小麥品種與生物有機肥聯合修復農田鎘污染研究

陳亮妹，于倩倩，胡兆云，王成雨，李江遐，葉文玲，吳林春，崔俊義，馬友華

(1.安徽農業大學資源與環境學院，安徽合肥 230036； 2.安徽省銅陵市義安區農業環保站，安徽銅陵 244000； 3.安徽農業大學農學院，安徽合肥 230036)

小麥品種與生物有機肥聯合修復農田鎘污染研究

陳亮妹1，于倩倩1，胡兆云2，王成雨3，李江遐1，葉文玲1，吳林春1，崔俊義1，馬友華1

(1.安徽農業大學資源與環境學院，安徽合肥 230036； 2.安徽省銅陵市義安區農業環保站，安徽銅陵 244000； 3.安徽農業大學農學院，安徽合肥 230036)

為篩選Cd積累低且產量較高的小麥品種,以6個北方小麥品種和6個南方小麥品種為試材，在安徽銅陵選取Cd重度污染與未污染農田進行小麥品種與生物有機肥聯合修復田間對比試驗。結果表明，Cd未污染農田中各小麥品種除了泰山24外籽粒Cd含量均未達到國家糧食安全標準；Cd重度污染農田中小麥籽粒Cd含量為1.21～2.41 mg·kg-1，Cd均超標，南方小麥品種較北方品種籽粒中Cd含量更高且差異性更大；施用生物有機肥可降低Cd重度污染農田中各小麥品種的Cd含量，降低百分率為1.7%～57.8%，平均降低29.9%。施用生物有機肥的Cd重度污染農田中各小麥品種籽粒Cd 含量與小麥莖、葉的Cd含量極顯著正相關。Cd重度污染農田較Cd未污染農田各小麥品種產量均顯著降低，平均減產率46.2%；使用生物有機肥使Cd重度污染農田小麥平均增產15.7%。各小麥品種籽粒Cd含量與產量極顯著負相關。揚麥20、寧麥8號為籽粒Cd積累量較低、產量較高的品種；施用生物有機肥可有效降低小麥籽粒Cd含量、增加小麥產量。

小麥；品種；農田土壤；Cd；生物有機肥

隨著工農業生產的迅猛發展，一些地區農田土壤中重金屬鎘(Cd)含量急劇增加，使得作物的Cd積累量日益增加，著名的痛痛病就是由于食用Cd超標大米引起的[1]。Cd是毒性最強的重金屬元素之一[2]，土壤重金屬污染具有隱蔽性、潛伏性、累積性和難治理性等特點，受重金屬污染的土壤可能需要上百年才能恢復正常[3-4]。近年來，相關專家就農田重金屬污染提出了鈍化劑修復、超積累植物吸收、低積累作物篩選等行之有效的治理方法[5]。小麥是我國主要的糧食作物，不同小麥品種對Cd的吸收、積累存在較大差異。篩選和培育對重金屬低積累、高耐性的小麥品種是保證小麥糧食安全有效的方法之一[6]。小麥的生長具有區域性，在重金屬重度污染農田篩選適合區域種植的低積累品種、配合鈍化修復措施對重金屬污染農田小麥安全生產具有重要意義。

本研究在銅陵縣某硫鐵礦區Cd重度污染農田及非污染農田，選用12個小麥品種進行Cd積累比較試驗，并配合生物有機肥修復措施，以期篩選出適宜銅陵地區重金屬污染農田種植的Cd低積累小麥品種，為重金屬Cd污染地區的小麥安全生產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試點概況與供試材料

1.1.1 試點概況

試驗于安徽省銅陵市某礦區重金屬污染和未污染農田進行。試驗區土壤為紅壤土。Cd重度污染農田土壤Cd含量1.83 mg·kg-1，有效態Cd含量為1.36 mg·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量分別為120.27 mg·kg-1、19.15 mg·kg-1、74.32 mg·kg-1、23.66 g·kg-1，pH為5.03左右，CEC含量為12.95 cmol·kg-1；未污染土壤Cd含量為0.26 mg·kg-1，有效態Cd含量為0.17 mg·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量分別為123.57 mg·kg-1、19.78 mg·kg-1、81.25 mg·kg-1、25.71 g·kg-1， pH為6.51左右，CEC含量為14.79 cmol·kg-1。

1.1.2 供試小麥品種

選擇遺傳背景差異較大、來自南方和北方種植區域的不同基因型小麥品種12個，適宜地區涵蓋山東、安徽、河南、江蘇等中國小麥主要種植地區。北方小麥品種為皖北345、開麥1號、矮抗58、安農0711、皖麥2219、泰山24，南方品種為寧麥8號、揚麥20、寧麥9號、寧麥13、鎮麥9號、鎮麥6號。

1.2 試驗設計

12個小麥品種分別種植在Cd重度污染農田、施用生物有機肥的Cd重度污染農田和Cd未污染農田。

生物有機肥來自北京阿姆斯公司，有效活菌數≥0.20×108·g-1，有機質含量≥20.0%，有效菌種為枯草芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌。試驗采用裂區設計，三個重復，共計108個小區。小區面積6 m2，種植行距20 cm，播種量為 150 kg·hm-2。肥料用量為氮肥(N)255 kg·hm-2，磷肥(P2O5)165 kg·hm-2，鉀肥(K2O)165 kg·hm-2。氮肥運籌基肥∶壯蘗肥∶拔節肥∶孕穗肥為5∶1∶2∶2；磷、鉀肥的基∶追比為5∶5，追肥在5～7葉期使用。2014年11月播種，2015年5月成熟期，采集植株和土壤樣品進行籽粒、植株不同部位和土壤重金屬含量檢測。

1.3 檢測方法

參照GB/T5009.15-2003，消解裝置為CEM MARS6，小麥籽粒、莖、葉中Cd與Pb的含量。土壤pH和養分等常規指標按照國標方法(pH:GB 7859-1987；氮：GB 7173-1987；磷：GB 7853-1987；鉀：GB 7856-1987；有機質：GB 9834-1988 )和文獻[7]進行測定。

1.4 數據分析

采用Excel 2007、SPSS 19.0和 Origin 8.0進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種的籽粒、莖、葉Cd含量比較

2.1.1 籽粒Cd含量比較

由圖1、表1可知，Cd未污染、Cd重度污染和生物有機肥修復區不同小麥品種籽粒Cd含量均存在極顯著差異。Cd未污染農田中，小麥籽粒Cd含量為0.10～0.29 mg·kg-1，平均為0.17 mg·kg-1，除泰山24外，其他小麥品種籽粒Cd含量均未達到國家糧食安全標準(0.1 mg·kg-1，GB2762-2012),小麥品種籽粒Cd含量由低到高為泰山24、矮抗58、寧麥13、揚麥20、晚麥2219、鎮麥6號、寧麥8號、鎮麥9號、開麥1號、安農0711、皖北345、寧麥9號，變異系數達40.1%，其中，皖北345、寧麥9號、安農0711與其他各個品種籽粒Cd含量差異均達到極顯著水平；開麥1號與其他各個品種籽粒Cd含量間差異均達到極顯著水平(晚麥2219除外)；泰山24籽粒Cd含量顯著低于其他品種(矮抗58除外)。

Cd重度污染農田中，各小麥品種籽粒中Cd含量為1.21～2.41 mg·kg-1，各是國家糧食安全標準規定Cd含量的12.1～24.1倍，籽粒Cd含量由低到高依次為寧麥8號、皖北345、開麥1號、矮抗58、揚麥20、寧麥9號、安農0711、晚麥2219、泰山24、寧麥13、鎮麥9號、鎮麥6號,變異系數為26.8%，其中，寧麥13、鎮麥9號、鎮麥6號與其他各個品種籽粒Cd含量間均存在極顯著差異；泰山24、晚麥2219、安農0711和矮抗58與其他各個品種籽粒Cd含量間均存在極顯著差異；寧麥9號與揚麥20差異顯著，二者與其他各個品種籽粒Cd含量間均存在極顯著差異；升麥1號、皖北345、寧麥8號籽粒Cd含量均極顯著低于其他品種。

施用生物有機肥的Cd重度污染農田中，各小麥品種籽粒中Cd含量為1.02～1.61 mg·kg-1，平均為1.22 mg·kg-1，籽粒Cd含量由低到高依次為泰山24、寧麥8號、皖北345、矮抗58、安農0711、開麥1號、寧麥9號、鎮麥6號、寧麥13、鎮麥9號、揚麥20、皖北2219，變異系數為11.8%，其中，皖北2219、寧麥13、鎮麥6號與其他各品種籽粒Cd含量均達到極顯著差異；揚麥20、鎮麥9號與其他各品種籽粒Cd含量均達到極顯著差異；安農0711、寧麥9號、開麥1號與其他各品種籽粒Cd含量差異均達到極顯著水平；矮抗58、皖北345、寧麥8號差異不顯著，與其他各品種籽粒Cd含量差異均極顯著。綜合來看，寧麥8號、皖北345、揚麥20、矮抗58籽粒Cd含量較低。

圖柱上不同大小寫字母表示相同處理品種間差異在0.01、0.05水平顯著。圖3同。

表1 不同處理的小麥籽粒Cd含量Table 1 Cd content in wheat grain under different treatments mg·kg-1

同行數據后不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。

Different capital letters following data in same line indicate significant difference among treatments at 0.01 level.

Cd未污染農田，北方小麥品種籽粒的Cd平均含量為0.17 mg·kg-1，含量范圍在0.10～0.29 mg·kg-1之間，變異系數達44.2%；南方小麥品種的籽粒Cd含量在0.13～0.29 mg·kg-1之間，平均為0.17 mg·kg-1，變異系數為36.1%。Cd重度污染農田，北方小麥品種籽粒Cd平均含量為1.68 mg·kg-1，范圍在1.24～2.10 mg·kg-1之間，變異系數達24.2%；南方小麥品種籽粒Cd含量為1.21～2.41 mg·kg-1，平均為1.89 mg·kg-1，變異系數為28.5%。在生物肥修復區，北方小麥品種籽粒Cd平均含量為1.09 mg·kg-1，范圍為0.89～1.19 mg·kg-1，變異系數達10.6%；南方品種籽粒Cd平均含量為1.28 mg·kg-1，范圍在1.02～1.45 mg·kg-1之間，變異系數為13.0%。在施用生物有機肥的Cd重度污染農田中，南方小麥品種較北方品種小麥的籽粒中Cd含量更高且差異更大。這可能與小麥品種的基因型有關。

與Cd重度污染農田相比，施用生物有機肥后各小麥品種籽粒中的Cd含量均有不同程度的降低，降低百分率為1.7%到57.8%，平均降低了29.9%。由此可見，品種與生物有機肥聯合措施對重金屬污染土壤小麥的安全生產效果更好，但本試驗選擇在土壤Cd為1.83 mg·kg-1的重度污染農田，修復還未能達到理想效果。

2.2 小麥籽粒與莖葉中Cd含量的相關性

在Cd重度污染農田，小麥籽粒中的Cd含量平均為1.76 mg·kg-1，莖平均含量為3.33 mg·kg-1，葉中的平均含量為7.67 mg·kg-1；在生物肥修復區，籽粒的平均Cd含量為1.18 mg·kg-1，莖中的平均含量為3.21 mg·kg-1，葉中的平均含量為7.69 mg·kg-1，Cd重度污染農田及生物有機肥修復區小麥籽粒Cd含量與莖、葉Cd含量相關性如圖2所示。

圖2 Cd重度污染農田及生物有機肥修復農田小麥籽粒與莖葉Cd含量的相關性

生物肥修復區小麥籽粒與莖、葉中Cd含量相關系數分別為0.746 2(t=3.362>t0.01=3.250)和0.812 7(t=4.184 0>t0.01=3.250 0)，均為極顯著正相關。Cd重度污染農田小麥籽粒與莖、葉Cd含量相關系數分別為0.086 6 (t=0.261

2.3 不同處理下供試小麥品種的籽粒產量

由圖3可知，在Cd未污染農田，小麥平均產量為5 194 kg·hm-2，各品種產量為3 418～7 504 kg·hm-2，不同小麥品種的產量從高到低為揚麥20、鎮麥6號、鎮麥9號、寧麥13、寧麥8號、皖麥2219、寧麥9號、皖北345、安農0711、矮抗58、開麥1號、泰山24 ，變異系數為28.0%，其中，揚麥20與晚麥2219、寧麥9號、皖北345、安農0711、皖麥2219、矮抗58、開麥1號、泰山24的產量間均存在極顯著差異， 鎮麥6號、鎮麥9號、寧麥13、寧麥8號、晚麥2219與矮抗58、開麥1號、泰山24的產量間存在極顯著差異。

在Cd重度污染農田，小麥平均產量為2 796 kg·hm-2，相較Cd未污染農田平均減產率為46.2%，表明重金屬污染降低了小麥產量。其產量為1 251～4 500 kg·hm-2，不同品種的小麥產量從高到低為寧麥9號、寧麥8號、揚麥20、皖麥2219、寧麥13、鎮麥9號、鎮麥6號、皖北345、安農0711、泰山24、矮抗58、開麥1號，變異系數為39.1%，其中，寧麥9號與泰山24、矮抗58、開麥1號產量存在極顯著差異。Cd重度污染區小麥產量差異程度高于未污染區。

在生物肥修復區，小麥產量為1 668～5 420 kg·hm-2，平均為3 592 kg·hm-2，相較Cd重度污染農田平均增產率為15.7%，表明生物有機肥對于Cd污染造成的小麥減產具有一定的緩解作用。不同品種的產量從高到低依次為鎮麥6號、揚麥20、鎮麥9號、寧麥8號、寧麥9號、寧麥13、皖北345、安農0711、泰山24、矮抗58、皖麥2219、開麥1號，變異系數為40.6%，其中鎮麥6號與泰山24、矮抗58、開麥1號產量存在極顯著差異。

整體而言，北方小麥品種產量低于南方品種，可能試驗地銅陵屬南方，更適宜南方品種小麥生長；也可能因為北方品種對重金屬較為敏感，產量受其影響較大。

2.4 小麥籽粒Cd含量與產量的相關性

將各個小麥品種在不同處理下的籽粒中Cd含量與產量做相關性分析，結果見圖4。

圖3 不同處理下不同小麥品種的籽粒

每條相關性曲線對應的三點分別為Cd未污染農田小麥籽粒Cd含量、生物肥修復區小麥籽粒Cd含量、Cd重度污染農田小麥籽粒Cd含量。

如圖4所示，不同小麥品種籽粒中Cd含量與產量之間均呈現極顯著的負相關，相關系數最低為-0.9 179，最高為-0.9 993。表明在不考慮品種間差異時，各小麥品種的籽粒Cd含量與產量之間呈極顯著的負相關，即籽粒中Cd含量越高小麥的產量越低。

3 討 論

孫洪欣等[8]研究表明，不同小麥品種籽粒Cd含量存在差異，與本研究結果一致，故可在Cd污染農田種植適宜的Cd低積累小麥品種以保證糧食安全。

劉秀春等[9]研究結果顯示，生物有機肥對土壤重金屬具有一定的吸附固定能力，可以減少農作物對于重金屬的吸收。說明生物有機肥對農田土壤的重金屬危害有明顯修復功能。本研究發現，低重金屬積累小麥品種與生物有機肥聯合可進一步降低小麥籽粒Cd含量，增加產量。

影響Cd在土壤-植物系統的遷移轉運的因素主要有植物生理機制、土壤理化性質(Eh、pH 、粘土礦物、有機質)、植物種類和微生物活性等，這些因素影響了Cd的存在形態、遷移部位及能力[7，10]。通過控制這些因素可以減少小麥籽粒中Cd的含量。本研究發現，小麥不同器官對Cd的積累存在顯著差異，小麥地上部分Cd積累量表現為葉>莖>籽粒，這與季書勤等[11]的研究結果類似。

本研究發現，土壤重金屬Cd污染對不同小麥品種的產量有不同程度影響，小麥產量與籽粒中Cd含量極顯著負相關。與朱志勇等[12]的研究結果一致。楊玉敏等[13]研究也表明，產量對Cd濃度極敏感，Cd濃度升高時，小麥產量極顯著降低。其內在分子生態學、生理生化機制有待進一步研究。本研究認為，生產安全的小麥品種主要是籽粒達標，因此，可優先考慮籽粒Cd含量低而產量相對較高的小麥品種，同時配合生物有機肥修復措施從而保障小麥安全生產。

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StudyonWheatVarietiesandBio-OrganicFertilizerinRemediationofCadmiumPollutedFarmland

CHENLiangmei1,YUQianqian1,HUZhaoyun2,WANGChengyu3,LIJiangxia1,YEWenling1,WULinchun1,CUIJunyi1,MAYouhua1
(1.School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036, China; 2.Agricultural Environmental Protection Station of Yian District, Tongling, Anhui 24400, China; 3.School of Agronomy, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036, China)

In order to screen wheat varieties with low Cd accumulation and high yield, the field experiment with six northern and six southern wheat varieties in combined remediation of wheat varieties and bio-organic fertilizer was conducted in the farmland heavily polluted by Cd and the clean farmland. The results showed that the content of Cd in wheat grains for all wheat varieties, except for Taishan 24, did not reach the national food safety standards in the farmland without Cd pollution, while the content of Cd in grains for all wheat varieties were 1.21 mg·kg-1to 2.41 mg·kg-1, exceeding the national food safety standards in the farmlands heavily polluted by Cd. Cd content in grains of the southern varieties, showing great variations, was higher than that of the northern varieties. The application of bio-organic fertilizer reduced the accumulation of Cd in wheat grains in the farmland heavily polluted by Cd, with the average decrease rate of Cd content of 29.9%, ranging from 1.7% to 57.8%.There was a significantly positive correlation between the content of Cd in wheat grain with the content of Cd in wheat stem and leaf in the farmland heavily polluted by Cd under bio-organic fertilizer application. The yield for all wheat varieties tested in the farmland heavily polluted by Cd was lower than that in the farmland without Cd pollution, with an average reduction of 46.2%, and application of bio-organic fertilizer increased the yield of all wheat varieties by 15.7% averagely in the farmland heavily polluted by Cd. There was a significantly negative correlation between the Cd content in wheat grain and yield, with the correlation coefficient from 0.824 6 to 0.998 6 for the wheat varieties tested. Yangmai 20 and Ningmai 8 are the best varieties with lower Cd accumulation and higher yield. Wheat varieties with low Cd accumulation combined with the application of bio-organic fertilizer can reduce Cd content in wheat grain and increase the yield of wheat.

Wheat; Variety; Farmland; Cadmium; Bio-organic fertilizer

時間：2017-12-11

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171211.1106.028.html

2017-03-20

2017-04-19

國家自然科學基金項目(41301539)；農業部農業生態環境保護重大專項(農科教發〔2012〕3號)；安徽省教育廳重點項目(2014振興計劃03090304)

E-mail：18356070103@163.com

馬友華(E-mail:yhma@ahau.edu.cn)

S512.1；S319

A

1009-1041(2017)12-1627-07