受鎘污染耕地小麥種植中安全利用措施優化研究

喻曼， 潘建清， 高敬文， 喬宇穎， 汪玉磊， 朱有為*

(1.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2.浙江省耕地質量與肥料管理總站，浙江 杭州 310005； 3.長興縣農業技術推廣服務總站，浙江 湖州 313199)

2014年環境保護部發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國耕地土壤鎘污染點位超標率達7%，居重金屬污染第一位。其中，重金屬鎘在土壤中具有較高的遷移性，易被農作物吸收而進入食物鏈，長期攝入對人體的皮膚、骨骼、神經系統和內臟器官等會造成不同程度的危害[1-3]。小麥是我國的主糧作物，降低鎘在小麥中的富集能夠有效降低人體重金屬鎘攝入風險，對保障小麥安全生產具有重要意義。目前，土壤調理劑、葉面阻控劑施用是解決小麥種植過程中安全利用的重要措施。土壤調理劑可調節土壤pH、氧化還原電位(Eh)、陽離子交換量(CEC)等，同時可吸附、沉淀、共沉淀土壤中游離的 Cd，從而降低 Cd 的生物有效性，減少作物對 Cd 的吸收[4]。已有研究表明，鈣粉[5]、硅粉[6]、過磷酸鈣[7]、鈣鎂磷肥[8]、生物質炭[9]、骨炭[10]等調理劑均可降低土壤有效態Cd，減少植物對Cd的吸收。另外，噴施葉面肥降低植物重金屬累積的效果也較明顯，因其可以通過直接調控葉片對重金屬的吸收影響根系和其他部位重金屬的富集[6]。土壤調理劑品種繁多，不同調理劑的性質與組成、作用機理以及在土壤重金屬治理的效果差異也較大[11-16]。不同類型土壤調理劑對土壤 Cd 污染治理效果存在差異，且用量也決定了調理劑效果[17]。對于中度重金屬Cd污染農田采用單一修復技術很難達到修復效果，而現有試驗基本是圍繞單一措施開展，采用土壤鈍化、葉面阻控和養分調控的組合研究較少[18]。響應面法(RSM)是一種基于用二元多次回歸的試驗設計和優化方法，通過擬合因素與響應值之間的函數關系，研究多因素間交互作用，從而實現對設計變量及響應目標的優化。本文采用響應面法(RSM) 中的Box-Behnken Design(BBD)系統研究土壤調理劑(A)、葉面阻控劑(B)和養分調理(C)等措施在小麥種植中的降鎘效果，探尋最優組合，并比較不同類型土壤調理劑的效果，實現對小麥種植過程中安全利用措施條件的優化，為受鎘污染耕地小麥安全利用技術推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地設在浙江省湖州市長興縣小浦鎮(30°43′～31°11′N，119°33′～120°06′E)，地處浙江省北部，長江三角洲杭嘉湖平原。屬亞熱帶海洋性季風氣候，光照充足、氣候溫和、降水充沛、四季分明、雨熱同季、溫光協調。年平均氣溫15.6 ℃，年降水量 1 309 mm，年日照時數1 810 h。耕層土壤pH為5.52，有機質、全氮含量分別為35.8、2.0 g·kg-1，堿解氮、速效鉀、有效磷含量分別為176.87、946.05、6.92 mg·kg-1。供試小麥品種為鎮麥12。

1.2 試驗材料

供試的土壤調理劑(標記為A)包括肥料型土壤調理劑(山東世豐土壤調理劑)、生物型土壤調理劑(南京寧糧土壤生物修復菌劑)、腐殖酸型土壤調理劑(豐瑜沃土寶)，葉面阻控劑(標記為B)選自江蘇天象1號。有機肥(標記為C)選擇長興當地農戶常用有機肥。田間管理按當地常規管理進行。

1.3 處理設計

以土壤調理劑(A)、葉面阻控劑(B)和有機肥(C)3個因素為試驗因子，每個因子取3個水平(表1)，采用Box-Behnken方法分別對三種調理劑進行試驗設計(表2)。每種類型調理劑設置9個處理，每個處理3個重復。

表1 試驗因素和水平設置

1.4 測定項目與方法

小麥籽粒鎘含量采用電感耦合等離子體質譜法(GB 5009.268—2016)測定。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2016進行整理，運用SPSS 26進行單因素方差分析。應用軟件Design Expert中的Box-Behnken方法進行試驗處理設計及結果分析。

2 結果與分析

2.1 肥料型調理劑組合試驗結果分析

通過分析不同處理的小麥產量和籽粒鎘含量發現(表2)，9個處理的小麥667 m2平均產量為306 kg，籽粒平均鎘含量為0.26 mg·kg-1，并且籽粒鎘含量在各個處理間均無顯著性差異。在667 m2500 kg的調理劑施用水平下，有機肥和葉面阻控劑的施用量和施用次數對小麥產量無顯著影響；在667 m2350 kg的調理劑施用水平下，小麥產量比每667 m2施用500 kg調理劑的處理增大，并且在拔節期、抽穗初期噴施葉面阻控劑和不噴施葉面阻控劑的處理產量顯著增大；在每667 m2200 kg的調理劑施用水平下，有機肥和葉面阻控劑的施用量和施用次數對小麥產量無顯著影響。隨著調理劑施用量的減少，三類產品的組合降鎘率有增加的趨勢，并以200 kg的調理劑施用量增加的更為明顯。

表2 肥料型調理劑組合試驗結果

通過對以上試驗結果進行統計分析(圖1)，發現有機肥在每667 m2200 kg的施用水平下，調理劑施入量增加會導致小麥產量減小、小麥籽粒鎘含量增加和降鎘效率降低，葉面阻控劑噴施對小麥產量影響較小；但隨著葉面阻控劑施用量的增加，小麥籽粒鎘含量降低和降鎘效率增大。如果每667 m2有機肥500 kg施用水平下，阻控劑效果大于調理劑效果，可減施調理劑。響應曲面分析結果表明，500 kg有機肥配施78 kg世豐調理劑并且噴施2次葉面阻控劑可達到較理想的安全利用效果，即每667 m2小麥產量376 kg、小麥籽粒鎘含量0.028 mg·kg-1、降鎘率92.6%。

圖1 三因素交互作用下每667 m2小麥籽粒鎘積累量的曲面響應分析(世豐調理劑)

2.2 生物型調理劑組合試驗結果分析

通過分析不同處理的小麥產量和籽粒鎘含量發現(表3)，9個處理的平均每667 m2小麥產量為321 kg，籽粒平均鎘含量為0.26 mg·kg-1。在同一調理劑施用水平下，有機肥和阻控劑的施用量和施用次數對小麥產量的影響差異不顯著；在300 kg的調理劑施用量下，有機肥和阻控劑的施用量和施用次數對小麥籽粒鎘含量的影響差異也不顯著；在200 kg的調理劑施用量下，拔節期噴施葉面阻控劑顯著增大了籽粒鎘的含量；在100 kg的調理劑施用量下，拔節期噴施葉面阻控劑的籽粒鎘含量顯著低于不噴施葉面阻控劑的。隨著調理劑施用量的減少，三類產品的組合降鎘率有先升高再下降的趨勢。

表3 生物型調理劑組合試驗結果

通過對以上試驗結果進行統計分析(圖2)，每667 m2有機肥施用水平為0 kg時，單施阻控劑，隨施入量的增加小麥籽粒鎘含量呈下降趨勢；隨著有機肥施用水平提高，單施調理劑效果逐步優于單施阻控劑。響應曲面分析結果表明，300 kg寧糧調理劑配施200 kg有機肥可達到較理想的安全利用效果，即小麥產量353 kg、小麥籽粒鎘含量0.058 mg·kg-1、降鎘率84.6%。

圖2 三因素交互作用下每667 m2小麥籽粒鎘積累量的曲面響應分析(寧糧調理劑)

2.3 腐殖酸型調理劑組合試驗結果分析

通過分析不同處理的小麥產量、籽粒鎘含量發現(表4)，各處理每667 m2小麥產量平均為336 kg，籽粒平均鎘含量為0.35 mg·kg-1。在同一調理劑施用水平下，有機肥和阻控劑的施用量和施用次數對小麥籽粒鎘含量的影響差異不顯著。其中處理4小麥產量最高，為458.59 kg，顯著高于其他處理，處理5的組合降鎘效率最高，降鎘率為27%。

表4 腐殖酸型調理劑組合試驗結果

通過對以上試驗結果進行統計分析，結果(圖3)表明，不同有機肥施用水平下，單施調理劑時，小麥籽粒鎘含量均隨施入量的增加而降低，相對而言單施調理劑效果優于單施阻控劑；增加調理劑并減少阻控劑用量對鎘在小麥籽粒中的積累有一定的阻控效果。當有機肥施用水平提高時，調理劑與阻控劑可能協同促進鎘在小麥籽粒中的積累。響應曲面分析結果表明，667 m2單施1 000 kg豐瑜調理劑即可達到較理想的安全利用效果。

圖3 三因素交互作用下每667 m2小麥籽粒鎘積累量的曲面響應分析(豐瑜沃土寶)

3 討論

施用土壤調理劑在一定程度上能改善土壤環境，有利于土壤養分的活化，進而促進小麥增產。一般認為，施用土壤調理劑是降低土壤重金屬有效性與作物吸收積累的有效措施之一[19]，施加土壤調理劑后，土壤理化性質會隨之發生改變，改變土壤中重金屬的形態，進而影響其遷移性與活性。本研究中，從小麥產量上分析，三種類型的調理劑組合均能一定程度上提高小麥產量，一方面可能是三種類型的調理劑均含有促進小麥生長的元素，另一方面可能是三種類型調理劑均降低了土壤中鎘離子的活性，緩解了鎘對小麥的毒害作用，有利于小麥增產，這與張濟世等[20]的研究結果相一致。研究發現，腐殖酸型土壤調理劑組合的小麥平均產量最高，肥料型土壤調理劑組合的小麥平均產量最低，表明肥料型調理劑的增產效果不明顯，這可能與腐殖酸能夠刺激根系吸收養分，促進作物生長發育，且能夠促進作物對Mg+和Fe+的吸收，增加葉綠素含量，促進干物質積累有關[21]。

小麥籽粒鎘含量取決于土壤中有效鎘含量以及植物對鎘的吸收能力[22]。本研究結果反映出不同類型調理劑對籽粒鎘含量的影響存在較大差異，生物型調理劑配施葉面阻控劑的效果最佳，其次是肥料型調理劑，腐殖酸型調理劑對降低籽粒鎘含量的效果不明顯。葉面肥噴施于葉片，通過氣孔、角質層等直接進入葉片內部，進而影響植株的生長[23]。本試驗使用的葉面肥含多種微量元素以及氨基酸，其中鋅可以使葉片中鋅鎘共用的膜轉運蛋白產生鋅/鎘拮抗作用[22]，從而調控根系中的鎘向葉片和籽粒轉運。

土壤調理劑是通過改變土壤環境中的化學狀態，如 pH、Eh、CEC 等，同時通過絡合、吸附、沉淀、共沉淀的方式降低土壤中游離態 Cd 的含量，進而降低其生物有效性[4]，噴施葉面肥通過直接調控葉片對重金屬的吸收影響根系和其他部位重金屬的富集[5]，研究表明，土壤鈍化與葉面阻控聯合能更加有效地降低作物地上部對鎘的吸收，二者按一定比例配施，可達到最佳降鎘效果[20]。本研究發現，在葉面阻控劑的噴施次數相同的情況下，不同類型的土壤調理劑的小麥產量與籽粒鎘含量均有差異，同種類型土壤調理劑的不同施肥條件下也有所不同。當土壤調理劑施用量相同時，噴施兩次葉面阻控劑并不是在每個處理中都降低了籽粒鎘含量，這可能是在野外噴施情況下，環境較溫室內環境較差，由于溫度、紫外線、刮風或者起露等原因，造成本來噴施的高濃度受到稀釋或者減少，所以才造成沒有下降的情況。

4 小結

不同類別調理劑組合在小麥種植中的降鎘效果存在明顯差異，平均降鎘率以生物型土壤調理劑組合效果最佳，肥料型土壤調理劑可能存在增加籽粒鎘積累的風險，腐殖酸型土壤調理劑施用量需提高。響應曲面分析結果顯示，每667 m2300 kg寧糧調理劑配施200 kg有機肥有望實現較理想的安全利用效果，即每667 m2小麥產量353 kg、小麥籽粒鎘含量0.058 mg·kg-1、降鎘率84.6%。