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摘 要 为探讨应对日益严重的土壤镉（Cadmium， Cd）污染的研究发展方向，分析了2000～2013年国家自然科学基金批准资助的155个与之相关的项目。结果表明：这些项目主要由面上项目和青年科学基金项目资助；近年来，相关项目的资助力度正逐步加大；所有项目可分为9大研究方向，其中以植物吸收转运积累镉的机理和相关基因研究所占总项目数的比例最大。对未来的研究方向也作了展望。
关键词 镉 ；土壤 ；国家自然科学基金 ；资助项目
分类号 X53
Abstract In order to probe into the research fields to reply the increasingly serious soil cadmium （Cd） contamination， 155 related projects supported by National Natural Science Foundation of China （NSFC） in 2000-2013 were studied. The results indicated： the projects were mainly supported by general program and youth science fund project. In recent years， the support intensity of related projects was gradually increasing. All the projects can be classified into 9 research fields， and studies about the mechanism and related genes of cadmium absorption， transportation and accumulation in plants account for a largest fraction in all the projects. Furthermore， prospects for further study were summarized.
Kewwords cadmium ； soil ； National Natural Science Foundation of China ； supported project
近一百年来，随着工业化的快速发展和城市化的无限制扩张，金属矿被大量开采，冶炼废气、工业污水和城市垃圾常常超标排放，农用化学品无节制施用等导致我国环境镉（Cadmium， Cd）污染日益加重。据1975年的调查统计，欧洲和美国每年分别向环境中释放约6 118 t和761.3 t镉，其中分别有94%和81.8%进入土壤，其中很大一部分为农业土壤。污灌常常是镉等重金属进入土壤的主要途径之一，我国11 个污灌区遭受Cd 污染的农田就有12 000 hm2[1]， 如沈阳张士灌区严重污染区土壤的含Cd 量高达5～7 mg/kg， 稻米中含Cd 也达1～2 mg/kg[2]，严重超过了大米含镉小于0.2 mg/kg的国家标准。镉在环境中活性较强，在土壤-植物系统中具有很强的迁移能力[3]。作物生长在镉污染的土壤上，生长发育受到抑制，产量品质被严重影响，其吸收和积累的镉进入食物链而严重威胁人类健康。镉在人体中的富集不仅会引起胃肠不适、贫血、高血压、肾损害以及对生殖细胞的选择性毒害，还影响钙、磷代谢使骨骼生长代谢受阻，甚至致癌和致畸[4-5]。因而，如何减轻直至解决土壤镉污染的危害成为政府和广大科技工作者的重要研究课题。
为减轻土壤镉污染的危害，国内外科技工作者已进行了大量的相关研究工作。目前，已经揭示了镉对植物的主要危害与机理和植物应对镉胁迫时的一些应对策略[6-9]，如植物螯合肽（Phytochelatin，PC）的络合、液泡的区室化等；发现了植物中镉的吸收、转运规律与调控过程和其中的一些重要基因[10-15]；探索了通过植物修复等降低土壤镉危害的途径及石灰等土壤改良剂减少作物中镉含量的作用[16-19]。近年来，我国也加大了针对土壤镉污染的项目支持力度和科研步伐，但仍有很多关键问题尚未探清，需要做更深入的研究。为此，本文分析了2000～2013年国家自然科学基金与应对土壤Cd污染相关的项目资助情况，旨在探索解决我国土壤镉污染问题的研究发展方向，为我国从事相关研究工作的科技工作者提供参考。
1 概况
2000～2013年，国家自然科学基金共批准资助相关研究项目155项，其中面上项目84项（3 929.5万元）；青年科学基金项目65项（1 492万元）；地区科学基金项目5项（161万元）；国际（地区）合作与交流项目1项（100万元）；总经费5 682.5万元。各类项目数和资助金额所占百分比总结如图1、2所示。从年度资助的项目数（图3）来看，资助项目呈不断增加趋势，特别是2006年以来，增长明显加快。这说明随着近年镉污染公共事件的增多，镉污染问题正日益引起政府部门和广大科技工作者的高度重视，并加大了资助力度和加快了相关研究步伐。
2 研究方向
针对日益严重的镉污染形势，广大科技工作者已经开展了大量的研究工作，从已有的研究来看，主要集中于两大方面：一方面是揭示土壤-植物系统中镉行为与危害及其机理，植物对镉胁迫的响应规律、机制和分子机理等；另一方面是探索如何治理土壤镉污染，减轻其危害，如镉的净化、钝化等。从2000～2013年获得国家自然科学基金批准资助的155项项目，也可以体现应对土壤镉污染的具体研究和发展方向。
（1）土壤镉积累的地球化学过程和迁移规律20项，涉及土法炼锌时镉的释放规律和环境危害，富镉铅锌矿、煤矿、长江下游冲积土、三峡库区高镉地质背景区、长江流域典型矿区、稻田土壤、湖泊等区域镉的地球化学过程和对环境的影响，红壤地区和其他地表环境中镉的来源、积累、迁移特征和相关驱动因子分析，镉与其他环境因子如硼、苯并[a]芘、四溴双酚-A、PAEs等在土壤中的交互作用和相关机理，冻融作用、污灌区土壤盐碱化、公路铺晒工业盐等对土壤中镉的迁移行为的影响，“稻鸭共生”生态系统中镉的迁移规律。 （2）植物吸收转运积累镉的机理和相关基因研究56项，主要涉及水稻、小麦、大麦、油菜、东南景天、花生、龙葵、大豆、小白菜、大白菜、萝卜、三叶鬼针草、菱蒿、杨树、苎麻、忍冬、马兰根、芸苔属蔬菜、湿地植物和超积累植物等植物吸收转运和积累镉的生理生化与分子机理和遗传基础研究，MxIrt1、拟南芥CDR2、XCD1、ZBP1、microRNA395、VEW1转录子、东南景天SaREF1及MTP基因家族、SaHMA3、金属耐受蛋白MTP、microRNA、MiR166、油菜miR159/167和ABC/NRAMP1、大豆GmHMA3、谷胱甘肽转移酶（GST）等基因和分子在植物吸收转运与积累镉中的功能，细胞壁、液泡、植物铁载体、植物螯合肽等在植物镉积累中的作用及机理，血红素加氧酶-1/一氧化碳信号系统、一氧化氮、硫化氢在植物耐镉胁迫中的作用机制，镉与蛋白结合机理及结构稳定性。
（3）镉胁迫对植物的影响和相关机制16项，其研究内容主要包括镉胁迫对各类植物形态特征与生物/急性毒性、亚细胞结构和生理生化响应特征、细胞骨架及细胞壁建成和细胞壁果胶合成与去甲酯化、氧化代谢与钙信使、铁营养调控、钾离子泄漏、microRNA合成、基因突变及甲基化改变、青蒿素积累、光合作用、土壤氮循环和迁移等的影响及相关机制。
（4）微生物耐镉机理和相关基因研究6项，主要包括细菌、牛肝菌、AM真菌、双孢蘑菇、酵母等微生物的镉耐受机理及相关基因的克隆与表达。
（5）外在因素对植物镉吸收转运的影响28项，主要涉及土壤改良剂如秸秆还田、赤泥、生物质炭，微生物如铁氧化细菌、外生菌根真菌、丛支菌根真菌和伯克氏菌，其他元素与化合物包括钙、硅、铁、硫、硒、共价阳离子、二氧化碳、水杨酸、精胺、低分子量有机酸、金属螯合肽等，不同栽培环境（方式）如淹水环境、水分管理、不同pH、施肥等，以及土壤铁锰化学过程等因素对植物吸收转运和积累镉的影响及其机制。
（6）土壤的植物、微生物和物理修复12项，主要研究油菜、紫茉莉、棉花、马樱丹、紫茎泽兰-AMF、细菌强化的植物等多种植物修复镉污染的机理，植物修复的根际调控机理，土壤镉污染的微生物修复机理，物理性吸附剂对镉的分离富集。
（7）镉污染土壤中植物/微生物-土壤互作研究9项，主要内容有植物根系对镉胁迫的识别与调控和根际特征与环境效应，土壤-植物系统中镉污染预警和迁移规律，镉与土壤微生物的相互作用机制等。
（8）不同积累镉能力植物资源的筛选7项，包括宝山堇菜、油菜、大麻、辣椒、花生等种质资源的筛选和镉积累的生理生化基础研究5项，另1项为开发了一种镉高积累蔬菜品种分子标识新方法。
（9）土壤镉污染的检测技术1项，研究开发了一项定向进化构建细菌传感器检测环境中镉污染的技术。
综合来看，“植物吸收转运积累镉的机理和相关基因研究”在所有资助项目中所占比例最大，其次为“外在因素对植物镉吸收转运的影响”（图4），而“土壤镉污染的检测技术”研究只有1项。目前镉含量的检测方法有电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、原子吸收光谱法（AAS）、同位素稀释质谱法（ID-MS）等，这些方法的检测精度和灵敏度都很高，但都需要复杂的前处理和专门的仪器设备，检测时间较长，难以满足很多情况下的实际需要，因而应加强快速检测技术方面的研究工作。
3 展望
自1968年日本报道“痛痛病”是由镉污染引发以来，土壤镉等重金属污染治理研究一直成为农业和环境科学等相关领域的研究热点。而我国有关农产品中镉等有毒重金属超标的问题也日益突出，中毒事件时有发生，而且这种情形有随着工业化的发展和城市化进程的加快而呈加剧的趋势。在此大背景下，相关研究工作虽然取得了一些进展，但整体上相对比较落后，研究水平不高，比如镉在土壤-植物系统中的很多关键机理还未知，相关治理措施也仍处于试验探讨阶段，还未能大规模地应用于生产实践。在科学发展主导技术进步的今天，全面推进各研究方向的快速发展，是治理土壤镉污染，保障人民生命健康的迫切需要。
（1）镉在土壤-植物系统中的地球化学行为、形态转化及其迁移过程等研究。镉在土壤中的迁移转化过程受多种生物和地球化学因素的调控，其中土壤pH和氧化还原状况是影响镉存在形态的主要因素，探明土壤-植物生态系统中镉的来源、化学行为、迁移转化过程及其驱动因素和对环境的影响是在污染区建立镉污染控制指标体系不可缺少的研究内容。
（2）植物吸收转运和累积镉的遗传基础和分子机理。植物对镉的吸收转运和积累涉及很多基因的表达调控和复杂的生理生化过程，尽管在此方面的研究取得了一些进展，但仍有很多尚未解决的问题，如植物对土壤镉活化吸附的根际过程，不同耐镉能力植物吸收和积累镉差异的遗传基础和关键遗传位点，植物对镉胁迫响应的信号转导过程，与镉胁迫响应基因的表达调控模式，镉通过木质部和韧皮部向籽粒的转运积累过程等，这些都有待从生理生化和分子水平的进一步研究。对这些问题的探索将有助于进一步了解植物吸收转运和积累镉的整体过程与机制，进而有望人为地调控其中的某些过程，以提高植物对镉污染的耐受能力，或减少对镉的吸收。
（3）控制农产品中镉污染的综合治理措施研究。影响植物积累镉的因素主要有两个方面：植物自身的因素，即植物种类差异和品种基因型差异；环境因素，如土壤、空气、水等。因而，控制农产品中镉污染应从以下两方面入手：①广泛收集耐镉污染的植物种质资源，培育出耐、抗、低吸收或可食部位少富集镉的植物新品种；②环境镉污染的控制和治理。加强生物修复、化学措施、田间管理等措施治理土壤镉污染的研究和技术示范与推广，特别是将各种措施组装配套使用，较单一措施可以提高对镉污染的控制效果。土壤生态环境较为复杂，各种重金属间和重金属与其他污染物间往往存在协同、拮抗、屏蔽和独立作用[20]，使镉的生态效益受到多种因素的影响，因而还需加强镉与其他污染物复合污染条件下的治理措施研究。 参考文献
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关键词 镉 ；土壤 ；国家自然科学基金 ；资助项目
分类号 X53
Abstract In order to probe into the research fields to reply the increasingly serious soil cadmium （Cd） contamination， 155 related projects supported by National Natural Science Foundation of China （NSFC） in 2000-2013 were studied. The results indicated： the projects were mainly supported by general program and youth science fund project. In recent years， the support intensity of related projects was gradually increasing. All the projects can be classified into 9 research fields， and studies about the mechanism and related genes of cadmium absorption， transportation and accumulation in plants account for a largest fraction in all the projects. Furthermore， prospects for further study were summarized.
Kewwords cadmium ； soil ； National Natural Science Foundation of China ； supported project
近一百年来，随着工业化的快速发展和城市化的无限制扩张，金属矿被大量开采，冶炼废气、工业污水和城市垃圾常常超标排放，农用化学品无节制施用等导致我国环境镉（Cadmium， Cd）污染日益加重。据1975年的调查统计，欧洲和美国每年分别向环境中释放约6 118 t和761.3 t镉，其中分别有94%和81.8%进入土壤，其中很大一部分为农业土壤。污灌常常是镉等重金属进入土壤的主要途径之一，我国11 个污灌区遭受Cd 污染的农田就有12 000 hm2[1]， 如沈阳张士灌区严重污染区土壤的含Cd 量高达5～7 mg/kg， 稻米中含Cd 也达1～2 mg/kg[2]，严重超过了大米含镉小于0.2 mg/kg的国家标准。镉在环境中活性较强，在土壤-植物系统中具有很强的迁移能力[3]。作物生长在镉污染的土壤上，生长发育受到抑制，产量品质被严重影响，其吸收和积累的镉进入食物链而严重威胁人类健康。镉在人体中的富集不仅会引起胃肠不适、贫血、高血压、肾损害以及对生殖细胞的选择性毒害，还影响钙、磷代谢使骨骼生长代谢受阻，甚至致癌和致畸[4-5]。因而，如何减轻直至解决土壤镉污染的危害成为政府和广大科技工作者的重要研究课题。
为减轻土壤镉污染的危害，国内外科技工作者已进行了大量的相关研究工作。目前，已经揭示了镉对植物的主要危害与机理和植物应对镉胁迫时的一些应对策略[6-9]，如植物螯合肽（Phytochelatin，PC）的络合、液泡的区室化等；发现了植物中镉的吸收、转运规律与调控过程和其中的一些重要基因[10-15]；探索了通过植物修复等降低土壤镉危害的途径及石灰等土壤改良剂减少作物中镉含量的作用[16-19]。近年来，我国也加大了针对土壤镉污染的项目支持力度和科研步伐，但仍有很多关键问题尚未探清，需要做更深入的研究。为此，本文分析了2000～2013年国家自然科学基金与应对土壤Cd污染相关的项目资助情况，旨在探索解决我国土壤镉污染问题的研究发展方向，为我国从事相关研究工作的科技工作者提供参考。
1 概况
2000～2013年，国家自然科学基金共批准资助相关研究项目155项，其中面上项目84项（3 929.5万元）；青年科学基金项目65项（1 492万元）；地区科学基金项目5项（161万元）；国际（地区）合作与交流项目1项（100万元）；总经费5 682.5万元。各类项目数和资助金额所占百分比总结如图1、2所示。从年度资助的项目数（图3）来看，资助项目呈不断增加趋势，特别是2006年以来，增长明显加快。这说明随着近年镉污染公共事件的增多，镉污染问题正日益引起政府部门和广大科技工作者的高度重视，并加大了资助力度和加快了相关研究步伐。
2 研究方向
针对日益严重的镉污染形势，广大科技工作者已经开展了大量的研究工作，从已有的研究来看，主要集中于两大方面：一方面是揭示土壤-植物系统中镉行为与危害及其机理，植物对镉胁迫的响应规律、机制和分子机理等；另一方面是探索如何治理土壤镉污染，减轻其危害，如镉的净化、钝化等。从2000～2013年获得国家自然科学基金批准资助的155项项目，也可以体现应对土壤镉污染的具体研究和发展方向。
（1）土壤镉积累的地球化学过程和迁移规律20项，涉及土法炼锌时镉的释放规律和环境危害，富镉铅锌矿、煤矿、长江下游冲积土、三峡库区高镉地质背景区、长江流域典型矿区、稻田土壤、湖泊等区域镉的地球化学过程和对环境的影响，红壤地区和其他地表环境中镉的来源、积累、迁移特征和相关驱动因子分析，镉与其他环境因子如硼、苯并[a]芘、四溴双酚-A、PAEs等在土壤中的交互作用和相关机理，冻融作用、污灌区土壤盐碱化、公路铺晒工业盐等对土壤中镉的迁移行为的影响，“稻鸭共生”生态系统中镉的迁移规律。 （2）植物吸收转运积累镉的机理和相关基因研究56项，主要涉及水稻、小麦、大麦、油菜、东南景天、花生、龙葵、大豆、小白菜、大白菜、萝卜、三叶鬼针草、菱蒿、杨树、苎麻、忍冬、马兰根、芸苔属蔬菜、湿地植物和超积累植物等植物吸收转运和积累镉的生理生化与分子机理和遗传基础研究，MxIrt1、拟南芥CDR2、XCD1、ZBP1、microRNA395、VEW1转录子、东南景天SaREF1及MTP基因家族、SaHMA3、金属耐受蛋白MTP、microRNA、MiR166、油菜miR159/167和ABC/NRAMP1、大豆GmHMA3、谷胱甘肽转移酶（GST）等基因和分子在植物吸收转运与积累镉中的功能，细胞壁、液泡、植物铁载体、植物螯合肽等在植物镉积累中的作用及机理，血红素加氧酶-1/一氧化碳信号系统、一氧化氮、硫化氢在植物耐镉胁迫中的作用机制，镉与蛋白结合机理及结构稳定性。
（3）镉胁迫对植物的影响和相关机制16项，其研究内容主要包括镉胁迫对各类植物形态特征与生物/急性毒性、亚细胞结构和生理生化响应特征、细胞骨架及细胞壁建成和细胞壁果胶合成与去甲酯化、氧化代谢与钙信使、铁营养调控、钾离子泄漏、microRNA合成、基因突变及甲基化改变、青蒿素积累、光合作用、土壤氮循环和迁移等的影响及相关机制。
（4）微生物耐镉机理和相关基因研究6项，主要包括细菌、牛肝菌、AM真菌、双孢蘑菇、酵母等微生物的镉耐受机理及相关基因的克隆与表达。
（5）外在因素对植物镉吸收转运的影响28项，主要涉及土壤改良剂如秸秆还田、赤泥、生物质炭，微生物如铁氧化细菌、外生菌根真菌、丛支菌根真菌和伯克氏菌，其他元素与化合物包括钙、硅、铁、硫、硒、共价阳离子、二氧化碳、水杨酸、精胺、低分子量有机酸、金属螯合肽等，不同栽培环境（方式）如淹水环境、水分管理、不同pH、施肥等，以及土壤铁锰化学过程等因素对植物吸收转运和积累镉的影响及其机制。
（6）土壤的植物、微生物和物理修复12项，主要研究油菜、紫茉莉、棉花、马樱丹、紫茎泽兰-AMF、细菌强化的植物等多种植物修复镉污染的机理，植物修复的根际调控机理，土壤镉污染的微生物修复机理，物理性吸附剂对镉的分离富集。
（7）镉污染土壤中植物/微生物-土壤互作研究9项，主要内容有植物根系对镉胁迫的识别与调控和根际特征与环境效应，土壤-植物系统中镉污染预警和迁移规律，镉与土壤微生物的相互作用机制等。
（8）不同积累镉能力植物资源的筛选7项，包括宝山堇菜、油菜、大麻、辣椒、花生等种质资源的筛选和镉积累的生理生化基础研究5项，另1项为开发了一种镉高积累蔬菜品种分子标识新方法。
（9）土壤镉污染的检测技术1项，研究开发了一项定向进化构建细菌传感器检测环境中镉污染的技术。
综合来看，“植物吸收转运积累镉的机理和相关基因研究”在所有资助项目中所占比例最大，其次为“外在因素对植物镉吸收转运的影响”（图4），而“土壤镉污染的检测技术”研究只有1项。目前镉含量的检测方法有电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、原子吸收光谱法（AAS）、同位素稀释质谱法（ID-MS）等，这些方法的检测精度和灵敏度都很高，但都需要复杂的前处理和专门的仪器设备，检测时间较长，难以满足很多情况下的实际需要，因而应加强快速检测技术方面的研究工作。
3 展望
自1968年日本报道“痛痛病”是由镉污染引发以来，土壤镉等重金属污染治理研究一直成为农业和环境科学等相关领域的研究热点。而我国有关农产品中镉等有毒重金属超标的问题也日益突出，中毒事件时有发生，而且这种情形有随着工业化的发展和城市化进程的加快而呈加剧的趋势。在此大背景下，相关研究工作虽然取得了一些进展，但整体上相对比较落后，研究水平不高，比如镉在土壤-植物系统中的很多关键机理还未知，相关治理措施也仍处于试验探讨阶段，还未能大规模地应用于生产实践。在科学发展主导技术进步的今天，全面推进各研究方向的快速发展，是治理土壤镉污染，保障人民生命健康的迫切需要。
（1）镉在土壤-植物系统中的地球化学行为、形态转化及其迁移过程等研究。镉在土壤中的迁移转化过程受多种生物和地球化学因素的调控，其中土壤pH和氧化还原状况是影响镉存在形态的主要因素，探明土壤-植物生态系统中镉的来源、化学行为、迁移转化过程及其驱动因素和对环境的影响是在污染区建立镉污染控制指标体系不可缺少的研究内容。
（2）植物吸收转运和累积镉的遗传基础和分子机理。植物对镉的吸收转运和积累涉及很多基因的表达调控和复杂的生理生化过程，尽管在此方面的研究取得了一些进展，但仍有很多尚未解决的问题，如植物对土壤镉活化吸附的根际过程，不同耐镉能力植物吸收和积累镉差异的遗传基础和关键遗传位点，植物对镉胁迫响应的信号转导过程，与镉胁迫响应基因的表达调控模式，镉通过木质部和韧皮部向籽粒的转运积累过程等，这些都有待从生理生化和分子水平的进一步研究。对这些问题的探索将有助于进一步了解植物吸收转运和积累镉的整体过程与机制，进而有望人为地调控其中的某些过程，以提高植物对镉污染的耐受能力，或减少对镉的吸收。
（3）控制农产品中镉污染的综合治理措施研究。影响植物积累镉的因素主要有两个方面：植物自身的因素，即植物种类差异和品种基因型差异；环境因素，如土壤、空气、水等。因而，控制农产品中镉污染应从以下两方面入手：①广泛收集耐镉污染的植物种质资源，培育出耐、抗、低吸收或可食部位少富集镉的植物新品种；②环境镉污染的控制和治理。加强生物修复、化学措施、田间管理等措施治理土壤镉污染的研究和技术示范与推广，特别是将各种措施组装配套使用，较单一措施可以提高对镉污染的控制效果。土壤生态环境较为复杂，各种重金属间和重金属与其他污染物间往往存在协同、拮抗、屏蔽和独立作用[20]，使镉的生态效益受到多种因素的影响，因而还需加强镉与其他污染物复合污染条件下的治理措施研究。 参考文献
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