土壤施用鈍化劑與復合微生物肥對冬小麥鎘積累的影響

王宇，宋一凡，張榮，牟海萌，孫麗芳，付凱霞，武紫君，黃青青，徐應明，李鴿子,3，王永華,3?，郭天財,3?

1 河南農業(yè)大學農學院/國家小麥工程技術研究中心，鄭州 450046；2 農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所/農業(yè)農村部產地環(huán)境污染防控重點實驗室，天津 300191；3 河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046

0 引言

【研究意義】由于采礦、工業(yè)燃燒、污水灌溉和大氣降塵等工農業(yè)生產活動，導致我國土壤環(huán)境重金屬污染問題日益嚴重，且重金屬污染物在土壤中具有移動性差、滯留時間長、毒性大等特點，并能通過水體、植物等介質最終影響人類健康。另據中國環(huán)境保護部和國土資源部2005—2013 年的一項調查顯示，重金屬和類金屬污染占被污染土壤點位的82.4%，且在重金屬和類金屬中，鎘（Cd）在土壤樣品中的超標率居第一位[1]。目前，我國學者對重金屬污染土壤修復的主要研究對象為南方酸性稻田[2]，篩選出了多類鈍化劑如粉煤灰、石灰、金屬氧化物類、海泡石等[3]，并構建了相對完善的控鎘體系[4]，主要通過調節(jié)土壤pH 促進土壤中重金屬生成硅酸鹽、碳酸鹽等沉淀，提高重金屬離子穩(wěn)定性，起到對土壤鎘活性的鈍化效果[5]。而在豫北地區(qū)多為富含硅鈣而缺少鋁鐵的石灰性堿性土壤，大量在南方酸性鎘污染土壤中取得良好鈍化活性效果的材料、修復技術等在北方堿性鎘污染小麥田上的效果均不明顯[6]，且容易造成土壤板結、肥力下降等風險[7]，而目前，針對鎘污染石灰性堿性土壤的研究較少。因此，適用于豫北輕度鎘污染堿性土壤修復且持續(xù)有效的鈍化劑產品的利用與緩（解）減（輕）降（低）集成栽培技術研發(fā)顯得尤為重要。【前人研究進展】施用土壤鈍化劑是修復鎘污染土壤的重要措施之一，石灰、海泡石、磷酸鹽類等常用土壤鈍化劑一直是國內外學者的研究熱點，近年來探索新型有效土壤鈍化劑（硅肥、生物碳、聚谷氨酸等）已成為研究趨勢[8]。聚谷氨酸是由微生物合成的一種細胞外高分子氨基酸聚合物[9]，其絮凝活性良好、親和度較高，安全無污染，可作為重金屬的吸附材料[10]；YANG 等[11]通過室內對比試驗，發(fā)現3 種形式的γ-聚谷氨酸作為土壤洗滌劑，可改變土壤重金屬形態(tài)，降低了土壤有效態(tài)鎘，降低效率最高可達74%。由此表明，聚谷氨酸可作為降低土壤鎘污染的鈍化劑。陳亮妹等[12]研究發(fā)現復合微生物肥對堿性農田重金屬污染具有一定的鈍化修復效果，其研究結果表明，施用微生物肥可使鎘重度污染農田的各小麥品種籽粒鎘含量降低1.7%到57.8%，平均降幅為29.9%；陳友民等[13]發(fā)現，當土壤中施用復合微生物肥超過1 125 kg·hm-2可有效降低土壤有效態(tài)鎘含量，減少了鎘向稻谷的遷移，降低了稻谷鎘含量；馮光輝等[8]研究也表明，施用復合微生物肥可降低土壤有效鎘含量0.009 mg·kg-1，降低稻米鎘含量0.088 mg·kg-1。說明復合微生物肥可應用于弱堿性鎘污染土壤的修復，且具有降低籽粒鎘含量的效果。季書勤等[14]對豫北鎘污染農田16 個河南省主栽小麥品種研究發(fā)現，重金屬鎘的吸收率在小麥品種間存在顯著差異。明毅等[15]通過大田試驗對139 個小麥品種鎘積累特性進行聚類分析，篩選出了16 個低鎘積累品種，其中有4 個品種材料同時具有低鎘積累和高產特性。另有研究表明，用于修復重金屬污染酸性土壤的鈍化劑主要以簡單提高土壤pH值為主，使土壤中重金屬的形態(tài)分布從活躍態(tài)向穩(wěn)固態(tài)轉移，進而導致土壤重金屬的有效性減小[16]。但弱堿性土壤的理化性狀不同于酸性土壤[17]，不需要再進一步提高土壤的pH 值，而是要選擇適于弱堿性土壤的鈍化材料，且鈍化機理有別于酸性土壤[18]。【本研究切入點】基于現有小麥品種鎘吸收、積累與分配差異涵蓋多個麥區(qū)，而適宜豫北堿性輕度鎘污染農田的冬小麥低鎘積累品種及配套輕度鎘污染麥田緩減降集成栽培技術鮮有報道。本試驗選用兩類土壤鈍化材料，研究其單施和聯合等量配施對土壤鎘有效態(tài)和小麥地上部器官鎘的富集與轉運，以及產量及其構成因素的影響。【擬解決的關鍵問題】選擇豫北堿性輕度鎘污染農田，研究土壤鈍化材料與品種的交互處理對土壤有效態(tài)鎘、冬小麥地上部各器官鎘含量、富集系數、轉運系數及其相關性、冬小麥產量及其構成因素的影響，旨在探尋豫北弱堿性鎘輕度污染麥田安全生產的合適土壤鈍化材料和適宜冬小麥品種，為該區(qū)冬小麥適應性栽培提供生產技術支撐和參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

本試驗位于河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣某鎘污染田。該區(qū)域屬暖溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫14.1 ℃，平均無霜期220 d，年均降水達573.40 mm。該試驗點土壤總鎘含量為0.613 mg·kg-1，根據土壤環(huán)境質量標準GB 15618—2018 判定為輕度污染土壤。土壤類型為石灰性潮土，前茬作物為大豆。2020 和2021 年冬小麥播種前土壤的基礎養(yǎng)分如表1 所示。

表1 播前土壤基礎養(yǎng)分Table 1 Soil properties before sowing

1.2 供試材料

供試土壤鈍化劑為金不染鈍化劑（由河南遠東生物工程有限公司提供，主要有效成分為聚谷氨酸≥10 g·L-1、有機質≥80 g·L-1）和復合微生物肥（由焦作市田美生物工程有限公司提供，主要有效成分為有機質≥20.0%，有效活菌數≥0.2×108個/g、有效菌種為枯草芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌，N-P2O5-K2O≥10.0%）；供試小麥品種分別為鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698。

1.3 試驗設計

于2020—2022 年連續(xù)兩年冬小麥生長季設置田間大區(qū)對比試驗，試驗采取裂區(qū)設計，主區(qū)為CK（不進行土壤修復處理）、CMF（復合微生物肥單施處理）、GP（土壤鈍化劑單施處理）和CMF+GP（復合微生物肥與土壤鈍化劑等量配施處理），副區(qū)為品種處理，6 個品種隨機分布在各個主區(qū)，每個小區(qū)長20 m、寬8 m，重復3 次，共計72 個處理。每個冬小麥生長季在播前均施基肥和土壤鈍化材料，復合微生物肥用量為2 700 kg·hm-2，采用人工均勻撒施；土壤鈍化劑用量為375 kg·hm-2并加水稀釋3 倍，采用大型噴霧車拉管噴施；小麥播量為187.5 kg·hm-2、行距18.5 cm。2020—2021 年度于2020 年10 月20 日播種，2021 年6 月1 日收獲；2021—2022 年度于2021 年10 月23日播種，2022 年6 月3 日收獲。兩年度播前均基施磷酸二銨（N∶P2O5∶K2O=16∶45∶0）487.5 kg·hm-2和尿素262.5 kg·hm-2，并于拔節(jié)期追施尿素150 kg·hm-2。為防止本試驗期間小麥生育時期內灌溉時不同處理小區(qū)水源污染，特采取截斷原有河水灌溉污染源的井灌方式進行。病蟲草害防治和其他田間管理按照當地一般高產田進行。

1.4 樣品采集與處理方法

1.4.1 土壤樣品 于成熟期在各處理區(qū)中使用五點取樣法采集0—20 cm 耕作層土壤樣品，混勻后自然風干并去除土中雜物，研磨，再過20 目、100 目篩后，分別用自封袋密封儲存，作為待測土樣。

1.4.2 植株樣品 于成熟期采用五點取樣法從各處理種植小區(qū)隨機選取具有代表性的小麥植株20 株，將其按葉片、莖鞘、穗軸+穎殼、籽粒四部分器官分樣，于80 ℃烘干至恒重，再將所分樣品進行研磨和過100目篩后，置于自封袋密封保存，作為待測植株樣。

1.5 測定項目與測定方法

土壤鎘全量選用HNO3-HF 體系消解，采用電感耦合等離子體質譜儀（iCAP Q，美國賽默飛世爾儀器公司）測定[19]；土壤有效態(tài)鎘采用DTPA 浸提液（0.005 mol·L-1DTPA+0.01 mol·L-1CaCl2+0.1 mol·L-1TEA）提取后采用電感耦合等離子體質譜儀（iCAP Q，美國賽默飛世爾儀器公司）測定[20]；小麥各部位植株樣品鎘含量測定采用HNO3-HClO4濕法消解定容后用電感耦合等離子體質譜儀（iCAP Q，美國賽默飛世爾儀器公司）測定[21]；產量及其構成因素測定，于小麥成熟期選取各處理種植小區(qū)的1 m 雙行固定樣方進行穗數調查，并隨機選取30 穗進行穗粒數調查；每處理小區(qū)隨機收割4 m2脫粒計產，曬干后測定千粒重和籽粒含水率，各處理重復3 次，并按13%的小麥安全入庫標準含水率折算實際產量[22]。

1.6 數據處理與分析

富集系數（BCF）=地上部某器官中鎘含量/土壤中鎘全量[23]；

轉運系數（TFA—B）= B 器官中鎘含量/ A 器官中鎘含量[24]；

小麥鎘的富集系數劃分為BCF莖鞘、BCF葉、BCF穗軸+穎殼、BCF籽粒。

采用Excel 2019 處理試驗數據和圖表繪制，通過SPSS 21.0 軟件對試驗數據進行相關性分析（Pearson相關）和差異顯著性檢驗（Duncan 法）。

2 結果

2.1 不同處理對土壤有效態(tài)鎘含量的影響

由圖1 可知，土壤鈍化劑與復合微生物肥的單施和等量配施均能有效降低0—20 cm 耕層土壤有效態(tài)鎘含量，且兩年度各處理對土壤鎘的鈍化效果均表現為CMF+GP＞GP＞CMF＞CK 處理，但各處理對土壤有效態(tài)鎘含量的影響效果在品種間存在差異。從各處理的影響效應看，兩年度以土壤鈍化劑與復合微生物肥等量配施處理（CMF+GP）的鈍化效果最為顯著，與CK 相比，其土壤有效態(tài)鎘含量降幅最大，分別較單施GP、CMF 處理平均降幅增大6.9%和12.5%。從不同小麥品種的響應看，土壤鈍化劑與復合微生物肥的單施和等量配施均可降低6 個供試小麥品種土壤有效態(tài)鎘含量，也以CMF+GP 處理的鈍化效果最顯著，分別使播種鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698 的耕層土壤平均有效態(tài)鎘含量降低21.6%、19.5%、17.6%、19.0%、19.3%、22.4%；但土壤鈍化劑與復合微生物肥的單施和等量配施對不同小麥品種的響應在兩年間有所差異，即2020—2021 年度GP 處理僅對漯麥163 和鄭麥7698的土壤有效態(tài)鎘含量顯著降低14.4%和17.1%，而對其余4 個品種的降低效果未達顯著水平，且6 個小麥品種間土壤有效態(tài)鎘含量高低依次為鑫麥296≈鄭麥136＞鄭麥9023＞鄭麥7698＞漯麥163＞鑫華麥818。而2021—2022 年度GP 則使鑫華麥818、鄭麥136、鄭麥7698 等3 個小麥品種的土壤鎘有效態(tài)含量均顯著降低，CMF 處理僅使鑫華麥818 的土壤鎘有效態(tài)含量顯著降低。

圖1 施用鈍化劑和復合微生物肥對土壤有效態(tài)鎘含量的影響Fig.1 Effects of adding soil amendment and compound microbial fertilizer on the available Cd content in soil

2.2 不同處理對成熟期冬小麥地上部各器官鎘含量的影響

由于對2020—2021 年度試驗季的小麥籽粒鎘含量檢測后發(fā)現土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施對小麥籽粒鎘含量具有顯著影響，因此在2021—2022 年度增測了小麥地上部營養(yǎng)器官鎘含量指標，以探究土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施對小麥地上部器官鎘的吸收和轉運差異。由表2 可知，土壤鈍化劑與復合微生物肥的單施和等量配施除了在2020—2021 年生長季對鑫麥296 籽粒鎘含量無顯著影響效果外，連續(xù)兩年均對其余小麥籽粒鎘含量具有降低效果，且兩年度各處理對小麥籽粒鎘的降低效果均表現為CMF+GP＞GP＞CMF＞CK。各處理對小麥籽粒鎘含量的影響效果在品種間存在差異，但各處理的小麥籽粒鎘含量均未超過國家標準的限量（《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2022）（谷物鎘限值0.1 mg·kg-1））。從各處理的影響效應看，與CK 相比，CMF、GP、CMF+GP 處理在兩年度平均分別使小麥籽粒鎘含量降低了 7.8%、17.1%、23.3%。從不同小麥品種的響應看，兩年度的結果存在差異。在2020—2021 年生長季，GP 和CMF+GP處理均可顯著降低鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鄭麥136、鄭麥7698 等5 個小麥品種籽粒鎘含量，而CMF 處理僅可使鑫華麥818、漯麥163、鄭麥7698等3 個小麥品種籽粒鎘含量顯著降低；在2021—2022年生長季，GP 和CMF+GP 處理均顯著降低了6 個小麥品種籽粒含量，而CMF 處理僅可使鑫華麥818、漯麥163 兩個小麥品種籽粒鎘含量顯著降低；連續(xù)兩個生長季均為CMF+GP 處理對小麥籽粒鎘含量的降低效果最好，可分別使鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698 的籽粒鎘平均含量降低了29.0%、26.7%、20.6%、8.3%、33.6%、21.9%。

表2 施用鈍化劑與復合微生物肥對不同品種冬小麥成熟期地上部器官鎘含量的影響Table 2 Effects of adding soil amendment and compound microbial fertilizer on Cd content in aboveground vegetative organs of different winter wheat varieties during maturity (mg·kg-1)

由表2 還可以看出，土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理對小麥成熟期各營養(yǎng)器官亦具有明顯影響效果。同一品種不同處理對營養(yǎng)器官鎘含量的影響在不同部位器官間存在差異，4 個鈍化處理中葉片鎘含量值均以CMF+GP 處理的降低效果最大，其數值最小；與CK 相比，CMF+GP 處理下供試小麥品種葉片鎘含量平均降幅較單施CMF 和GP 處理分別提高6.5%和12.9%；但不同鈍化處理間莖鞘、穗軸+穎殼的鎘含量變化表現不一，土壤鈍化劑與復合微生物肥的單施和等量配施能夠顯著降低鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023 莖鞘鎘含量，與CK 相比，CMF、GP、CMF+GP 處理的3 小麥品種的莖鞘鎘含量平均值降幅分別為 6.6%、9.2%、10.9%，而CMF、CMF+GP 處理則使鄭麥136、鄭麥7698 的莖鞘鎘含量顯著提高，平均值增幅分別為11.6%和23.5%；6 個供試品種穗軸+穎殼鎘含量均以CMF+GP 處理最高，但不同鈍化處理間的穗軸+穎殼鎘含量存在品種間的變化差異，其中漯麥163、鄭麥136、鄭麥7698 等3 個品種均表現為CK＜CMF＜GP＜CMF+GP 處理，與CK 相比，CMF、GP、CMF+GP 處理下3 個品種穗軸+穎殼的平均鎘含量增幅分別為8.8%、15.1%、26.5%，而鑫華麥818、鄭麥9023、鑫麥296 等3 個品種則表現為CK＜GP＜CMF＜CMF+GP 處理，GP、CMF、CMF+GP 處理下3 個品種穗軸+穎殼的平均鎘含量較CK 增幅分別為9.5%、14.2%、34.6%。

2.3 土壤有效態(tài)鎘含量與成熟期冬小麥地上部各器官鎘含量相關性

由表3 可知，土壤有效態(tài)鎘含量與冬小麥地上部不同器官鎘含量之間存在不同程度的相關性，且品種間和器官間存在明顯差異。土壤有效態(tài)鎘含量與鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023 等3 個品種的莖鞘鎘含量之間存在顯著正相關，且漯麥163、鄭麥9023 的相關性達極顯著水平（P＜0.01），土壤有效態(tài)鎘含量與鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698 莖鞘鎘含量之間呈負相關，且僅與鄭麥136 的相關性達極顯著水平；土壤有效態(tài)鎘含量與鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鄭麥136、鄭麥7698 品種葉片鎘含量呈極顯著正相關；土壤有效態(tài)鎘含量與6 個供試品種的穗軸+穎殼鎘含量均呈負相關，其中與鑫華麥818、漯麥163、鄭麥136、鄭麥7698 相關性達極顯著水平（P＜0.01），與鄭麥9023 的相關性達顯著水平（P＜0.05）；兩年度籽粒鎘含量與土壤有效態(tài)鎘含量間的相關性均達顯著極顯著正相關，且2021—2022 年度土壤有效態(tài)鎘含量與鑫麥296、鄭麥7698 兩品種籽粒鎘含量的相關性較2020—2021年度相關性（r值）有顯著提高，土壤有效態(tài)鎘含量與鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鄭麥136 等4個品種的相關性連續(xù)兩年均表現為極顯著正相關（P＜0.01）。由此表明，降低土壤有效態(tài)鎘含量，阻控小麥籽粒中鎘積累，可作為修復鎘污染農田、實現小麥安全生產的主攻目標。

表3 土壤有效態(tài)鎘含量與成熟期冬小麥地上部各器官鎘含量相關性Table 3 Correlation between Cd availability in soil and Cd content in aboveground organs of winter wheat at maturity

2.4 不同處理對冬小麥鎘轉運系數與富集系數的影響

2.4.1 鎘轉運系數 由表4 可知，土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理對冬小麥地上部各器官鎘轉運系數的影響存在差異，且于同一處理下不同品種間各部位器官鎘轉運系數也有所不同。與CK 相比，僅有CMF+GP 處理顯著降低了鑫華麥818、鄭麥136和鄭麥7698 等3 個品種的TF莖鞘—葉。另外，由表4 還可以看出，土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理能顯著提高鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鑫麥296 和鄭麥7698 品種的TF莖鞘—（穗軸+穎殼），其轉運系數值大小依次表現為CMF+GP＞GP＞CMF＞CK；GP 和CMF+GP 亦能顯著降低鑫華麥818、漯麥163、鄭麥136、鄭麥7698 等4 個小麥品種的TF莖鞘—籽粒，但CMF 處理僅能顯著降低鄭麥136、鄭麥7698 兩個品種的TF莖鞘—籽粒；而CMF+GP 處理可使6 個供試小麥品種的TF葉—穎殼顯著提高，GP 可顯著提高除鄭麥9023、鑫麥296 外的4 個品種，而CMF 僅可提高鑫華麥818、鑫麥296、鄭麥136 品種的TF葉—穎殼。

表4 2021—2022 年生長季施用土壤鈍化劑與復合微生物肥對冬小麥各器官鎘轉運系數的影響Table 4 Effects of adding soil amendment and compound microbial fertilizer on Cd transport coefficients of winter wheat organs in 2021-2022 growth season

2.4.2 鎘富集系數 富集系數是用來表征植株各器官對土壤中重金屬吸收能力的重要指標。由表5 可知，土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理對冬小麥地上部各器官鎘富集系數影響效果不同，且相同處理下不同品種間各器官鎘富集系數也存在差異。兩年度土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理各供試小麥品種籽粒鎘富集系數大小依次表現為CMF+ GP＜GP＜CMF＜CK 處理，與CK 相比，CMF+GP、GP 和CMF 處理的富集系數BCF 值分別減小23.0%、16.1%和9.2%。從2021—2022 年試驗季各營養(yǎng)器官BCF 值來看，與CK 相比，土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理均能降低鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023 的BCF莖鞘，僅CMF處理對鑫華麥818 無顯著降低效果外，其余處理的降低效果均具有顯著性，降低效果為CMF+GP＞GP＞CMF，但土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理對鑫麥296 無影響效果，而GP、CMF 和CMF+GP 處理對鄭麥136、鄭麥7698 的BCF莖鞘具有顯著提高作用，GP、CMF 和CMF+GP 處理下兩品種的平均BCF莖鞘較CK 分別增大7.6%、15.2%和25.8%；CMF、GP、CMF+GP 處理還可降低6 個品種BCF葉值，其大小順序依次表現為CMF+GP＜GP＜CMF＜CK 處理，與CK 處理相比，CMF、GP、CMF+GP處理下6 個供試品種的平均BCF葉值分別減少6.5%、12.3%、19.1%；CMF、GP、CMF+GP 處理下鑫華麥818、漯麥163、鄭麥136、鄭麥7698 品種的平均BCF葉值顯著減小7.6%、16.1%、23.8%；從各處理對各供試品種BCF穗軸+穎殼的影響效果來看，與CK 相比，CMF+GP 處理可顯著提高6 個供試品種BCF穗軸+穎殼，其數值增大了31.1%；CMF 處理可顯著提高除鄭麥7698 以外其余5 個品種的BCF穗軸+穎殼，其數值增大了13.3%；而GP 處理僅可顯著提高漯麥163、鑫麥296、鄭麥136 品種的BCF穗軸+穎殼，其數值增大了20.4%。

表5 不同冬小麥品種在土壤鈍化劑與復合微生物肥處理下各器官的鎘富集系數Table 5 Cd enrichment coefficients of different winter wheat organs treated with adding soil amendment and compound microbial fertilizer

2.5 不同處理對冬小麥產量及其構成因素的影響

由表6 可以看出，土壤鈍化劑與復合微生物肥單施和等量配施處理對冬小麥產量及其構成因素具有顯著影響，且處理間、品種間存在差異。從各處理的影響效應看，CMF 和CMF+GP 處理均能提高單位面積成穗數，與CK 處理相比，兩年度單位面積平均成穗數分別提高4.1%、8.2%，而GP 處理則促使單位面積成穗數降低，其降幅為 1.1%；CMF、GP、CMF+GP 處理均能提高穗粒數、千粒重和產量，兩年度冬小麥穗粒數和產量的提高效果均為CMF+GP處理最好，其平均增幅分別為10.6%、12.4%，CMF對千粒重的提升效果最為明顯，兩年度平均增幅為3.1%。從不同小麥品種的響應看，CMF+GP 處理能顯著提高鑫華麥818、漯麥163 單位面積成穗數，兩年度平均分別提高15.3%、9.2%，CMF 處理可提高鑫華麥818、漯麥163、鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698 等5 個供試品種的單位面積成穗數，而GP處理則導致兩年度鑫華麥818、鄭麥9023 單位面積平均成穗數分別降低 2.1%、8.8%。CMF、GP、CMF+GP 處理均能提高6 個供試品種的穗粒數，且以CMF+GP 處理的效果最好，兩年度平均穗粒數大小依次為CMF+GP＞GP＞CMF＞CK 處理，3 個處理 6 個供試小麥品種的平均穗粒數增幅分別為2.5%、7.4%、10.6%；CMF+GP 處理對小麥千粒重的影響并不顯著，僅在2020—2021 年顯著提高了鄭麥136 千粒重，而CMF 處理可提高6 個供試品種千粒重，且對鑫麥296、鄭麥136 的效果最為明顯，其兩年度平均千粒重增幅分別為6.8%、7.3%，GP處理可顯著提高鑫華麥818 千粒重，成為兩年中6個品種和所有處理中最高值，其兩年度均值為56.82 g；CMF、GP、CMF+GP 處理均能顯著提高6 個品種產量，且以CMF+GP 處理的效果最好，與CK 相比，CMF、GP、CMF+GP 處理下6 個供試小麥品種的平均產量增幅分別達6.1%、5.6%、12.4%，可促使鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023、鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698 等6 個供試品種產量分別提高16.9%、9.1%、9.7%、7.9%、23.4%、7.9%。另外，從表6 還可以看出，相比2020—2021，2021—2022年度相同品種的同一處理產量均有大幅增長，這可能與豫北地區(qū)2022 年3—5 月氣溫總體偏高、無極端高低溫、適宜灌漿溫度持續(xù)時間長、平均降水量較2021 年同期增多有關。方差分析結果表明，6個供試品種間穗數、穗粒數、千粒重和產量差異顯著，土壤鈍化劑和復合微生物肥對穗數、穗粒數、千粒重和產量的影響達到極顯著水平。由此可見，品種和土壤修復材料均能顯著調控產量及其構成因素。品種與土壤修復材料的交互作用對穗粒數、千粒重影響不顯著，但顯著影響了穗數，進而顯著調控了產量。

表6 施用鈍化劑與復合微生物肥對不同冬小麥品種產量及其構成因素的影響Table 6 Effects of adding soil amendment and compound microbial fertilizer on yield and its components of different winter wheat varieties

3 討論

3.1 施用鈍化劑與復合微生物肥對土壤有效態(tài)鎘的調控效應及小麥地上部器官鎘含量的影響

有效態(tài)鎘含量是評價土壤中重金屬生物有效性的重要指標之一[25]。土壤中鎘以有效態(tài)的形式隨著土壤溶液遷移到作物根系附近，被根系吸收之后并在根壓和蒸騰拉力的作用下向地上部遷移轉運，因此土壤中重金屬有效態(tài)含量決定了植物受重金屬的毒害程度[26]。崔紅標等[27]研究表明，添加土壤改良劑能夠有效降低土壤交換性酸和交換性鋁的含量，從而改變土壤中鎘形態(tài)分布，降低土壤鎘有效態(tài)。黎大榮等[28]通過室內盆栽試驗研究發(fā)現，向土壤中添加鈍化劑蠶沙，蠶沙中有效成分包含了80%有機質，有機質中具有大量的極性基團，如羧基、羥基、羰基、氨基等，能與重金屬結合形成穩(wěn)定不溶性金屬有機復合物，從而使土壤中重金屬的有效態(tài)組分降低。本試驗通過連續(xù)兩個冬小麥生長季土壤鎘有效態(tài)研究發(fā)現，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施均能有效降低土壤有效態(tài)鎘含量，降低效果總體上表現為CMF+GP＞GP＞CMF，對土壤有效態(tài)鎘含量的降低效果以CMF+GP 最顯著，兩年度促使耕作層土壤有效態(tài)鎘平均含量顯著下降17.8%—22.4%，降幅平均值為20.1%；而土壤鈍化劑單施（GP）和復合微生物單施（CMF）的處理效果較差，僅能顯著降低部分冬小麥品種種植區(qū)耕層土壤有效態(tài)鎘含量，其中GP 處理可使耕層土壤有效態(tài)鎘平均含量下降10.8%—16.3%，平均降幅為13.0%；CMF 處理可使耕層土壤有效態(tài)鎘平均含量下降6.2%— 8.9%，平均降幅為7.5%。本研究還發(fā)現，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施對土壤有效態(tài)鎘含量的降低效果存在品種間差異，這與種植小麥品種的鎘吸收積累特性有關，土壤有效態(tài)鎘含量與不同小麥品種地上部各器官鎘的吸收積累具有相關性，結果表明，土壤有效態(tài)鎘含量與不同小麥品種、各部位器官鎘含量間的相關性存在差異變化，與鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023 各器官鎘含量呈正相關，而與鑫麥296、鄭麥136、鄭麥7698 呈負相關，與6 個供試品種的葉片、籽粒中鎘含量呈正相關，而與穗軸+穎殼的鎘含量則呈負相關。

3.2 施用鈍化劑與復合微生物肥對冬小麥鎘轉運系數與富集系數的影響

已有研究表明，鎘脅迫下同一小麥品種不同器官間對鎘的富集、轉運能力存在差異，不同品種的相同器官之間的富集、轉運能力也不盡相同[29]，冬小麥對土壤鎘的吸收富集能力和器官之間對鎘由下向上的內部轉運能力是影響小麥籽粒安全生產的重要指標[30]。土壤鈍化劑中含有的元素可與土壤鎘之間存在拮抗作用，能夠進一步降低植物對鎘的吸收，以調控植物體內鎘的遷移和轉運[31]。張靜靜等[32]通過向豫北弱堿性鎘重度污染農田（鎘全量4.3 mg·kg-1）添加土壤改良劑發(fā)現，褐煤2%和雞糞2%可顯著降低冬小麥莖葉鎘含量32.7%、22.7%，褐煤1%可降低小麥籽粒鎘含量56.5%；HUANG 等[33]通過土壤中添加0.1%和0.2%MnSO4發(fā)現，土施MnSO4能夠增強冬小麥的抗氧化系統(tǒng)，改變根系中鎘的化學形態(tài)分布和亞細胞分布，下調了小麥根系中轉運基因TaNramp5、TaHMA2和TaLCT1的表達，介導了小麥根系鎘濃度的降低，并通過上調TaHMA3的表達增加了鎘向液泡的固存，進而降低小麥根、莖、葉和籽粒中鎘含量。本研究的結果表明，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施能夠有效降低冬小麥籽粒鎘含量，以土壤鈍化劑和復合微生物肥等量配施處理（CMF+GP）的降低效果最顯著，平均降低了24.0%，復合微生物肥單施處理（CMF）的降低效果最小，僅降低了8.2%，但不同小麥品種阻控籽粒鎘積累的方式有所差異。本試驗中同一品種不同修復處理的BCF葉、BCF籽粒和TF莖鞘—籽粒值最高相差了0.44、0.05 和0.18，而同一處理的不同品種的BCF葉、BCF籽粒和TF莖鞘—籽粒值最高相差了0.56、0.1 和0.26，說明不同小麥品種BCF葉、BCF籽粒和TF秸稈—籽粒的差異主要由遺傳因素決定。井永蘋等[34]通過對20 個小麥籽粒鎘積累差異品種研究發(fā)現，不同品種間BCF籽粒范圍為0.038—0.355，TF秸稈—籽粒最大值是最小值的2.15 倍，這與本試驗研究結果基本一致。牟力[35]發(fā)現，生石灰、有機肥和鈍化劑的單施和配施對3 個水稻品種的TF秸稈—稻殼的影響效果不同，對于中浙優(yōu)1 號，生石灰、有機肥、生石灰+鈍化劑1、生石灰+鈍化劑2、生石灰+鈍化劑4 具有提升作用，而生石灰+有機肥、生石灰+鈍化劑3 可使TF秸稈—稻殼降低；對于宜香優(yōu)2115，除生石灰+鈍化劑4 外，其余處理均具有提高作用；對于渝香203，生石灰、有機肥、生石灰+有機肥、生石灰+鈍化劑3 可提高TF秸稈—稻殼，其余處理具有降低作用。本試驗中，復合微生物肥與鈍化劑的單施和等量配施對不同冬小麥品種的BCF莖鞘、TF莖鞘—（穗軸+穎殼）也具有不同的影響效果，對于BCF莖鞘，CMF、GP、CMF+GP 處理使鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023 降低，使鄭麥136提高，僅CMF、CMF+GP 處理使鄭麥7698 提高；對于TF莖鞘—（穗軸+穎殼），CMF、GP、CMF+GP 處理使鑫華麥818、漯麥163、鄭麥9023 提高，CMF、CMF+GP 處理降低鄭麥136 的TF莖鞘—葉，GP、CMF+GP 處理使鄭麥7698 提高。對于鑫華麥818，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施主要通過降低TF莖鞘—葉、TF莖鞘—籽粒，增大TF莖鞘—（穗軸+穎殼）、TF葉—（穗軸+穎殼），使BCF莖鞘、BCF葉降低，促使小麥體內鎘含量向穗軸+穎殼轉移，以達到減小BCF籽粒，降低其籽粒鎘含量；土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施對漯麥163 和鄭麥9023 籽粒鎘的阻控機理基本與鑫華麥818 一致；對于鑫麥296，與其他品種不同的是土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施并未有效降低其TF莖鞘—葉，導致了鑫麥296的BCF莖鞘也未發(fā)生改變，僅土壤鈍化劑和復合微生物肥等量配施處理（CMF+GP）的BCF籽粒顯著降低；對于鄭麥136，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施并未增大TF莖鞘—（穗軸+穎殼），相反卻增大了BCF莖鞘，從而降低BCF籽粒，達到對籽粒鎘的阻控效果，由此說明，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施處理可使鄭麥136 器官內鎘固定在其莖鞘器官，減少體內鎘的進一步轉移；對于鄭麥7698，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施對其各個地上部器官間的轉運系數影響基本與鑫華麥818、漯麥163 和鄭麥9023 一致，但其BCF莖鞘出現了增大趨勢，這可能與地下部器官的轉運能力有關，由于本試驗未檢測地下部器官鎘含量，其調控機制有待深入研究。

另有研究發(fā)現，在低鎘污染土壤中供試小麥品種各部位富集鎘能力為：葉＞莖≈根＞籽粒，小麥各器官之間存在密切的轉運關系，且根向莖和莖向葉轉運的程度高于莖向籽粒和葉向籽粒的轉運程度[15]。本文研究結果與其基本一致，認為施用土壤鈍化劑與復合微生物肥對冬小麥鎘的轉運與富集影響是通過調控各器官間富集和轉運系數，但對不同品種的BCF莖鞘和TF莖鞘—（穗軸+穎殼）的影響效果不同，而最終均能減少冬小麥籽粒對土壤中鎘的積累，并發(fā)現在輕度鎘污染弱堿性農田中，冬小麥地上部各器官鎘的富集能力為：葉＞莖≈穗軸+穎殼＞籽粒，莖鞘向葉轉運的程度遠高于莖鞘向穗軸+穎殼、莖鞘向籽粒、葉向穗軸+穎殼、葉向籽粒的轉運程度，且葉的富集能力高于莖鞘、穗軸+穎殼、籽粒。

3.3 施用鈍化劑與復合微生物肥對冬小麥產量及其構成因素的調控效應

穗數、穗粒數和千粒重對鎘脅迫條件下的冬小麥產量具有直接影響作用[36]。張運紅等[37]通過盆栽添加土壤改良劑試驗發(fā)現，不同土壤改良劑提高小麥產量的方式并不相同，生物炭主要通過提高粒重達到增產效果，增施腐殖酸有機肥和海藻復合物則通過提高穗粒數實現增產。本研究結果表明，土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施能夠影響冬小麥產量及其構成因素，CMF 和CMF+GP 處理可使小麥平均成穗數分別提高4.1%和8.2%，而GP 處理導致成穗數降低1.1%；CMF、GP 及CMF+GP 處理均能提高穗粒數、千粒重和產量，且對小麥穗粒數和產量的提升效果均以CMF+GP 處理最顯著，兩年度平均增幅分別達10.6%和12.4%，CMF 對千粒重的提升效果最為明顯，兩年度平均增幅為3.1%。相同處理下不同冬小麥品種間的產量及其構成因素存在差異，但CMF+GP 處理兩年度鄭麥136 的產量最高，分別為7 301.17 和10 485.32 kg·hm-2。本文對產量及其構成因素方差分析結果表明，土壤修復材料和品種的選用對冬小麥產量及其構成因素具有顯著的調控效應，且品種、土壤鈍化劑（GP）與復合微生物肥（CMF）的單施與等量配施處理的調控效應均達顯著或極顯著水平，但土壤修復材料和品種結合對產量的調控主要是通過調控穗數達到增產目的。另有研究通過在油菜中添加不同類型的土壤改良劑發(fā)現[38]，不同土壤改良劑能夠降低微量金屬污染（TM）的生物有效性，增產效果為石灰+動物糞便堆肥＞石膏+灰煤灰＞石灰＞石膏＞灰煤灰＞石灰+石膏，并不是所有土壤改良劑配施效果均優(yōu)于單施，這可能與不同土壤鈍化材料間存在化學反應的互作關系，其調控的互作機理機制有待進一步深入探究。

4 結論

土壤鈍化劑（GP）與復合微生物肥（CMF）單施和等量配施（CMF+GP）能夠降低土壤有效態(tài)鎘含量，調控鎘在不同品種冬小麥器官間富集和轉運系數，最終有效降低籽粒鎘含量，其調控效果表現為CMF+GP＞GP＞CMF 處理。土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施能夠影響冬小麥產量及其構成因素，CMF、GP、CMF+GP 處理均能提高穗粒數、千粒重和產量，且對小麥穗粒數和產量的提升效果均以CMF+GP 處理最顯著，CMF 對千粒重的提升效果最為明顯，而土壤鈍化劑和復合微生物肥單施和等量配施與品種的交互效應主要是通過調控穗數實現增產，兩年度試驗均以CMF+GP處理的鄭麥136的產量最高，分別為7 301.17和10 485.32 kg·hm-2，鄭麥136 籽粒鎘含量分別為0.033 和0.035 mg·kg-1，遠低于國家安全限制標準（GB 2762—2022，谷物≤0.1 mg·kg-1）。因此，在本試驗條件下，采用復合微生物肥與土壤鈍化劑等量配施并搭配低鎘吸收積累高產小麥品種鄭麥136，可實現豫北弱堿性鎘輕度污染農田冬小麥的高產栽培與安全生產。