（1967—），男，大專，農(nóng)藝師，研究方向： 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)及農(nóng)業(yè)技術(shù)。

通信作者：劉小余（1985—），男，碩士，農(nóng)藝師，研究方向：農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣及農(nóng)作物病蟲害防治。

摘 要：水稻鎘超標(biāo)已成為威脅糧食安全和食品安全的大問題，也是制約水稻產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的關(guān)鍵因素。鎘是植物生長(zhǎng)的非必需元素，當(dāng)鎘進(jìn)入植物體內(nèi)并積累到一定程度后，植物的多種生化活動(dòng)會(huì)受到嚴(yán)重破壞，并對(duì)人體產(chǎn)生毒性。為了安全利用鎘污染水稻田，研究人員也越來越重視各類水稻降鎘技術(shù)。為了給相關(guān)研究提供參考，從低鎘水稻品種選育和篩選（種植前）、土壤改良劑阻鎘（種植中）、稻谷加工脫鎘（種植后）和“VIP+n”技術(shù)降鎘（集成技術(shù)）這4個(gè)方面出發(fā)，對(duì)水稻降鎘技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：低鎘水稻；土壤改良劑；加工；“VIP+n”技術(shù)

中圖分類號(hào)：S511；X173 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）1-84-4

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.021

0 引言

水稻是我國(guó)主要糧食作物，其對(duì)鎘的吸附能力要強(qiáng)于其他農(nóng)作物，從而導(dǎo)致稻田鎘污染成為當(dāng)前水稻生產(chǎn)面臨的一大難題［1］。作為人體非必需元素，鎘會(huì)通過生物富集和生物放大進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重危害人類的身體健康。如何安全利用鎘污染稻田，并實(shí)現(xiàn)水稻降鎘，阻止鎘進(jìn)入食物鏈，已成當(dāng)前研究熱點(diǎn)。為了給水稻降鎘相關(guān)研究提供參考，對(duì)水稻低鎘富集品種選育和篩選、土壤改良劑阻鎘、稻谷加工脫鎘和“VIP+n”技術(shù)降鎘等研究進(jìn)展進(jìn)行梳理和總結(jié)，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望。

1 低鎘水稻品種選育和篩選

1.1 低鎘水稻品種選育

目前，已進(jìn)入示范推廣階段的低鎘水稻品種有“臻兩優(yōu)8612”和“西子3號(hào)”?！罢閮蓛?yōu)8612（蓮兩優(yōu)1號(hào)）”由“隆臻36S”（母本）和“華恢8612”（父本）雜交得到，是國(guó)內(nèi)首個(gè)非轉(zhuǎn)基因，且可直接推廣種植的鎘低積累雜交水稻品種。在鎘中度、重度污染的大田中，“臻兩優(yōu)8612（蓮兩優(yōu)1號(hào)）”籽粒的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)比普通水稻品種下降90%以上，其籽粒鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03 mg/kg以下。2023年，“臻兩優(yōu)8612（蓮兩優(yōu)1號(hào)）”在海南省種植單產(chǎn)達(dá)4.39 t/hm2［2］。以“珞紅3A”和“珞紅4A”為供體，利用常規(guī)育種技術(shù)，結(jié)合低鎘分子標(biāo)記輔助選擇法選育出的“西子3號(hào)”，是首個(gè)通過國(guó)審的低鎘水稻品種［3］。

目前，鎘低積累水稻品種的育種方法研究也取得了一定進(jìn)展。華永歡［4］采用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除粳型糯稻品種粳糯（Gn）的OsNramp5基因，獲得1個(gè)低鎘吸附的糯稻材料，并采用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除秈型骨干親本宜香1B和蜀恢498（R498）材料中的Wx、OsNramp5基因，獲得2個(gè)低鎘吸附的新型糯性材料。裴峰等［5］在南粳46背景下，對(duì)OsNramp5基因進(jìn)行敲除，創(chuàng)建無外源轉(zhuǎn)基因成分的Nramp5-KO敲除系，并通過試驗(yàn)證明Nramp5-KO敲除系的鎘元素積累明顯降低，但產(chǎn)量和品質(zhì)有不同程度下降。張上都等［6］以貴州省水稻耕種區(qū)的87個(gè)主栽水稻品種為研究對(duì)象，篩選出含有低鎘積累主效基因qCd7.1位點(diǎn)的9種水稻品種，其籽粒中的鎘含量顯著低于不含低鎘位點(diǎn)基因的品種。趙新輝等［7］通過60Co-γ射線輻射雜交水稻恢復(fù)系“華恢8612”，得到突變株“輻8612-12”；在中低度鎘污染環(huán)境下種植“輻8612-12”，其籽粒鎘含量穩(wěn)定，且低于國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 低鎘水稻品種篩選

低鎘水稻品種篩選是對(duì)已有品種進(jìn)行篩選，從而找到適合當(dāng)?shù)厣车逆k低積累品種。劉星星等［8］綜合考慮產(chǎn)量、水稻鎘積累和抗倒伏能力，發(fā)現(xiàn)“野香優(yōu)明月絲苗”“兩優(yōu)336”“美香占”“黃華占”“鄂豐絲苗”適宜在南方稻蝦田中栽種，“野香優(yōu)莉絲”“豐山絲苗”“靚占”適宜在南方丘陵地區(qū)風(fēng)較小的稻蝦田中種植。蔣小芳等［9］以安順市平壩區(qū)的7個(gè)主栽水稻品種為試驗(yàn)材料，篩選出“泰優(yōu)553”適宜在鎘輕中度污染稻田中推廣種植。劉榮等［10］兼顧稻米低鎘含量和高產(chǎn)量，在湖北省40個(gè)主栽秈稻品種中篩選出“隆兩優(yōu)1686”和“巨2優(yōu)60”，可作為推薦品種在湖北省鎘污染安全利用類稻田中種植。

2 土壤改良劑阻鎘

在水稻種植過程中，施用土壤改良劑可改善土壤環(huán)境質(zhì)量，提高土壤生態(tài)功能，從而降低鎘在稻米中的富集。一方面，土壤改良劑會(huì)改變土壤環(huán)境，促進(jìn)土壤中的鎘向遲態(tài)和無效態(tài)轉(zhuǎn)化；另一方面，土壤改良劑可提高水稻根系活性，緩解鎘對(duì)光合作用和抗氧化酶的毒副作用。

科學(xué)合理的施肥方式是最直接、最易推廣實(shí)施的鎘污染修復(fù)技術(shù)。周娟等［11］采用“有機(jī)肥+熟石灰+復(fù)合肥”和“有機(jī)肥+土壤調(diào)理劑+復(fù)合肥”2種施肥方式，能有效改善水稻田耕地質(zhì)量，降低土壤鎘含量。在“荃優(yōu)259號(hào)”種植過程中施用有機(jī)肥（老河口市綠美生物科技有限公司產(chǎn)品）和土壤調(diào)理劑［環(huán)保橋（湖南）生態(tài)環(huán)境工程股份有限公司產(chǎn)品］，可使稻谷和土壤中的鎘實(shí)現(xiàn)雙降［12］。

眾多研究表明，含硅的土壤改良劑能有效阻止鎘的富集。唐樂斌等［13］以“五優(yōu)1179”和“絲香1號(hào)”為供試材料，于水稻孕穗期和灌漿期噴施硅（Si）、硒（Se）阻隔劑，不但能提高稻米產(chǎn)量，還降低了糙米中的鎘含量，且成本相對(duì)較低。在“豐優(yōu)208”稻米種植中施用硒類阻控劑、硅類阻控劑均可減少鎘在稻米中的含量［14］。張宇鵬等［15］用配制好的土壤調(diào)理劑（SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.7%、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.3%）進(jìn)行試驗(yàn)，證明有機(jī)硅在將鎘固定于土壤中的同時(shí)，阻隔了水稻根系對(duì)鎘的吸收，水稻各部位的鎘含量均有所下降。

考究市售的各類改良劑應(yīng)用效果和開發(fā)新的土壤改良劑，對(duì)稻田鎘生物修復(fù)一樣重要。楊西帆等［16］持續(xù)2 a對(duì)市售鈍化劑不同施用量對(duì)土壤中有效態(tài)鎘含量及稻米鎘含量的影響，發(fā)現(xiàn)由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)的長(zhǎng)效型鈍化劑（含90%方解石和10%腐殖酸礦粉）阻控水稻籽粒鎘富集的效果和持效性最優(yōu)。復(fù)配鈍化劑（1%生物炭+0.2%硅肥/石灰，BS/BL）不但能顯著降低土壤中鎘含量，可使水稻籽粒中的鎘含量降低60%以上，且對(duì)水稻產(chǎn)量無不利影響，能實(shí)現(xiàn)鎘污染稻田的原位鈍化修復(fù)［17］。以牡蠣殼、石灰石等為原料的礦物源調(diào)理劑，通過降低土壤鎘活性，可阻控鎘進(jìn)入水稻遷移與富集，且能增加水稻產(chǎn)量［18］。用CaO、FeSO4和改性電廠灰（BFA）來處理鎘污染稻田，能降低水稻各部位對(duì)鎘的富集系數(shù)［19］?？紤]處理效果與處理成本，以6 000 kg/hm2復(fù)合鈍化材料（配比為m高嶺土∶m磷灰石∶m赤泥=1.0∶0.2∶0.2）來處理水稻，土壤中有效態(tài)鎘的降低率達(dá)到44.12%，稻米降鎘至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以下［20］。用硫酸鋅溶液浸種能顯著促進(jìn)秧苗生長(zhǎng)，同時(shí)使在鎘污染土壤中生長(zhǎng)的常規(guī)稻秧苗鎘濃度明顯下降［21］。鮑佳宇等［22］在水稻種植中施加鈣鋁層狀雙氫氧化物（CaAl-LDH），使田塊土壤離子交換態(tài)鎘下降26.71%，殘?jiān)鼞B(tài)鎘和鐵錳結(jié)合態(tài)鎘分別升高了18.49%、5.68%，稻米中的鎘含量下降68.42%；經(jīng)過連續(xù)2 a原位監(jiān)測(cè)顯示，稻米籽粒鎘含量降幅仍保持37%以上。

3 稻谷加工脫鎘

鎘在水稻各個(gè)部位的分布不同，且稻谷加工工序會(huì)影響鎘的轉(zhuǎn)移［23］。利用稻米清潔加工技術(shù)和工藝來降鎘，是阻止鎘進(jìn)入食物鏈的最后關(guān)口。

超聲波作為一種穿透力強(qiáng)的機(jī)械波，在清潔領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。研究表明，超聲波在稻米加工脫鎘方面的效果顯著。在超聲條件下，稻米浸泡116 min，超聲功率為560 W，浸提溫度為53 ℃，糙米的降鎘率達(dá)到38.97%，蒸谷加工的降鎘率為40.89%［24］。在米線加工過程中，低強(qiáng)度超聲波能使浸泡液中的細(xì)菌物種多樣性增加，會(huì)提高乳桿菌屬細(xì)菌的相對(duì)豐度，而乳桿菌屬細(xì)菌具有產(chǎn)乳酸特性，有利于提高脫鎘率［25］。此外，檸檬酸對(duì)稻米加工脫鎘也有幫助。陶湘林等［26］利用檸檬酸溶液對(duì)大米淀粉中的鎘進(jìn)行脫除，再用脫鎘淀粉進(jìn)行復(fù)配，通過雙螺桿擠壓機(jī)制得到耐酸性更好的擠壓重組米。此前，有學(xué)者從物理降鎘、化學(xué)降鎘和微生物降鎘方面對(duì)各種稻米加工降鎘技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究［23，27］。

4 “VIP+n”技術(shù)降鎘

“低鎘品種 （Variety） +全生育期淹水灌溉（Irrigation）+施加生石灰調(diào)節(jié)土壤酸堿度（pH）+輔助措施（n）”（VIP +n）技術(shù)是一種將植物生理特性與農(nóng)藝措施相結(jié)合的技術(shù)，是目前相對(duì)成熟的稻谷種植降鎘集成技術(shù)。近年來，多地圍繞“VIP+n”技術(shù)開展田間試驗(yàn)，探索該技術(shù)組合在輕中度重金屬鎘污染稻田中的應(yīng)用，為構(gòu)建更科學(xué)、精細(xì)的鎘污染耕地修復(fù)治理技術(shù)模式打下基礎(chǔ)。

肖歡歡等［28］在耒陽市以25個(gè)鎘低積累水稻品種為供試品種，證實(shí)在鎘中度污染區(qū)應(yīng)用“VIP+葉面阻控劑”技術(shù)能有效減輕土壤中重金屬鎘對(duì)水稻的危害，可提高水稻產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)稻谷出“鎘”而不染，有力保障稻谷質(zhì)量安全［28］。藍(lán)勁松等［29］通過試驗(yàn)證明，“VIP+A+B”（選用低鎘品種 + 淹水灌溉 + 施加生石灰 + 施加土壤鈍化劑 + 施加有機(jī)肥）處理對(duì)早稻的降鎘效率最高達(dá)98.36%、晚稻的降鎘效率達(dá)73.29%，早晚稻分別增產(chǎn)7.98%、8.74%。陳嘉莉等［30］在衡東縣進(jìn)行大面積示范和對(duì)比試驗(yàn)證明，應(yīng)用“VIP+n”技術(shù)能降低稻米鎘含量，施用生石灰和土壤調(diào)理劑可降低稻田土壤中有效態(tài)鎘含量。易佳佳等［31］在湘陰縣采用全生育期淹水管理，在水稻分蘗期和灌漿期施用葉面阻鎘劑，試驗(yàn)田較2016年同區(qū)域稻田和當(dāng)年同區(qū)域雙季晚稻田均大幅降低。劉明書等［32］在辰溪縣開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“IP”“VIP”“VIP+n”均具有顯著降鎘效果，“IP”處理（淹灌+施石灰）技術(shù)是辰溪縣當(dāng)前應(yīng)對(duì)稻田鎘污染的首選技術(shù)，“VIP”“VIP+n”處理技術(shù)適合在辰溪縣鎘污染較重區(qū)域推廣應(yīng)用。李威等［33］的研究表明，應(yīng)用“VIP+n”技術(shù)能顯著提高酸性土壤pH值，緩解土壤酸化，降低土壤中有效態(tài)鎘含量（降低幅度為44.50%～81.33%），且對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量不產(chǎn)生明顯影響，在降低稻米鎘含量的同時(shí)，不減少水稻產(chǎn)量。唐金花［34］在湘潭縣以早稻“中嘉早17號(hào)”和“湘早秈24號(hào)”、晚稻“H優(yōu)518”和“岳優(yōu)27”為試驗(yàn)材料，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和稻米降鎘效果進(jìn)行分析，證明“VIP”技術(shù)組合是降低農(nóng)田重金屬污染稻米鎘含量較為有效的技術(shù)。在瀏陽市早稻“中早39”和“株兩優(yōu)819”生產(chǎn)中，施用生石灰能顯著降低稻谷總鎘含量；在晚稻“H優(yōu)518”和“金優(yōu)59”栽培中，采用“IP”和“VIP+施用土壤調(diào)理劑”處理，能顯著降低稻谷總鎘含量［35］。

綜上所述，“VIP+n”技術(shù)較為成熟，并應(yīng)用于湖南省多個(gè)地區(qū)；且結(jié)果證明，該技術(shù)對(duì)鎘污染土壤及稻谷的降鎘效果明顯，具有一定推廣意義；但該技術(shù)在一定程度上受可選低鎘品種少、季節(jié)性干旱等因素的影響。

5 發(fā)展展望

水稻降鎘關(guān)系著“舌尖上的安全”，研究意義重大。水稻降鎘的重點(diǎn)在于土壤源頭管理。從長(zhǎng)久計(jì)，只有改善水稻生長(zhǎng)環(huán)境，才能讓稻谷不受“鎘”擾。鑒于我國(guó)“大國(guó)小農(nóng)”的現(xiàn)實(shí)，當(dāng)下水稻降鎘應(yīng)做好以下兩點(diǎn)：一是對(duì)各地鎘污染農(nóng)田（特別是土壤和農(nóng)產(chǎn)品皆鎘超標(biāo)的農(nóng)田）實(shí)施嚴(yán)格管控，由政府統(tǒng)一采購低鎘水稻品種，由企業(yè)按低鎘種植技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，并將稻谷脫鎘加工后進(jìn)入食物鏈；二是各地應(yīng)利用當(dāng)前全國(guó)第三次土壤普查的契機(jī)，同步開展有針對(duì)性的各種水稻降鎘技術(shù)田間示范試驗(yàn)，總結(jié)出更多降鎘集成技術(shù)，做到未雨綢繆。

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