路港濱，俄勝哲,，袁金華，趙天鑫，冶賡康，張鵬，劉雅娜，王鈺軒

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，蘭州 730070；2甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

0 引言

重金屬是指密度大于4.5 g/cm3的金屬，農(nóng)業(yè)土壤的重金屬污染主要包括汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)以及類金屬砷(As)等對動植物毒性顯著的重金屬元素[1-3]。土壤中的重金屬通過食物鏈逐級傳遞到人類，進而危害到人體的健康。據(jù)相關的研究數(shù)據(jù)表明，中國國內(nèi)的耕地總面積為1.28 億hm2，受到重金屬污染的耕地約為0.21 億hm2，占據(jù)了全國總耕地面積的1/6[4]。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的生命層，是人類生存的重要基礎[5-6]。隨著工業(yè)的發(fā)展以及化肥、農(nóng)藥的大量使用，農(nóng)田土壤中的重金屬污染問題變得日益嚴峻。這些由于人為因素而向環(huán)境中排放的重金屬影響了土壤生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)作物的生長，不僅對農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生威脅，而且會通過食物進入生物體內(nèi)，損害生物的免疫、神經(jīng)與生殖系統(tǒng)[7]。

1 土壤重金屬

1.1 土壤重金屬的來源

農(nóng)田土壤中的重金屬來源有2 個方面，一方面是自然輸入，重金屬通過自然沉降以及水力和風力的自然搬運的方式進入土壤表層[8]。另一方面是人為輸入，工業(yè)產(chǎn)生的“三廢”即廢水、廢氣、廢渣，污水灌溉、燃煤，不合理地施用化肥、農(nóng)藥，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的塑料薄膜，以及機動汽車、摩托車尾氣等[9]。

1.2 重金屬對植物的影響

土壤是植物賴以生存的場所，重金屬通過人類活動進入農(nóng)田土壤，被植物的根部所吸收，阻礙植物的正常生長、發(fā)育[10]。重金屬也會直接作用于植物，如重金屬Pb可以對植物根系細胞的分裂速率產(chǎn)生影響，植物體內(nèi)積累過多的重金屬Zn 會導致植物根莖的縮短。重金屬也會通過降低葉片中的葉綠素含量、抑制光合作用中的反應過程、破壞葉綠素類囊體結構。孟格蕾等[11]的研究表明，重金屬的濃度會影響植物種子萌發(fā)，一定量的重金屬可以促進種子發(fā)芽，而過量的重金屬則會對種子的萌發(fā)產(chǎn)生抑制。馬敏等[12]在Zn2+對8 種植物進行處理時發(fā)現(xiàn)其濃度在100 mg/L 時會抑制白三葉的萌發(fā)，而對金雞橘、早熟禾等植物種子的萌發(fā)均有促進作用。

1.3 重金屬對人體的影響

土壤重金屬通過食物鏈傳遞到人體，或通過皮膚、呼吸的方式進入人體，對人體的生命健康安全造成不可逆的傷害。如過量的Cu2+聚集在體內(nèi)會導致冠心病等一些心血管疾病的發(fā)生，此外，銅也會導致人體的神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，帕金森綜合征的產(chǎn)生也與銅有關[13]。鎘在人體中主要聚集在肝臟以及腎臟，損害人體的肝腎正常生理功能，鎘會損害腎小管的再吸收功能，阻礙腎小管對糖、氨基酸、蛋白質的過濾[14-15]。鉛進入人體后，除少部分通過汗液以及排泄的方式排出，其余部分都會溶解在血液中，阻礙血液的合成，導致了貧血的產(chǎn)生，從而出現(xiàn)頭暈、乏力、肢體酸痛等癥狀。鉛通過血液進入腦組織，也會對大腦造成嚴重的損傷[16]。李季寧等[17]研究表明，重金屬進入人體最主要的方式是通過人類攝取動植物。王世玉等[18]的研究結果與其基本一致，他通過研究重金屬在各種暴露途徑上對人體的危害，得出了口食途徑的小麥和玉米中的重金屬對人體健康的危害最大，而土壤—呼吸暴露途徑的重金屬對人體危害最小。

1.4 重金屬對土壤的影響

重金屬一旦進入土壤中，就難以被土壤微生物所分解利用，易積累在土壤里，造成土壤重金屬的富集[19-20]。在土壤中的重金屬還會通過各種化學、物理反應，生成毒性更強的物質，抑制了土壤的活性。重金屬通過大氣沉降、淋溶等方式進入土壤，破壞了土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡。殘留在土壤中的重金屬以滲透的方式進入地下水，或通過雨水沖刷進入、污染地表徑流，對沿途的對動植物生命健康造成嚴重的威脅[21]。土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用，土壤微生物分解土壤中的有機質，釋放營養(yǎng)元素并形成腐殖質，改善土壤的結構。土壤中的酶也會受到重金屬的影響，重金屬會破壞酶空間結構，抑制微生物活性，進而影響酶的合成與分泌[22]。此外微生物對土壤中環(huán)境的變化十分敏感，土壤中的重金屬含量過高，會影響土壤微生物群落的平衡，導致土壤微生物群落多樣性的減少，從而使土壤生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾的抵抗性下降，降低土壤的肥力[23-24]。

2 影響土壤重金屬有效性的因素

2.1 土壤重金屬的形態(tài)

根據(jù)歐共體標準司BCR提出的標準，土壤重金屬的形態(tài)可以分為4種，分別是弱酸溶解態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài)。弱酸溶解態(tài)是指交換吸附在土壤粘土礦物及其它成分，弱酸溶解態(tài)的重金屬對土壤pH的變化最敏感，且最易被植物所吸收，對作物危害大。鐵錳氧化物結合態(tài)是指與Fe2O3、MnO2等生成土壤結核的部分。土壤環(huán)境條件變化可使其中鐵錳氧化物結合態(tài)中部分重金屬重新釋放進入土壤，對土壤農(nóng)作物存在潛在的危害。有機結合態(tài)重金屬是指以不同形態(tài)進入或包裹于有機質中，同有機質發(fā)生鰲合作用而形成鰲合態(tài)鹽類或硫化物。弱酸溶解態(tài)、鐵錳結合態(tài)以及有機態(tài)重金屬，在原生礦物侵蝕被釋放后，進入土壤中，在一系列化學、物理作用下，與土壤重新集合而成，所以弱酸溶解態(tài)、鐵錳結合態(tài)、有機態(tài)這3種形態(tài)的重金屬又可以稱為次生相重金屬。而殘渣態(tài)重金屬穩(wěn)定存在于石英和粘土礦物等晶格里的重金屬，因此又被稱為原生相重金屬[25]。通常情況下，4種形態(tài)的土壤重金屬被植物所利用的效率按大小依次排列為：弱酸溶解態(tài)＞鐵錳結合態(tài)＞機結合態(tài)＞殘渣態(tài)。

2.2 土壤理化環(huán)境

2.2.1 土壤pH 土壤pH 又被稱為土壤酸堿度，是土壤化學性質的綜合反映，其主要由在土壤中的氫離子和氫氧根離子決定。一般可以將土壤分為酸性土壤、中性土壤、堿性土壤，土壤pH＜6.5 為酸性土壤，pH 6.5～7.5 為堿性土壤，pH＞7.5 被稱為堿性土壤[26]。土壤酸性度是影響土壤肥力以及土壤生態(tài)環(huán)境的重要指標，土壤酸堿度不僅影響著植物對重金屬的吸收，也會影響土壤重金屬的存在形態(tài)、沉淀溶解、遷移、轉化。土壤酸化伴隨著土壤中pH的下降、土壤有機質的損失以及重金屬活性的提高，酸化的土壤會導致植被退化、農(nóng)作物減產(chǎn)[27-28]。土壤鹽堿化不僅會降低植物對土壤中水分的吸收，而且會影響土壤結構和土壤中的微生物，從而間接影響植物的正常生長發(fā)育。

歐芙容對東洞庭湖湖濱帶土壤酸堿度的研究顯示，酸性土壤主要分布在受到工業(yè)污染較少的居民區(qū)、旅游區(qū)；中性土壤大多分布在濕度保護區(qū)；而堿性土壤主要分布在市區(qū)、農(nóng)田、蘆葦場等工農(nóng)業(yè)區(qū)，說明了人類活動會導致當?shù)赝寥纏H 的提高。其對重金屬的含量以及分布調(diào)查表明，酸堿度不同的土壤中重金屬含量不同，Hg、Pb、Cd、Zn 在中性土壤中含量最低，隨著pH 的增加呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。而As、Ni、Cu、Cr在中性土壤中含量最高，隨著pH的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢[29]。有研究通過對多個種植點中的Cu、Cd、Mn、Ni、Pb、Zn 6種重金屬進行測定發(fā)現(xiàn)，當土壤維持在pH 6.5 左右時，土壤中的重金屬有效態(tài)含量較高，而隨著土壤pH繼續(xù)增加，土壤中有效態(tài)重金屬含量會明顯下降[30]。

2.2.2 土壤有機質土壤有機質是植物所需要的N、P、S、微量元素以及各類養(yǎng)分的主要來源[31]。有機質是土壤中重要的組成成分，盡管土壤的有機質總量含量并不算高，但土壤中的有機質通過微生物的降解與轉化，可以為扎根在土壤中的植物生長提供必要的養(yǎng)分[32-33]。此外，土壤有機質的構成可以影響重金屬在土壤中的含量，有機質還能與土壤中的重金屬相結合，形成相應的絡合物，進而影響土壤重金屬的形態(tài)、遷移與轉化[34]。孫花等對[35]中國南方部分地區(qū)的土壤有機質與重金屬含量進行了調(diào)查，其結果表明部分土壤重金屬含量與土壤有機質呈現(xiàn)出顯著的正相關，土壤有機質對重金屬的影響也與土壤pH、土壤重金屬的含量相關。如昆山市農(nóng)田土壤有機質含量與重金屬Hg和Pb呈現(xiàn)顯著正相關，但與Cu、As、Zn 未表現(xiàn)出明顯的相關性[35]。

2.2.3 土壤團聚體土壤團聚體是由大小不一的土壤顆粒，經(jīng)過一系列物理化學作用后聚集在一起形成的土壤顆粒，是由有機質和無機物質共同組成，土壤團聚體作為土壤中重要的結構單元，決定著土壤的理化結構與土壤肥力狀況。不同的土壤團聚體組成顆粒、性質不同，對土壤重金屬的有效性影響也隨著土壤團聚體的差異而存在變化[36]。土壤團聚體會影響土壤重金屬的有效性，在受到重金屬污染的土壤中，由于土壤團聚體可以對重金屬進行吸附、固定，所以土壤團聚體的數(shù)量越多，土壤重金屬的生物有效性就越低[37]。崔明陽等[38]通過分析發(fā)現(xiàn)，在土壤pH 不變的情況下，通過增加土壤中黏粒含量，能有效地提高土壤對As 和Cr 的吸附量。

2.2.4 不同重金屬間的相互作用植物對某重金屬的吸收主要受土壤理化性質、污染元素種類、污染程度及環(huán)境因素的影響，而土壤中的重金屬往往不止一種，往往是多種重金屬在土壤中共存，植物對某一種重金屬的吸收在其他重金屬的影響下進行的，土壤中的多種重金屬對植物的吸收表現(xiàn)出了加和、協(xié)同以及拮抗作用[39-40]。

朱劍飛等[41]的研究表明土壤中的Cu、Pb在一定的濃度下，會相互促進對方在狼尾草和黑麥草中的吸收。孫建伶等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在單因素污染的情況下，韭菜對Pb、Cd的吸收量與土壤中Pb或Cd的濃度呈現(xiàn)正相關；而在Pb、Cd 復合污染的情況下，低濃度時Pb 和Cd相互促進對方在韭菜中的吸收，高濃度時則會植物對Pb 的吸收；此外，Zn 在鉛鎘高濃度復合污染情況下，會表現(xiàn)出明顯的拮抗作用，有效降低鉛和鎘在植物根系的富集。劉小文等[43]對紫莖澤蘭的實驗表明，在鉛鎘復合污染作用下，土壤中的Pb、Cd 低濃度下對紫莖澤蘭的生長有著促進作用；反之在高濃度下對紫莖澤蘭的生長起到了抑制作用，紫莖澤蘭的株高及生物量明顯下降。這表明植物對某一重金屬的吸收，除了受到該金屬在土壤中的存在形態(tài)、含量等影響之外，還受到其他金屬元素的影響。因此在重金屬復合污染土地上進行植物吸收重金屬研究，有助于了解植物對重金屬吸收的影響因素以及重金屬間的相互作用。

3 影響作物對重金屬吸收的因素

3.1 耕作方式

土壤的耕作方式一般可以分為間作、輪作、套作3種類型。間作是指在同一片耕作土地上，將2種或2種以上的農(nóng)作物，成行或成帶相間種植的方式。間作可以提高土地的利用效率，減少農(nóng)作物對光照浪費，增加光照的吸收與利用，并且間作可以產(chǎn)生互補作用，并減少病蟲害的發(fā)生。此外，間作作物的相互作用也會對土壤重金屬的吸收產(chǎn)生影響[44]。間作系統(tǒng)可以降低植物對重金屬的吸收積累。玉米與大葉井口邊草間作顯著降低了玉米對As 的吸收，玉米莖部的As 含量與單作相比下降了53.1%[45]。小麥與龍葵間作與單作小麥相比，小麥根部的Cd含量下降了28.3%～47.2%[46]。輪作是指在季節(jié)間或年間，有規(guī)律地輪換種植不同的作物或復種組合的一種種植方式。在中國，土壤輪作的歷史十分悠久。輪作能有效調(diào)節(jié)土壤的理化狀況以及土壤肥力，土壤輪作的類型有水旱輪作、草田輪作、經(jīng)濟作物與非經(jīng)濟作物輪作等，輪作可通過調(diào)節(jié)土壤pH等方式來間接影響土壤重金屬的有效性[47]。套作又稱套種，套作常常與間作聯(lián)用，用以提高土地、陽光的利用率。

郭思宇等[48]研究了對超富集植物重金屬的富集及轉運，其研究發(fā)現(xiàn)，間作桑樹、構樹會使蜈蚣草體內(nèi)砷的積累增加；而在鎘脅迫下，龍葵間作葡萄幼苗、牛膝菊間作生菜會增加鎘在植物體內(nèi)的含量。玉米間作續(xù)斷菊，會使得續(xù)斷菊植株中鎘含量提高，各鎘濃度處理下間作與單作續(xù)斷菊相比，間作續(xù)斷菊體內(nèi)鎘含量提高了1.1～1.7 倍。熊國煥等[49]通過間作龍葵與井邊草發(fā)現(xiàn)，與單作相比間作可以提高龍葵對Cd的吸收以及井邊草對As 的吸收，龍葵對Cd 的吸收量和井邊草對As的吸收量分別提高了30%、40%。上述這些研究均表明了間作可以增加了超富集植物對重金屬的吸收和富集作用。

張英英等[50]研究了免耕、少耕、秋翻以及深松4種不同耕作方式下對綠洲灌區(qū)玉米耕層土壤重金屬(Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg)總量、有效態(tài)含量的變化。研究表明，使用不同的耕作方式進行處理連續(xù)2年，其處理結果雖然對耕層土壤重金屬總量的影響不顯著，但免耕會使土壤耕層重金屬Cu、Cd、Pb 含量增加；深松會使土壤耕層重金屬Ni、As總量增加；4種耕作方式均對Hg 的含量無顯著影響。免耕在增加土壤有機質降低土壤pH 的同時也會提高了土壤中Cd 的總含量，而深耕則會有效降低土壤Cd含量。其原因可能在于，土壤在免耕時，大氣沉降作用使部分重金屬在土壤表層聚集。

3.2 作物基因型

不同基因型的同種作物，對相同的重金屬也有著不同的富集系數(shù)。近年來，中國在重金屬高積累、低積累品種的篩選，尤其是關于超積累植物品種篩選的研究方面，取得了較為顯著的進展[51]。

李平遠等[52]采用水培法，對6 個小麥品種在2.5 μM Cu和5 μM Cu處理條件下，對小麥地上部分的銅鎘差異進行了比較。其結果表明，‘臨麥二號’的Cu和Cd的地上部分含量均為較低水平；‘寧麥八號’地上部分的Cu、Cd 含量均為最高。最終得出‘臨麥二號’為低積累品種，‘寧麥八號’為高積累品種。弭寶彬等[53]通過盆栽試驗法，研究了9種不同基因型芥菜對5種重金屬污染的響應差異。其研究結果表明，芥菜的重金屬主要積累在葉和根中，重金屬Cd在芥菜不同部位的含量普遍較高且存在較大差異，而Pb、Hg、Cr在芥菜根中的含量明顯高于葉中。通過篩選不同的基因型，可以獲得重金屬低積累的芥菜品種，相對而言，J3 品種和J4品種的芥菜重金屬含量低，是較為安全的品種。

3.3 土壤改良劑

土壤改良劑分為天然改良劑和人工合成改良劑兩大類，主要用于改善土壤團粒結構，提高土壤通透性，還能有效降低土壤肥力損失。此外土壤改良劑大多數(shù)具有較大的比表面積，能有效地螯合和絡合金屬離子，緩解重金屬對植物的毒害作用，減少土壤中可交換態(tài)重金屬的含量，抑制重金屬離子的生物有效性[54]。WANG等[55]研究發(fā)現(xiàn)，三重超磷酸鹽(TSP)顯著降低了土壤中可交換態(tài)Cd 和Cu 的比例，進而顯著降低了小葉黃楊葉片中重金屬的含量。魏瑋等[56]研究表明，施用0.1%的PAA、PVA，抑制了Cd、Cu 從水稻根系向秸稈的轉運，但促進了Cd、Cu從秸稈向籽粒的轉運。有研究報道，煤粉灰改良劑能顯著提高土壤對Cu、Ni、Pb、Zn、Mn 的吸附性，從而有效減少金合歡樹的枝條和根部的重金屬含量[57]?？梢娡寥栏牧紕┰谛迯椭亟饘傥廴就寥馈p少植物體內(nèi)的重金屬富集方面有良好的應用前景。

4 重金屬在植物中的遷移轉化規(guī)律

富集系數(shù)可以反應植物對土壤中重金屬富集能力的強弱，重金屬富集系數(shù)是指植物某一部位的重金屬元素相應含量與土壤中相應重金屬含量的比值[58]。植物的重金屬富集系數(shù)越大，表明重金屬元素越容易被植物的根系所吸收。

4.1 水稻中重金屬的遷移轉化

水稻是人類重要的糧食作物，其耕種與食用的歷史相當久遠，其產(chǎn)量占世界糧食作物的第三位，僅次于玉米與小麥，因此研究水稻體內(nèi)的重金屬遷移轉化規(guī)律對人類的身體健康有著極為重要的現(xiàn)實意義。林華等[59]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在成熟期水稻體內(nèi)的重金屬富集系數(shù)按大小排序為：Cd＞Cu＞Ni＞Cr，且水稻不同部位對不同重金屬的富集能力明顯不同。水稻Cu、Cd富集系數(shù)按大小排序為：根＞莖＞葉＞籽粒；Ni、Cr的富集系數(shù)按大小排序為：根＞葉＞莖＞籽粒。水稻籽粒對五種重金屬的積累量排序為：Ni＞Cr＞Cd＞Pb＞Hg，且水稻籽粒中的重金屬含量與土壤中相應的重金屬含量呈現(xiàn)正相關。水稻植株部分的重金屬含量為籽粒部分的2～8 倍，而水稻根部的重金屬含量是地上部分的2～100 倍[60]。在水稻新陳代謝旺盛的根部，重金屬的富集系數(shù)最大，而在儲存器官如籽粒中，重金屬的富集系數(shù)顯著減小。水稻的地上部分與根部相比，富集能力較弱。

4.2 小麥中重金屬的遷移轉化

小麥是一種國內(nèi)外廣泛種植的谷類作物，磨成面粉后可以制作成面包、餅干、面條等食物，是人類重要的主食之一，所以小麥的質量安全受到社會各方的關注[61]。秦越華等[62]對兩種不同的小麥品種進行了重金屬積累測定，As在小麥各部位的平均富集系數(shù)按大小依次為：根＞葉＞莖＞籽粒；Hg 在小麥各部位的平均富集系數(shù)按大小依次為葉＞根=莖=籽粒，但2 種重金屬的富集系數(shù)均小于0.5，這表明小麥對土壤中的As、Hg 積累能力均處于低水平。杜天慶等[63]分析了Cd、Cr、Pb在小麥不同器官的富集，其結果表明，幼苗期小麥各器官重金屬含量為根系＞葉鞘＞葉片，成熟期小麥各器官重金屬含量為根系＞莖葉＞籽粒。小麥各部位對重金屬的富集系數(shù)大小為Cr＞Pb＞Cd，表明小麥根系對Cr 的富集能力很強，而地上部分Pb 的重金屬平均富集量最高，則說明Pb從植株根部到地上部分的運輸能力較強。也有研究發(fā)現(xiàn)，在多種重金屬共存的田間土壤中，Zn 抑制小麥籽粒對Cd 的吸收程度要明顯高于Pb和Cu[64]。

4.3 玉米中重金屬的遷移轉化

玉米是禾本科的一年生草本植物，與傳統(tǒng)作物小麥、水稻相比，具有較強的耐寒性、耐旱性及良好的環(huán)境適應性[65]。陸干等[66]研究發(fā)現(xiàn)，玉米植株中的重金屬含量均為根＞莖葉，且根部是積累重金屬的主要器官，有效阻止了重金屬向植株地上部分的遷移。王笑波[67]通過調(diào)查3種不同重金屬在玉米幼苗不同器官的遷移，同樣發(fā)現(xiàn)Pb、Cu、Cd 3種重金屬在玉米體內(nèi)不同器官的含量均為根＞莖＞葉。以上研究表明玉米植株根部富集了大部分的重金屬，只有很少的一部分遷移到了植株的地上部分。

5 展望

近些年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及城市化進程的加劇使用，工業(yè)排放、污水灌溉及化肥不合理使用，國內(nèi)農(nóng)田土壤重金屬污染狀況日益嚴重。且土壤一旦受到重金屬污染，就不易從環(huán)境中去除。土壤中的重金屬富集在小麥、玉米等人類日常食用的農(nóng)作物體內(nèi)，這些難以降解的重金屬通過食物鏈最終傳遞到人體內(nèi)，與蛋白質發(fā)生反應使其失活，或是在某些臟器中積累，同時對神經(jīng)、腎臟以及生殖系統(tǒng)造成的不可逆的損害。

重金屬從土壤到植物的轉移和積累是一個極其復雜的過程，受多種因素的影響。目前，關于土壤重金屬在作物中的富集與傳遞已有一些報道，土壤植物可以通過吸收，將土壤中有效態(tài)的重金屬轉移到植物體內(nèi)，帶離土壤；引起土壤植物系統(tǒng)的遷移轉化；但不同地區(qū)土壤的理化環(huán)境差異較大，重金屬在植株不同器官中的遷移轉化機理、及其具體的作用機制并不十分明確，需要更全面、更具體、更進一步的研究與探索。