筛选和培育镉低积累水稻品种的进展和问题探讨

推广镉低积累品种是重金属污染农田安全利用的前提,筛选和培育镉低积累水稻品种已经成为水稻育种家的一个重要任务。近年来人们对镉低积累品种的筛选和培育工作投入较大的精力,但是由于稻米镉积累是一个复杂性状,受环境和基因型共同调控,人们对重金属低积累品种的定义、特征、筛选认定方法等并没有形成一致意见。本文主要介绍了最近几年国内外在镉低积累水稻品种筛选和定向培育方面的最新成果。在此基础上,从遗传学和农学角度提出了我们对镉低积累品种的定义及其特征的理解:镉低积累品种是指在相同环境条件下稻米镉积累量相对较低的品种,其在高镉(有效态)背景下稻米镉含量相对较低,中低镉背景下能达标,而低镉土壤背景下不超标。虽然稻米镉积累受环境和遗传因素共同调控,但镉积累特性遗传率高,降低稻米镉积累量不影响水稻的生育期、产量及其他必需微量元素的含量。镉低积累品种和镉高积累品种稻米镉积累量的差异随环境变化而变化,在高镉背景下相差较大,而在低镉土壤背景下差异变小。因此筛选认定镉低积累品种时,我们建议先在高镉背景下比较不同品种的相对镉含量,筛选镉积累相对较低的品种,然后在低镉条件下评价其产品的达标频率,确定其安全生产所需的环境条件。     

杭州市主要农作物对镉的富集差异及其影响因素

在杭州市域同时采集了203对不同种类的粮食、果蔬等农作物可食部位及对应耕层土壤样品,分别测定镉含量,计算农作物可食部位的镉富集系数。结果表明,不同种类农产品中镉的富集系数有很大变化,粮食作物中镉的平均富集系数略低于蔬菜。蔬菜中镉的富集系数以瓜类蔬菜和豆类蔬菜较低,叶菜和根茎蔬菜较高。粮食作物中镉的富集系数以玉米最低,稻米最高。花生对土壤镉的富集较为明显,水果对镉的富集系数最低。植物对镉的富集系数随土壤pH值下降而增加,随黏粒和有机质含量的增加而下降。据此认为,降低土壤酸度和增加土壤有机质的积累可在一定程度上减缓农产品中镉的积累。在生产中可根据农作物富集系数及土壤重金属污染情况选择适宜的作物,以达到污染农田安全利用的目的。     

镉污染农田土壤修复技术研究进展

镉是农田土壤污染最为广泛和农产品超标最为突出的重金属元素,对镉污染农田土壤的修复一直是重金属污染治理的重点和难点。近年来,国内外就镉污染农田土壤的修复技术进行了大量的研究和广泛的探索,尝试了各类钝化剂及农业措施等在减控农产品镉积累的效果,提出了诸如推行低吸收作物品种、工程措施、化学修复、生物修复和农艺调控等技术。该文分析了镉污染农田土壤修复中各类技术的应用效果、作用机理及其限制因素,认为分类治理和推行联合修复技术是今后我国镉污染农田土壤修复技术发展的方向。     

农田土壤重金属污染“边生产边修复”综合防治技术模式解析

我国农田土壤重金属污染形势严峻,已对农产品安全生产构成严重威胁。本文围绕农田重金属污染"源端控制-过程阻断-末端修复-安全利用"的技术路线,阐述了我国中轻度重金属污染农田"边生产边修复"综合防治技术模式的现有基础和瓶颈问题,总结了国内外重金属污染源解析方法的优缺点、我国当前农田重金属污染源监测与农田重金属钝化剂/活化剂开发利用的现状,估算了现有重金属富集/超富集植物地上部提取效率,分析了以低积累作物品种和种植结构调整为基础的农田安全利用技术应用的可行性,提出了我国农田土壤重金属污染综合防治技术有待进一步研究的问题,以期为我国土壤重金属污染治理提供参考。     

不同叶菜品种镉积累评价及降低镉积累的措施

为探明不同叶菜品种在镉污染条件下对镉的吸收、转运与积累特征,选取适宜上海地区种植的13个叶菜品种[菠菜（Spinacia oleracea L.）、青菜（Brassica rapa var.chinensis （L.）Kitam.）和生菜（Lactuca sativa var.ramosa Hort.）3个种类],比较其在镉污染农田中的镉积累差异,并分析影响可食部位镉积累的相关因素,同时探究土壤重金属钝化肥和重金属叶面阻控营养强化肥单独和联合施用对降低上海矮青（Brassica rapa var.chinensis （L.）Kitam.）镉积累的效果。结果表明：不同叶菜品种地上部和根部镉含量存在显著差异,总体分布规律为地上部>根部,变化范围分别为1.58~12.80 mg·kg^-1（以干质量计）和0.24~3.54 mg·kg^-1（以干质量计）;不同叶菜品种根部向可食部位转运镉的能力存在显著差异,其中品种V3（新夏青6号）转运系数最低,转运系数最高品种是最低品种的6倍。相关性分析表明,叶菜可食部位镉含量受根部镉含量影响最大,受土壤总镉影响最小。叶菜具有较强的镉富集能力,供试叶菜品种可食部位的富集系数均大于1。施用土壤重金属钝化肥和重金属叶面阻控营养强化肥能够显著降低上海矮青可食部位镉的积累、吸收和转运。综合考虑叶菜可食部位镉含量、产量、转运系数和富集系数,适合在该地区种植的叶菜品种为V4（金品鸡毛菜3号）、V2（新夏青3号）和V6（夏福）,同时,采取合理的农艺/化学措施是降低污染土壤中重金属积累、保障农产品安全生产的有效策略。     

农田土壤重金属污染的农业生态修复技术

总结了常见的农田土壤重金属污染的农业生态修复技术,包括合理施用化肥、施用生物有机肥、秸秆还田、调整作物种植结构、筛选重金属低积累作物品种和耐性作物品种、深耕深翻、控制土壤水分以及施用石灰等修复措施,并对农田土壤重金属污染修复技术的前景进行了展望。     

利用突变体揭示植物重金属镉抗性和积累机制的研究进展

重金属镉是土壤中毒性最强的污染物之一,不但严重影响植物生长发育,而且通过植物体内积累进入食物链危害人类健康。突变体不但是作物改良的重要资源,也是基因功能研究的基础材料。总结了利用各种突变体对植物镉抗性和积累的分子机理所做的研究和取得的丰硕成果,在此基础上提出了参考模式植物在作物上利用突变体开展作物抗镉、低积累机制及分子育种研究的策略,为作物抗镉和低积累品种的选育提供理论指导。     

农田镉砷污染防控与作物安全种植技术探讨

文章综述了农田镉、砷污染现状、环境风险及其来源,阻控作物镉、砷吸收的关键技术环节,包括农业投入品控制、水分管理、土壤钝化调控、叶面调理、低吸收作物品种选择与替代种植、秸秆移除削减等。结合"土十条",提出镉、砷污染农田作物安全种植的几点思考:一是建立基于耕地-农产品污染等级的安全种植技术体系;二是采取集成农艺措施进行综合防控,重点提出作物安全种植VIRL(Variety-Input and Irrigation-Root zone and Removal of straw-Leaf blade)技术模式。该模式将源头预防(农业投入)、过程阻控(作物本身镉、砷吸收特性,影响作物地下部与地上部镉、砷吸收的各个环节)、末端治理(秸秆移除修复)高度统一起来,然后根据耕地-农产品污染等级,采取或紧或松的关键(联合)技术调控,实现镉、砷污染农田的安全种植;三是对镉、砷复合污染农田同步防控问题进行了探讨和展望。     

稻田主要农产品安全生产管控对策研究——以四川省为例

以稻田镉污染及农残高效防控为目标,集成稻田农产品生产技术体系与实践模式,将是促进粮食产业发展和确保粮食安全的重要举措。文章提出了稻田农产品安全生产的基本思路,阐述了水稻等镉低积累资源筛选与品种选育、镉污染防控技术研究与示范、农残绿色防控技术研究与示范、重金属镉与农残高效稳定检测技术研究、重金属镉重度污染稻田替代作物模式示范等稻田农产品安全生产的主要管控措施,指出通过集成大面积可推广的稻田镉和农药残留污染综合防控技术体系,最终实现稻田镉污染和高农药残留的高效治理,旨在为全国稻田主要农产品的安全生产管理提供借鉴和参考。     

植物修复重金属超标农田研究进展

针对中国南方重金属超标农田污染治理技术特点作了简要分析与探讨,并收集汇总中国现有镉、砷、铜和铅的超积累植物40种,同时进行了分类与归纳。依据中国现有的重金属超积累植物,讨论了中国南方重金属超标农田修复植物的筛选和培育方向,分别给出对重金属镉、砷、铜和铅的污染修复超积累植物应用建议及相关理论依据。     

Strategies to manage the risk of heavy metal(loid) contamination in agricultural soils

Soil contamination with heavy metal(loid)s threatens soil ecological functions, water quality and food safety; the latter is the focus of this review. Cadmium (Cd) and arsenic (As) are the toxic elements of most concern for food safety because they are relatively easily taken up by food crops. Rice is a major contributor of both Cd and As intakes to the Chinese population. Contamination and soil acidification are the main causes of high Cd levels in rice grains produced in some areas of southern China. The risk of Cd and As accumulation in food crops can be mitigated through agronomic practices and crop breeding. Liming is effective and economical at reducing Cd uptake by rice in acid soils. Paddy water management can produce opposite effects on Cd and As accumulation. Many genes controlling Cd and As uptake and translocation have been characterized, paving the way to breeding low accumulating crop cultivars through marker-assisted molecular breeding or genetic engineering. It is important to protect agricultural soils from future contamination. Long-term monitoring of anthropogenic additions and accumulation of heavy metal(loid)s in agricultural soils should be undertaken. Mass-balance models should be constructed to evaluate future trends of metal(loid)s in agricultural soils at a regional scale.     

Cd Hg Pb胁迫下不同作物可食部分重金属含量及累积特征研究

采用微区土培试验方法,研究了甘肃省3类10种主要栽培作物在Cd、Hg、Pb重度污染土壤上,作物可食部分对重金属的吸收富集能力,并根据食品安全国家标准(GB 2762—2012),采用单因子指数法对农产品质量安全进行评价。结果表明:不同类型作物对重金属的吸收与富集能力有显著性差异,对Cd富集能力表现为蔬菜类油料作物粮食作物,对Hg、Pb富集能力表现为蔬菜类粮食作物油料作物;同一作物(除玉米和大豆外)对不同重金属吸收能力表现为CdPbHg。经综合评价,在对甘肃地区pH值大于8.0的重金属重度污染土壤进行种植业结构调整时,Cd污染耕地可优先选择种植玉米,Hg污染耕地可优先选择种植玉米和油菜,Pb污染耕地可优先选择种植玉米和大豆。     

我国土壤-蔬菜作物系统重金属污染及其安全生产综合农艺调控技术

近年来,重金属污染耕地安全利用技术研究取得了突破进展,然而将这些关键技术与蔬菜传统高度集约化种植模式进行耦合的研究还比较少,大规模推广应用鲜见报道。因此,本文在查阅最新发表文献的基础上,梳理了我国土壤-蔬菜作物系统重金属污染状况,归纳了蔬菜作物重金属吸收积累特征,并总结了重金属污染蔬菜地安全生产综合农艺调控技术研究进展。当前,我国蔬菜地土壤重金属污染以中轻度为主,且区域分异明显。蔬菜作物重金属超标现象在全国各地时有发生,给蔬菜产业发展和人类健康带来了极大的危害。蔬菜作物对重金属的积累能力因种类、品种、部位而异,受基因型、土壤理化性质和外界环境条件的制约,因此调整种植布局、选用重金属低积累品种、合理轮间套作、施用土壤改良剂和钝化剂、优化水肥管理技术等农艺调控措施是目前中轻度重金属污染蔬菜地安全利用的重要技术途径。未来在进一步深入研究土壤-蔬菜系统重金属迁移转化规律的基础上,宜加强土壤-蔬菜地系统安全生产技术标准、传统种植模式与综合农艺调控措施耦合技术、长期定位试验及风险评价等方面的研究,以实现重金属中轻度污染蔬菜地的安全利用和农产品的安全生产。     

天津污灌区小麦和水稻重金属的含量及健康风险评价

以天津污灌区农作物和土壤为研究对象,采集污灌区内24 个小麦和 29 个水稻样品及其对应的土壤样品,清灌区内10 个小麦样品和 14 个水稻样品及相关的土壤样品,分别采用ICP-AES 和原子荧光分析样品中Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As 和Hg含量,在此基础上分析评价污灌区土壤重金属污染情况以及污灌区小麦和水稻中重金属可能产生的健康风险。研究结果表明,长期污灌导致重金属在土壤中的聚集,土壤中Cd、Zn和Hg的含量分别为0.46、129.05、0.52 mg·kg^-1,超过天津土壤质量二级标准。污灌区小麦和水稻中Pb的平均含量分别为0.14、0.62 mg·kg^-1,高于国家食品安全限量标准,对人类健康产生风险,其他重金属元素在小麦和水稻中的平均含量未超过国家食品安全限量标准;水稻样品中Hg、As的平均含量稍高于国家食品安全限量标准。计算结果显示Cd和 Zn的转移因子值远高于其他元素,反映其具有更高的活动性,更容易从土壤转移到小麦和水稻子实中。目标风险指数(THQ)估算结果显示单一重金属的THQ值均低于1,表明当地居民对污灌区生长的水稻或小麦的消费基本不产生健康风险;小麦和水稻中As THQ值的和超过1,暗示在食用污灌区生长的水稻和小麦时As可对当地居民的健康产生风险。     

我国稻田系统镉污染风险与阻控

过去30年的工业化和环保措施不到位导致我国部分地区农田土壤Cd污染较为严重。南方部分地区稻米Cd含量超标严重,危害农产品安全和人体健康。农田Cd不断输入、土壤酸化以及种植Cd积累能力较强的籼稻品种是部分地区稻米Cd含量超标的主要原因。我国人群Cd平均摄入量在过去30年里增加了一倍。本文综述了人体Cd摄入量的安全阈值,鉴于食用大米是我国人群Cd摄入的主要来源,重点介绍稻田系统控制稻米Cd积累的主要生物地球化学过程以及水稻Cd吸收积累与转运的分子遗传机制,在此基础上还建议了稻米Cd积累阻控的农艺和育种措施。     

中国土壤模式-作物系统重金属生物富集模型建立

针对土壤模式建立土壤和作物重金属含量关系模型,旨在消除土壤属性对作物重金属吸收量的影响。当作物类型或品种确定后,作物重金属吸收量只与土壤重金属含量有关。提出了农田作物重金属生物富集的"土壤重金属含量-作物特性-土壤属性"关系理论,定义了土壤模式、土壤模式-作物系统重金属生物富集模型、土壤模式-作物系统重金属生物富集模型图谱等概念,确定了土壤模式的划分方法和使用方法,在此基础上以最近30年来中文期刊发表的土壤镉含量与水稻和小麦镉含量关系作为案例验证了以上方法。结果表明:水稻和小麦同一部位镉吸收量随土壤镉含量增加而增加,水稻和小麦吸收镉能力顺序为根>茎>叶>籽粒,水稻和小麦籽粒镉吸收量在同一范围内。     

水稻耐盐分子机制研究进展

水稻是世界上重要的粮食作物之一，对盐胁迫比较敏感，土壤盐碱化对水稻的安全生产造成潜在风险。盐胁迫会引起水稻的渗透胁迫和离子毒害，还会在植株中引起氧化胁迫，导致水稻品质和产量下降。由于水稻根系能吸收盐分分泌有机酸，同时具有田间持水和排水晒田的生长特性，因此水稻也是一种改良盐渍土的优良作物。因此培育耐盐水稻新品种，提高水稻耐盐性，可有效提高盐渍化耕地的生产潜力，对保障我国乃至全球粮食安全具有重要意义。近年来，数量遗传学和分子标记技术不断发展，通过遗传、生化及分子生物学等手段，挖掘出大量耐盐相关 QTL 和基因，对于解析水稻耐盐分子机制，利用分子标记辅助选择、基因编辑等提高耐盐水稻育种效率，均具有非常重要的意义。但目前克隆的耐盐相关基因大多采用反向遗传学方法获得，且大多是在过表达条件下表现出耐盐性，或者耐盐基因为隐性，难以在耐盐水稻育种中应用。总结近年来水稻耐盐相关基因的鉴定和挖掘研究中所取得的进展，从有机物渗透调节、离子吸收转运调节、抗氧化系统清除活性氧调节、激素调节 4 个方面综述水稻耐盐分子机制的研究进展，并探讨未来水稻耐盐性研究面临的挑战，为开展水稻耐盐分子育种提供建议。     

秸秆还田配施石灰对水田土壤铜、锌、铅、镉活性的影响

秸秆还田是我国培肥地力和增加农田土壤碳固定的重要措施,但进入农田的秸秆存在着活化土壤重金属的风险。为了解不同来源的秸秆对污染水平不同农田土壤重金属活性的影响,采取相应措施防止因秸秆还田对农田土壤重金属的激活,开展了盆栽和田间小区试验研究秸秆还田配施石灰对水田土壤铜、锌、镉、铅活性的影响。盆栽和田间试验在轻度和重度污染 2 种土壤上同时进行。盆栽试验中施用秸秆包括重污染水稻秸秆、轻污染水稻秸秆和轻污染油菜秸秆 3 种,石灰用量设对照（0 kg·hm^-2）和石灰处理（750 kg·hm^-2）2 个处理;田间小区试验设对照（不施秸秆和石灰）、秸秆还田及秸秆还田+石灰 3 个处理。动态观察了试验过程中土壤有效态重金属、重金属形态及水稻籽粒中重金属积累情况。结果表明,试验初期（前 20 d）秸秆还田显著增加了水田土壤中水溶性有机碳与水溶性重金属的含量;与对照处理比较,水溶性重金属含量以重度污染土壤增幅较为明显。试验后期（60 d 后）秸秆还田对土壤重金属的活性的影响逐渐变得不明显。油菜秸秆还田土壤中水溶性重金属含量低于水稻秸秆还田,重污染水稻秸秆还田土壤中水溶性重金属含量高于低污染水稻秸秆还田。盆栽试验和田间试验的结果都表明,重污染水稻秸秆还田可轻微增加水稻籽粒中镉的积累,但轻度污染水稻秸秆还田与油菜秸秆还田对水稻籽粒镉积累的影响较小;3 种秸秆还田对水稻籽粒铅、铜、锌积累的影响不明显。配施石灰可显著降低土壤中水溶性重金属的含量,降低水稻籽粒中重金属的积累。研究认为,在污染农田管理上应控制重污染水稻秸秆还田,在秸秆还田的同时适量配施石灰。     

南方典型稻区稻米镉累积量的预测模型研究

为了更好地指导镉污染稻田土壤修复、管控稻米镉风险,本文以我国镉污染风险较大的南方稻田为研究对象,基于土壤与稻米配对样品,分析稻米镉含量与土壤理化因子的相关关系,并通过逐步回归分析,建立稻米镉累积量的预测模型。结果表明,我国南方稻区稻米镉累积量主要取决于土壤有效态镉含量而非全镉含量,有效铁、有效锰及有机质含量也是影响稻米镉含量的重要因素;在不考虑水稻品种条件下,采用土壤有效态镉含量、有效锰、有效铁及有机质可较好预测稻米镉积累量,模型的预测能力达到极显著水平(P0.001),决定系数(R2)为0.52;针对常规稻和杂交稻,以上述4个土壤因子分别建立的模型也可实现较好预测(P0.001),R2分别为0.47和0.67。     

作物对重金属吸收能力的研究

采集河北省北运河污灌区土壤和小麦、玉米作物样品,对污灌区作物不同时期、不同部位重金属含量分析,采用吸收系数法对作物不同部位对不同重金属吸收能力进行比较,了解作物对重金属的累积效应。结果表明,玉米各部位对Cu、Pb的吸收能力都高于小麦相同部位对这两种重金属的吸收能力,而小麦各部位对Zn的吸收能力都高于玉米相同部位的吸收能力,小麦与玉米各部位对Cd的吸收能力基本接近。