受镉污染耕地小麦种植中安全利用措施优化研究

喻曼， 潘建清， 高敬文， 乔宇颖， 汪玉磊， 朱有为*

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2.浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江 杭州 310005； 3.长兴县农业技术推广服务总站，浙江 湖州 313199)

2014年环境保护部发布的全国土壤污染状况调查公报显示，我国耕地土壤镉污染点位超标率达7%，居重金属污染第一位。其中，重金属镉在土壤中具有较高的迁移性，易被农作物吸收而进入食物链，长期摄入对人体的皮肤、骨骼、神经系统和内脏器官等会造成不同程度的危害[1-3]。小麦是我国的主粮作物，降低镉在小麦中的富集能够有效降低人体重金属镉摄入风险，对保障小麦安全生产具有重要意义。目前，土壤调理剂、叶面阻控剂施用是解决小麦种植过程中安全利用的重要措施。土壤调理剂可调节土壤pH、氧化还原电位(Eh)、阳离子交换量(CEC)等，同时可吸附、沉淀、共沉淀土壤中游离的 Cd，从而降低 Cd 的生物有效性，减少作物对 Cd 的吸收[4]。已有研究表明，钙粉[5]、硅粉[6]、过磷酸钙[7]、钙镁磷肥[8]、生物质炭[9]、骨炭[10]等调理剂均可降低土壤有效态Cd，减少植物对Cd的吸收。另外，喷施叶面肥降低植物重金属累积的效果也较明显，因其可以通过直接调控叶片对重金属的吸收影响根系和其他部位重金属的富集[6]。土壤调理剂品种繁多，不同调理剂的性质与组成、作用机理以及在土壤重金属治理的效果差异也较大[11-16]。不同类型土壤调理剂对土壤 Cd 污染治理效果存在差异，且用量也决定了调理剂效果[17]。对于中度重金属Cd污染农田采用单一修复技术很难达到修复效果，而现有试验基本是围绕单一措施开展，采用土壤钝化、叶面阻控和养分调控的组合研究较少[18]。响应面法(RSM)是一种基于用二元多次回归的试验设计和优化方法，通过拟合因素与响应值之间的函数关系，研究多因素间交互作用，从而实现对设计变量及响应目标的优化。本文采用响应面法(RSM) 中的Box-Behnken Design(BBD)系统研究土壤调理剂(A)、叶面阻控剂(B)和养分调理(C)等措施在小麦种植中的降镉效果，探寻最优组合，并比较不同类型土壤调理剂的效果，实现对小麦种植过程中安全利用措施条件的优化，为受镉污染耕地小麦安全利用技术推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地设在浙江省湖州市长兴县小浦镇(30°43′～31°11′N，119°33′～120°06′E)，地处浙江省北部，长江三角洲杭嘉湖平原。属亚热带海洋性季风气候，光照充足、气候温和、降水充沛、四季分明、雨热同季、温光协调。年平均气温15.6 ℃，年降水量 1 309 mm，年日照时数1 810 h。耕层土壤pH为5.52，有机质、全氮含量分别为35.8、2.0 g·kg-1，碱解氮、速效钾、有效磷含量分别为176.87、946.05、6.92 mg·kg-1。供试小麦品种为镇麦12。

1.2 试验材料

供试的土壤调理剂(标记为A)包括肥料型土壤调理剂(山东世丰土壤调理剂)、生物型土壤调理剂(南京宁粮土壤生物修复菌剂)、腐殖酸型土壤调理剂(丰瑜沃土宝)，叶面阻控剂(标记为B)选自江苏天象1号。有机肥(标记为C)选择长兴当地农户常用有机肥。田间管理按当地常规管理进行。

1.3 处理设计

以土壤调理剂(A)、叶面阻控剂(B)和有机肥(C)3个因素为试验因子，每个因子取3个水平(表1)，采用Box-Behnken方法分别对三种调理剂进行试验设计(表2)。每种类型调理剂设置9个处理，每个处理3个重复。

表1 试验因素和水平设置

1.4 测定项目与方法

小麦籽粒镉含量采用电感耦合等离子体质谱法(GB 5009.268—2016)测定。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行整理，运用SPSS 26进行单因素方差分析。应用软件Design Expert中的Box-Behnken方法进行试验处理设计及结果分析。

2 结果与分析

2.1 肥料型调理剂组合试验结果分析

通过分析不同处理的小麦产量和籽粒镉含量发现(表2)，9个处理的小麦667 m2平均产量为306 kg，籽粒平均镉含量为0.26 mg·kg-1，并且籽粒镉含量在各个处理间均无显著性差异。在667 m2500 kg的调理剂施用水平下，有机肥和叶面阻控剂的施用量和施用次数对小麦产量无显著影响；在667 m2350 kg的调理剂施用水平下，小麦产量比每667 m2施用500 kg调理剂的处理增大，并且在拔节期、抽穗初期喷施叶面阻控剂和不喷施叶面阻控剂的处理产量显著增大；在每667 m2200 kg的调理剂施用水平下，有机肥和叶面阻控剂的施用量和施用次数对小麦产量无显著影响。随着调理剂施用量的减少，三类产品的组合降镉率有增加的趋势，并以200 kg的调理剂施用量增加的更为明显。

表2 肥料型调理剂组合试验结果

通过对以上试验结果进行统计分析(图1)，发现有机肥在每667 m2200 kg的施用水平下，调理剂施入量增加会导致小麦产量减小、小麦籽粒镉含量增加和降镉效率降低，叶面阻控剂喷施对小麦产量影响较小；但随着叶面阻控剂施用量的增加，小麦籽粒镉含量降低和降镉效率增大。如果每667 m2有机肥500 kg施用水平下，阻控剂效果大于调理剂效果，可减施调理剂。响应曲面分析结果表明，500 kg有机肥配施78 kg世丰调理剂并且喷施2次叶面阻控剂可达到较理想的安全利用效果，即每667 m2小麦产量376 kg、小麦籽粒镉含量0.028 mg·kg-1、降镉率92.6%。

图1 三因素交互作用下每667 m2小麦籽粒镉积累量的曲面响应分析(世丰调理剂)

2.2 生物型调理剂组合试验结果分析

通过分析不同处理的小麦产量和籽粒镉含量发现(表3)，9个处理的平均每667 m2小麦产量为321 kg，籽粒平均镉含量为0.26 mg·kg-1。在同一调理剂施用水平下，有机肥和阻控剂的施用量和施用次数对小麦产量的影响差异不显著；在300 kg的调理剂施用量下，有机肥和阻控剂的施用量和施用次数对小麦籽粒镉含量的影响差异也不显著；在200 kg的调理剂施用量下，拔节期喷施叶面阻控剂显著增大了籽粒镉的含量；在100 kg的调理剂施用量下，拔节期喷施叶面阻控剂的籽粒镉含量显著低于不喷施叶面阻控剂的。随着调理剂施用量的减少，三类产品的组合降镉率有先升高再下降的趋势。

表3 生物型调理剂组合试验结果

通过对以上试验结果进行统计分析(图2)，每667 m2有机肥施用水平为0 kg时，单施阻控剂，随施入量的增加小麦籽粒镉含量呈下降趋势；随着有机肥施用水平提高，单施调理剂效果逐步优于单施阻控剂。响应曲面分析结果表明，300 kg宁粮调理剂配施200 kg有机肥可达到较理想的安全利用效果，即小麦产量353 kg、小麦籽粒镉含量0.058 mg·kg-1、降镉率84.6%。

图2 三因素交互作用下每667 m2小麦籽粒镉积累量的曲面响应分析(宁粮调理剂)

2.3 腐殖酸型调理剂组合试验结果分析

通过分析不同处理的小麦产量、籽粒镉含量发现(表4)，各处理每667 m2小麦产量平均为336 kg，籽粒平均镉含量为0.35 mg·kg-1。在同一调理剂施用水平下，有机肥和阻控剂的施用量和施用次数对小麦籽粒镉含量的影响差异不显著。其中处理4小麦产量最高，为458.59 kg，显著高于其他处理，处理5的组合降镉效率最高，降镉率为27%。

表4 腐殖酸型调理剂组合试验结果

通过对以上试验结果进行统计分析，结果(图3)表明，不同有机肥施用水平下，单施调理剂时，小麦籽粒镉含量均随施入量的增加而降低，相对而言单施调理剂效果优于单施阻控剂；增加调理剂并减少阻控剂用量对镉在小麦籽粒中的积累有一定的阻控效果。当有机肥施用水平提高时，调理剂与阻控剂可能协同促进镉在小麦籽粒中的积累。响应曲面分析结果表明，667 m2单施1 000 kg丰瑜调理剂即可达到较理想的安全利用效果。

图3 三因素交互作用下每667 m2小麦籽粒镉积累量的曲面响应分析(丰瑜沃土宝)

3 讨论

施用土壤调理剂在一定程度上能改善土壤环境，有利于土壤养分的活化，进而促进小麦增产。一般认为，施用土壤调理剂是降低土壤重金属有效性与作物吸收积累的有效措施之一[19]，施加土壤调理剂后，土壤理化性质会随之发生改变，改变土壤中重金属的形态，进而影响其迁移性与活性。本研究中，从小麦产量上分析，三种类型的调理剂组合均能一定程度上提高小麦产量，一方面可能是三种类型的调理剂均含有促进小麦生长的元素，另一方面可能是三种类型调理剂均降低了土壤中镉离子的活性，缓解了镉对小麦的毒害作用，有利于小麦增产，这与张济世等[20]的研究结果相一致。研究发现，腐殖酸型土壤调理剂组合的小麦平均产量最高，肥料型土壤调理剂组合的小麦平均产量最低，表明肥料型调理剂的增产效果不明显，这可能与腐殖酸能够刺激根系吸收养分，促进作物生长发育，且能够促进作物对Mg+和Fe+的吸收，增加叶绿素含量，促进干物质积累有关[21]。

小麦籽粒镉含量取决于土壤中有效镉含量以及植物对镉的吸收能力[22]。本研究结果反映出不同类型调理剂对籽粒镉含量的影响存在较大差异，生物型调理剂配施叶面阻控剂的效果最佳，其次是肥料型调理剂，腐殖酸型调理剂对降低籽粒镉含量的效果不明显。叶面肥喷施于叶片，通过气孔、角质层等直接进入叶片内部，进而影响植株的生长[23]。本试验使用的叶面肥含多种微量元素以及氨基酸，其中锌可以使叶片中锌镉共用的膜转运蛋白产生锌/镉拮抗作用[22]，从而调控根系中的镉向叶片和籽粒转运。

土壤调理剂是通过改变土壤环境中的化学状态，如 pH、Eh、CEC 等，同时通过络合、吸附、沉淀、共沉淀的方式降低土壤中游离态 Cd 的含量，进而降低其生物有效性[4]，喷施叶面肥通过直接调控叶片对重金属的吸收影响根系和其他部位重金属的富集[5]，研究表明，土壤钝化与叶面阻控联合能更加有效地降低作物地上部对镉的吸收，二者按一定比例配施，可达到最佳降镉效果[20]。本研究发现，在叶面阻控剂的喷施次数相同的情况下，不同类型的土壤调理剂的小麦产量与籽粒镉含量均有差异，同种类型土壤调理剂的不同施肥条件下也有所不同。当土壤调理剂施用量相同时，喷施两次叶面阻控剂并不是在每个处理中都降低了籽粒镉含量，这可能是在野外喷施情况下，环境较温室内环境较差，由于温度、紫外线、刮风或者起露等原因，造成本来喷施的高浓度受到稀释或者减少，所以才造成没有下降的情况。

4 小结

不同类别调理剂组合在小麦种植中的降镉效果存在明显差异，平均降镉率以生物型土壤调理剂组合效果最佳，肥料型土壤调理剂可能存在增加籽粒镉积累的风险，腐殖酸型土壤调理剂施用量需提高。响应曲面分析结果显示，每667 m2300 kg宁粮调理剂配施200 kg有机肥有望实现较理想的安全利用效果，即每667 m2小麦产量353 kg、小麦籽粒镉含量0.058 mg·kg-1、降镉率84.6%。