受鎘污染耕地小麥種植中安全利用措施優(yōu)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(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310005； 3.長(zhǎng)興縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)總站，浙江 湖州 313199)

2014年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國(guó)耕地土壤鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)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(nóng)作物吸收而進(jìn)入食物鏈，長(zhǎng)期攝入對(duì)人體的皮膚、骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)臟器官等會(huì)造成不同程度的危害[1-3]。小麥?zhǔn)俏覈?guó)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(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保障小麥安全生產(chǎn)具有重要意義。目前，土壤調(diào)理劑、葉面阻控劑施用是解決小麥種植過(guò)程中安全利用的重要措施。土壤調(diào)理劑可調(diào)節(jié)土壤pH、氧化還原電位(Eh)、陽(yáng)離子交換量(CEC)等，同時(shí)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(duì) Cd 的吸收[4]。已有研究表明，鈣粉[5]、硅粉[6]、過(guò)磷酸鈣[7]、鈣鎂磷肥[8]、生物質(zhì)炭[9]、骨炭[10]等調(diào)理劑均可降低土壤有效態(tài)Cd，減少植物對(duì)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(guò)直接調(diào)控葉片對(duì)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(diào)理劑品種繁多，不同調(diào)理劑的性質(zhì)與組成、作用機(jī)理以及在土壤重金屬治理的效果差異也較大[11-16]。不同類(lèi)型土壤調(diào)理劑對(duì)土壤 Cd 污染治理效果存在差異，且用量也決定了調(diào)理劑效果[17]。對(duì)于中度重金屬Cd污染農(nóng)田采用單一修復(fù)技術(shù)很難達(dá)到修復(fù)效果，而現(xiàn)有試驗(yàn)基本是圍繞單一措施開(kāi)展，采用土壤鈍化、葉面阻控和養(yǎng)分調(diào)控的組合研究較少[18]。響應(yīng)面法(RSM)是一種基于用二元多次回歸的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，通過(guò)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，研究多因素間交互作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)變量及響應(yīng)目標(biāo)的優(yōu)化。本文采用響應(yīng)面法(RSM) 中的Box-Behnken Design(BBD)系統(tǒng)研究土壤調(diào)理劑(A)、葉面阻控劑(B)和養(yǎng)分調(diào)理(C)等措施在小麥種植中的降鎘效果，探尋最優(yōu)組合，并比較不同類(lèi)型土壤調(diào)理劑的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥種植過(guò)程中安全利用措施條件的優(yōu)化，為受鎘污染耕地小麥安全利用技術(shù)推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在浙江省湖州市長(zhǎng)興縣小浦鎮(zhèn)(30°43′～31°11′N(xiāo)，119°33′～120°06′E)，地處浙江省北部，長(zhǎng)江三角洲杭嘉湖平原。屬亞熱帶海洋性季風(fēng)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(xié)調(diào)。年平均氣溫15.6 ℃，年降水量 1 309 mm，年日照時(shí)數(shù)1 810 h。耕層土壤pH為5.52，有機(jī)質(zhì)、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(zhèn)麥12。

1.2 試驗(yàn)材料

供試的土壤調(diào)理劑(標(biāo)記為A)包括肥料型土壤調(diào)理劑(山東世豐土壤調(diào)理劑)、生物型土壤調(diào)理劑(南京寧糧土壤生物修復(fù)菌劑)、腐殖酸型土壤調(diào)理劑(豐瑜沃土寶)，葉面阻控劑(標(biāo)記為B)選自江蘇天象1號(hào)。有機(jī)肥(標(biāo)記為C)選擇長(zhǎng)興當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常用有機(jī)肥。田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理進(jìn)行。

1.3 處理設(shè)計(jì)

以土壤調(diào)理劑(A)、葉面阻控劑(B)和有機(jī)肥(C)3個(gè)因素為試驗(yàn)因子，每個(gè)因子取3個(gè)水平(表1)，采用Box-Behnken方法分別對(duì)三種調(diào)理劑進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表2)。每種類(lèi)型調(diào)理劑設(shè)置9個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)因素和水平設(shè)置

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

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

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行整理，運(yùn)用SPSS 26進(jìn)行單因素方差分析。應(yīng)用軟件Design Expert中的Box-Behnken方法進(jìn)行試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)及結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料型調(diào)理劑組合試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)分析不同處理的小麥產(chǎn)量和籽粒鎘含量發(fā)現(xiàn)(表2)，9個(gè)處理的小麥667 m2平均產(chǎn)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(gè)處理間均無(wú)顯著性差異。在667 m2500 kg的調(diào)理劑施用水平下，有機(jī)肥和葉面阻控劑的施用量和施用次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量無(wú)顯著影響；在667 m2350 kg的調(diào)理劑施用水平下，小麥產(chǎn)量比每667 m2施用500 kg調(diào)理劑的處理增大，并且在拔節(jié)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(chǎn)量顯著增大；在每667 m2200 kg的調(diào)理劑施用水平下，有機(jī)肥和葉面阻控劑的施用量和施用次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量無(wú)顯著影響。隨著調(diào)理劑施用量的減少，三類(lèi)產(chǎn)品的組合降鎘率有增加的趨勢(shì)，并以200 kg的調(diào)理劑施用量增加的更為明顯。

表2 肥料型調(diào)理劑組合試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖1)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥在每667 m2200 kg的施用水平下，調(diào)理劑施入量增加會(huì)導(dǎo)致小麥產(chǎn)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(duì)小麥產(chǎn)量影響較?。坏S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(jī)肥500 kg施用水平下，阻控劑效果大于調(diào)理劑效果，可減施調(diào)理劑。響應(yīng)曲面分析結(jié)果表明，500 kg有機(jī)肥配施78 kg世豐調(diào)理劑并且噴施2次葉面阻控劑可達(dá)到較理想的安全利用效果，即每667 m2小麥產(chǎn)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(yīng)分析(世豐調(diào)理劑)

2.2 生物型調(diào)理劑組合試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)分析不同處理的小麥產(chǎn)量和籽粒鎘含量發(fā)現(xiàn)(表3)，9個(gè)處理的平均每667 m2小麥產(chǎn)量為321 kg，籽粒平均鎘含量為0.26 mg·kg-1。在同一調(diào)理劑施用水平下，有機(jī)肥和阻控劑的施用量和施用次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響差異不顯著；在300 kg的調(diào)理劑施用量下，有機(jī)肥和阻控劑的施用量和施用次數(shù)對(duì)小麥籽粒鎘含量的影響差異也不顯著；在200 kg的調(diào)理劑施用量下，拔節(jié)期噴施葉面阻控劑顯著增大了籽粒鎘的含量；在100 kg的調(diào)理劑施用量下，拔節(jié)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(diào)理劑施用量的減少，三類(lèi)產(chǎn)品的組合降鎘率有先升高再下降的趨勢(shì)。

表3 生物型調(diào)理劑組合試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2)，每667 m2有機(jī)肥施用水平為0 kg時(shí)，單施阻控劑，隨施入量的增加小麥籽粒鎘含量呈下降趨勢(shì)；隨著有機(jī)肥施用水平提高，單施調(diào)理劑效果逐步優(yōu)于單施阻控劑。響應(yīng)曲面分析結(jié)果表明，300 kg寧糧調(diào)理劑配施200 kg有機(jī)肥可達(dá)到較理想的安全利用效果，即小麥產(chǎn)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(yīng)分析(寧糧調(diào)理劑)

2.3 腐殖酸型調(diào)理劑組合試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)分析不同處理的小麥產(chǎn)量、籽粒鎘含量發(fā)現(xiàn)(表4)，各處理每667 m2小麥產(chǎn)量平均為336 kg，籽粒平均鎘含量為0.35 mg·kg-1。在同一調(diào)理劑施用水平下，有機(jī)肥和阻控劑的施用量和施用次數(shù)對(duì)小麥籽粒鎘含量的影響差異不顯著。其中處理4小麥產(chǎn)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(diào)理劑組合試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果(圖3)表明，不同有機(jī)肥施用水平下，單施調(diào)理劑時(shí)，小麥籽粒鎘含量均隨施入量的增加而降低，相對(duì)而言單施調(diào)理劑效果優(yōu)于單施阻控劑；增加調(diào)理劑并減少阻控劑用量對(duì)鎘在小麥籽粒中的積累有一定的阻控效果。當(dāng)有機(jī)肥施用水平提高時(shí)，調(diào)理劑與阻控劑可能協(xié)同促進(jìn)鎘在小麥籽粒中的積累。響應(yīng)曲面分析結(jié)果表明，667 m2單施1 000 kg豐瑜調(diào)理劑即可達(dá)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(yīng)分析(豐瑜沃土寶)

3 討論

施用土壤調(diào)理劑在一定程度上能改善土壤環(huán)境，有利于土壤養(yǎng)分的活化，進(jìn)而促進(jìn)小麥增產(chǎn)。一般認(rèn)為，施用土壤調(diào)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(diào)理劑后，土壤理化性質(zhì)會(huì)隨之發(fā)生改變，改變土壤中重金屬的形態(tài)，進(jìn)而影響其遷移性與活性。本研究中，從小麥產(chǎn)量上分析，三種類(lèi)型的調(diào)理劑組合均能一定程度上提高小麥產(chǎn)量，一方面可能是三種類(lèi)型的調(diào)理劑均含有促進(jìn)小麥生長(zhǎng)的元素，另一方面可能是三種類(lèi)型調(diào)理劑均降低了土壤中鎘離子的活性，緩解了鎘對(duì)小麥的毒害作用，有利于小麥增產(chǎn)，這與張濟(jì)世等[20]的研究結(jié)果相一致。研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸型土壤調(diào)理劑組合的小麥平均產(chǎn)量最高，肥料型土壤調(diào)理劑組合的小麥平均產(chǎn)量最低，表明肥料型調(diào)理劑的增產(chǎn)效果不明顯，這可能與腐殖酸能夠刺激根系吸收養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，且能夠促進(jìn)作物對(duì)Mg+和Fe+的吸收，增加葉綠素含量，促進(jìn)干物質(zhì)積累有關(guān)[21]。

小麥籽粒鎘含量取決于土壤中有效鎘含量以及植物對(duì)鎘的吸收能力[22]。本研究結(jié)果反映出不同類(lèi)型調(diào)理劑對(duì)籽粒鎘含量的影響存在較大差異，生物型調(diào)理劑配施葉面阻控劑的效果最佳，其次是肥料型調(diào)理劑，腐殖酸型調(diào)理劑對(duì)降低籽粒鎘含量的效果不明顯。葉面肥噴施于葉片，通過(guò)氣孔、角質(zhì)層等直接進(jìn)入葉片內(nèi)部，進(jìn)而影響植株的生長(zhǎng)[23]。本試驗(yàn)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白產(chǎn)生鋅/鎘拮抗作用[22]，從而調(diào)控根系中的鎘向葉片和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。

土壤調(diào)理劑是通過(guò)改變土壤環(huán)境中的化學(xué)狀態(tài)，如 pH、Eh、CEC 等，同時(shí)通過(guò)絡(luò)合、吸附、沉淀、共沉淀的方式降低土壤中游離態(tài) Cd 的含量，進(jìn)而降低其生物有效性[4]，噴施葉面肥通過(guò)直接調(diào)控葉片對(duì)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(lián)合能更加有效地降低作物地上部對(duì)鎘的吸收，二者按一定比例配施，可達(dá)到最佳降鎘效果[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在葉面阻控劑的噴施次數(shù)相同的情況下，不同類(lèi)型的土壤調(diào)理劑的小麥產(chǎn)量與籽粒鎘含量均有差異，同種類(lèi)型土壤調(diào)理劑的不同施肥條件下也有所不同。當(dāng)土壤調(diào)理劑施用量相同時(shí)，噴施兩次葉面阻控劑并不是在每個(gè)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(huán)境較溫室內(nèi)環(huán)境較差，由于溫度、紫外線、刮風(fēng)或者起露等原因，造成本來(lái)噴施的高濃度受到稀釋或者減少，所以才造成沒(méi)有下降的情況。

4 小結(jié)

不同類(lèi)別調(diào)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(diào)理劑組合效果最佳，肥料型土壤調(diào)理劑可能存在增加籽粒鎘積累的風(fēng)險(xiǎn)，腐殖酸型土壤調(diào)理劑施用量需提高。響應(yīng)曲面分析結(jié)果顯示，每667 m2300 kg寧糧調(diào)理劑配施200 kg有機(jī)肥有望實(shí)現(xiàn)較理想的安全利用效果，即每667 m2小麥產(chǎn)量353 kg、小麥籽粒鎘含量0.058 mg·kg-1、降鎘率84.6%。