作物污染
这些相互作用可以相互促进，也可以相互抑制。因此，许多学者认为，研究重金属与营养元素的相互作用，不仅有利于解决农作物重金属污染问题，而且对于正确认识重金属的毒害效应，合理科学地解决营养元素利用与重金属积累的矛盾具有重要意义。
1营养素与重金属的相互作用
重金属与营养物质的相互作用是近年来重金属污染生态学领域的前沿科学问题。土壤中的重金属大多对阳离子养分有拮抗作用，而对阴离子养分可能有协同或拮抗作用。
作物中重金属与营养元素之间的相互作用是复杂的。氮、磷、钾等营养元素在作物蛋白质、核酸等重要物质的合成和代谢中起着重要作用。作物缺乏营养元素会导致物质代谢紊乱，从而影响作物的生长和农产品的产量。
随着农田土壤重金属污染的日益严重，重金属胁迫干扰了作物养分的利用，成为作物养分缺乏或生物有效性降低的主要原因。近30年来，许多研究植物营养和植物生理的学者对植物中营养物质与重金属的相互作用进行了广泛的研究，发现增加氮、磷、钾等营养物质的供应可以改善作物体内的酶系统和代谢过程，在一定程度上缓解重金属胁迫的影响。
硒能促进作物体内抗氧化物质的形成，增加作物对重金属等有害物质的抵抗力，减少吸收。SCH？TZENDUBEL等人发现，硒和镉可以与某些蛋白质中半胱氨酸的巯基部分结合。外源硒的供应可以提高水稻谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的谷胱甘肽含量，促进镉与巯基的结合。
硒和镉也可能形成CdSeO3，降低镉的溶解度和吸收。硒与其他重金属结合还能产生不溶性化合物，抑制作物对重金属的吸收，减少重金属在植物体内的积累。硒还可能通过改变细胞膜对重金属的通透性，促进作物代谢活跃的细胞对重金属的清除或影响重金属在其体内的转运。
因此，施用硒肥可以降低水稻等作物镉污染的风险。SHANKER等人的盆栽实验发现，硒能减少萝卜对汞的吸收，可能是因为硒和汞在土壤中形成不溶性化合物。
硅可以促进作物的生长，提高其抗逆性，显著减少镉和铅在水稻等作物中的迁移。施入土壤的硅肥中含有的硅酸根离子能与镉发生化学反应，生成不易被植物吸收的硅酸盐而沉淀，从而减少作物对镉等重金属的吸收。
硅作为水稻的营养元素，可以增加水稻叶片叶绿素含量，提高根系活力，降低细胞膜透性，从而提高水稻对重金属的抗性。叶面喷施纳米硅制剂可以缓解重金属对水稻的毒害作用，喷施硅制剂后种子对镉、铅、铜、锌的吸收明显减少。另一项研究表明，阻止镉因硅镉沉淀而向上迁移，可以显著降低镉在土壤中的迁移能力，从而减少镉在作物地上部分的积累，降低水稻中的镉含量。
叶面喷施氮、磷、钾等营养物质，可以减轻或消除重金属对作物的毒害作用，减少作物对重金属的吸收和积累。研究表明，施用氮肥可以缓解铅、锌等重金属对冬小麦幼苗叶片和根系的生长抑制，并且随着施氮量的增加而增强。
叶面喷施磷肥可以改善铅毒引起的作物缺磷症状，土壤施磷可以降低铅的生物有效性，这一点在菠菜、胡萝卜、燕麦和黑麦草中已经得到验证。丁凌云等研究表明，叶面喷施KH2PO4可以提高水稻产量，减少铅、锌、镉在水稻中的积累。SINGH等人发现，施用钾肥可以明显降低小麦植株中的锌浓度。在研究镉在小麦细胞中的迁移途径时，发现细胞壁表面的首席运营官-容易与镉结合，使镉被截留在细胞壁上，没有进入细胞膜。
钙、镁和锌可以与重金属竞争作物中的吸收和运输位点。研究表明，高浓度的重金属会抑制作物对钙、镁等营养物质的吸收和运输。如镉处理的小麦幼苗茎叶中镉含量显著增加，而钙、镁等营养元素含量显著降低。锌浓度的增加可以降低作物中镁等元素的浓度。
因此，钙、镁等营养物质的充足供应有利于减轻重金属的毒害作用。这是因为作物中的钙和镁有利于维持根细胞的正常渗透系统。
镉胁迫下，比较加钙和不加钙的情况，发现加钙能显著提高玉米根和叶的细胞器和细胞质中钙含量，但显著降低镉含量；没有钙，镉会导致叶绿体没有基粒，或者基粒片层排列紊乱，饥饿颗粒增多。这是因为钙在镉胁迫下对维持玉米叶片的正常结构和功能起着非常重要的作用。
铁可以影响作物的叶绿体功能，协调生理功能，影响重金属的吸收和运输。因此，通过叶面喷施提高作物的铁供应，可以在一定程度上减少镉等重金属在其体内的积累。一般情况下，农作物中铁含量充足的话，锰、铜、锌、镉等重金属含量就会低；但由于缺铁，锰、铜、锌、镉等重金属含量较高，可能与铁转运蛋白基因的表达有关。
COHEN等人研究了在缺铁和缺铁条件下豌豆对镉的吸收动力学。结果表明，缺铁条件下豌豆对镉的最大初始吸收速率是铁充足条件下的近7倍。不同供铁条件下镉吸收的差异可能与IRT1基因的表达有关。IRT1是从拟南芥中克隆的铁转运蛋白基因。缺铁可诱导其表达，促进铁的吸收和转运，也可促进镉等重金属的吸收和转运。缺铁下镉吸收率的增加可能也与质膜质子泵的激活有关。FeSO4 _ 4作为一种微量元素肥料，不仅能提高作物产量，还能减少镉在作物中的积累。
研究表明，稀土元素可以在一定程度上缓解重金属的胁迫。叶面喷施钕或其络合物可以减轻铅对绿豆、大白菜和菠菜的伤害。镉胁迫下菜豆和玉米幼苗叶面喷施镧可以减轻镉对幼苗的伤害。叶面喷施100 mg/L镧-甘氨酸络合物可减轻镉对小白菜的伤害，提高小白菜的光合速率、希尔反应活性和硝酸还原酶活性，增加叶绿素和核酸含量，降低丙二醛和镉含量，降低质膜透性。
此外，赤霉素、氨基乙醇己酸二乙酯、氨基乙酰丙酸、水杨酸、脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱等生理调节物质的施用也能降低重金属对作物的毒害作用。施用细胞分裂素6-苄氨基腺嘌呤可以缓解汞对空心莲子草的毒害作用。水杨酸和脱落酸的施用可以缓解镉对大麦幼苗的毒害作用。喷施NAA可以降低镉胁迫下大豆幼苗叶片丙二醛和脯氨酸含量，减少膜脂过氧化和蛋白质水解，降低过氧化物酶(POD)活性，提高硝酸还原酶活性。
植物有一个复杂的机制来精确调节元素的吸收、运输和排泄，以适应外界环境的变化。目前，植物元素平衡和调控网络的途径还不是很清楚。过去人们的研究往往停留在两种或几种元素上，但实际上植物体内元素的平衡是一个非常复杂的过程。有人认为近年来发展起来的离子组学方法可以为进一步揭示植物中营养元素与重金属的相互作用机理提供一种手段。
目前，虽然重金属与作物养分之间的关系已经得到了广泛的讨论，但对相关机理的研究总体上还不深入。不同的研究条件，不同的研究方法，不同的被测作物，导致不同的，甚至矛盾的结论。重金属与营养物质之间的相互作用需要进一步研究。
2.叶面生理抗性控制技术的发展现状
近年来，利用作物叶片上的生理屏障来防治重金属在作物中的积累是一个新的方向。通过在作物细胞壁上沉积或螯合重金属，提高作物对重金属的抗性，减少甚至完全阻断重金属向食物链的转移。该技术因其成本低、环境友好、操作方便等优点而受到国内研究者的青睐。从国内现有的相关专利来看，现有的叶面生理屏障剂大致如下:
(1)含硅基(包括有机硅和无机硅)成分的叶面生理屏障。相关专利为103789114A(专利号，下同)、101907029A、103868。
(2)硒或稀土元素的叶面生理屏障，相关专利有103804091A、102356739A、104788156A、104322335A、101597658。
(3)以氮、磷、钾和常规微量元素(钙、镁、铁、硼、锰、锌、钼、钛、硫)为主要成分的叶面生理屏障剂，相关专利为103749223A、103314999A、103314693A、10501039A、65438
(4)作物叶片生理屏障，相关专利为103392401A，10402592102356739 a，102550365438+3A，104823738A。103980030A，103936495A，102653486A，102653485A，104221796A，104322。
目前，我国从事作物叶片生理屏障产品开发和试验效果研究的机构主要集中在东部和中南部地区，主要是高校和科研机构，以及一些基层农业部门。常用的实验作物主要有水稻、蔬菜、瓜果。涉及的重金属主要是镉，铅、砷、汞也有涉及。
因为欧美的耕地资源问题不是很突出，相关专利也不多。仅从美国专利局、欧洲专利局、世界贸易组织WIPO等网站检索到3项相关专利，其中中国学者申报1。
从一些初步试验结果来看，使用叶面生理抗性控制技术的效果因产地和作物类别不同而有所差异。
李方柏等人的试验结果表明，叶面喷施硅肥使水稻增产29.6%，水稻砷降低28.2%(质量分数，下同)，镉降低40.2%。
王世华等的盆栽试验表明，喷施硅肥后，水稻籽粒中的镉减少17% ~ 53%，铅、锌、铜分别减少26% ~ 41%、29% ~ 34%和45% ~ 53%。
刘杰的试验表明，叶面喷施镉洗涤剂叶面硅肥，水稻产量提高5%，镉降低40%，抑制了重金属从叶片向籽粒的迁移。
崔晓峰等发现，叶面喷施硅肥能促进生菜生长，提高POD和超氧化物歧化酶(SOD)活性，生菜地上部分镉和铅分别下降33.5% ~ 40.1%和55.2% ~ 63.3%。
刘的研究表明，叶面喷施硅肥后，水东芥菜中镉、砷、铅含量分别降低了24.5%、26.4%和22.5%。同时，喷施硅肥和铈肥对镉、砷和铅的降低幅度分别为42.6%、40.0%和36.8%。
刘吉臻的研究表明，喷施硅后，盆栽辣椒中的镉含量下降了13.4% ~ 26.1%。
叶面喷施硒肥对作物体内重金属的下降也有明显效果。蒋斌研究表明，叶面喷施纳米硒肥和硒+壳聚糖复合肥，水培生菜镉含量分别降低19.24%和21.13%。水稻叶面喷施硒肥后，水稻产量增加16.2%，镉降低8.6% ~ 17.8%。蔬菜和瓜类叶面喷施硒肥后，番茄和蒜苗中的镉降低了24.46%。番茄和黄瓜中镉含量下降60.6% ~ 75.8%；西瓜中，镉下降了6.61% ~ 66.13%，铅下降了4.55% ~ 83.33%，膜脂过氧化产物丙二醛的含量也有所下降。草莓叶片和果实中镉分别下降10.20% ~ 94.65%和18.33%，铅分别下降38.86% ~ 76.80%和77.71%。柿子中镉、铅、汞含量显著下降。喷施硒硅钼复合肥，大白菜和辣椒中镉含量下降1.9% ~ 20.6%。硒硅配施可使水稻增产43.8%，降低籽粒砷含量46%。
叶面喷施稀土元素可以减轻玉米、绿豆、大白菜等作物的镉中毒和铅中毒症状。生菜地上部镉和铅分别下降了365，438±0.7% ~ 45.3%和26.7% ~ 765，438±0.4%。番茄中镉下降19.4% ~ 37.0%，黄瓜中镉下降32.0% ~ 49.8%。油菜茎叶中铜、锌、镉、铅、镍分别下降2.91% ~ 7.82%，2.91% ~ 6.99%，7.26% ~ 20.92%，6.32% ~ 15.79%，7.69%。水东榨菜中镉、砷、铅分别下降了22.9%、26.0%、32.5%。叶面喷锌使生菜镉含量降低了37.02%。番茄中镉下降37.01%，对铅无明显影响。糙米镉下降465，438+0.9%。叶面喷铁使镉、铅、铜含量分别降低4.3% ~ 35.5%、6.17% ~ 50.30%和8.34% ~ 33.40%。番茄果实中镉含量下降了2.8% ~ 8.2%。
3应用前景
重金属和许多必需营养素影响双方的功能，补充营养素可以降低重金属对作物的毒害作用。硅、硒、氮、磷、钾、钙、镁和一些微量元素是农作物的有益元素。利用叶面喷施作为生理屏障，不仅能在一定程度上防止重金属在作物体内的积累，还能促进作物的生长、增产和品质改善。由于成本低、操作方便，许多研究者认为叶面喷施是一种方便有效的中轻度污染土壤的生理屏障方法，具有广阔的应用前景。
与国外相比，我国对叶片生理屏障剂的讨论范围较广，生理屏障剂的研发处于世界前列，尤其是在水稻重金属控制的应用研究方面。而利用叶面生理屏障控制作物重金属含量的基础理论研究还不如国外。目前，我国利用作物叶片生理屏障调控农产品中重金属积累的技术还不够成熟，大多数产品缺乏广泛的田间试验评价，施用效果不够稳定，施用方法有待改进。由于缺乏统一规范的标准，目前国内叶面生理屏障剂品种繁多，令用户无所适从。急需建立叶面生理屏障剂的标准化标准。同时，由于缺乏标准化的应用技术，用户因操作不规范而达不到应有的应用效果。因此，应重点加强以下研究:
(1)农田重金属污染作物叶片高效生理屏障研发。在已有研究的基础上，深入探讨了不同生理屏障剂对农产品中重金属的控制效果，以期筛选出高效的作物叶片生理屏障剂。
(2)作物叶片生理屏障应用范围的研究。在不同地区、不同轮作制度和不同水肥管理条件下，研究叶面生理屏障对作物吸收重金属的影响，以确定其适用范围，并探讨环境因素(温度、湿度、光照、土壤肥力)、喷施时间、喷施剂量和浓度、喷施次数等对叶面生理屏障对作物吸收重金属的影响。
(3)筛选提高叶面生理屏障效能的添加剂，开发复合型叶面生理屏障。通过叶面生理屏障、表面活性剂、络合剂和植物生长调节剂的应用，筛选出低毒高效阻断重金属吸收的配方。在此基础上，通过各种配方的匹配试验，进一步研究了复合叶面生理屏障。
(4)加强叶面生理屏障的田间示范和应用技术规范研究。选择成熟的叶片生理屏障，可以在多处进行田间示范研究，并在实际应用中不断修正应用技术以提高其效率，最终形成相关技术法规。