小麦品种与生物有机肥联合修复农田镉污染研究
2017-12-25陈亮妹于倩倩胡兆云王成雨李江遐叶文玲吴林春崔俊义马友华
陈亮妹，于倩倩，胡兆云，王成雨，李江遐，叶文玲，吴林春，崔俊义，马友华
(1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036； 2.安徽省铜陵市义安区农业环保站，安徽铜陵 244000； 3.安徽农业大学农学院，安徽合肥 230036)
小麦品种与生物有机肥联合修复农田镉污染研究
陈亮妹1，于倩倩1，胡兆云2，王成雨3，李江遐1，叶文玲1，吴林春1，崔俊义1，马友华1
(1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036； 2.安徽省铜陵市义安区农业环保站，安徽铜陵 244000； 3.安徽农业大学农学院，安徽合肥 230036)
为筛选Cd积累低且产量较高的小麦品种,以6个北方小麦品种和6个南方小麦品种为试材，在安徽铜陵选取Cd重度污染与未污染农田进行小麦品种与生物有机肥联合修复田间对比试验。结果表明，Cd未污染农田中各小麦品种除了泰山24外籽粒Cd含量均未达到国家粮食安全标准；Cd重度污染农田中小麦籽粒Cd含量为1.21～2.41 mg·kg-1，Cd均超标，南方小麦品种较北方品种籽粒中Cd含量更高且差异性更大；施用生物有机肥可降低Cd重度污染农田中各小麦品种的Cd含量，降低百分率为1.7%～57.8%，平均降低29.9%。施用生物有机肥的Cd重度污染农田中各小麦品种籽粒Cd 含量与小麦茎、叶的Cd含量极显著正相关。Cd重度污染农田较Cd未污染农田各小麦品种产量均显著降低，平均减产率46.2%；使用生物有机肥使Cd重度污染农田小麦平均增产15.7%。各小麦品种籽粒Cd含量与产量极显著负相关。扬麦20、宁麦8号为籽粒Cd积累量较低、产量较高的品种；施用生物有机肥可有效降低小麦籽粒Cd含量、增加小麦产量。
小麦；品种；农田土壤；Cd；生物有机肥
随着工农业生产的迅猛发展，一些地区农田土壤中重金属镉(Cd)含量急剧增加，使得作物的Cd积累量日益增加，著名的痛痛病就是由于食用Cd超标大米引起的[1]。Cd是毒性最强的重金属元素之一[2]，土壤重金属污染具有隐蔽性、潜伏性、累积性和难治理性等特点，受重金属污染的土壤可能需要上百年才能恢复正常[3-4]。近年来，相关专家就农田重金属污染提出了钝化剂修复、超积累植物吸收、低积累作物筛选等行之有效的治理方法[5]。小麦是我国主要的粮食作物，不同小麦品种对Cd的吸收、积累存在较大差异。筛选和培育对重金属低积累、高耐性的小麦品种是保证小麦粮食安全有效的方法之一[6]。小麦的生长具有区域性，在重金属重度污染农田筛选适合区域种植的低积累品种、配合钝化修复措施对重金属污染农田小麦安全生产具有重要意义。
本研究在铜陵县某硫铁矿区Cd重度污染农田及非污染农田，选用12个小麦品种进行Cd积累比较试验，并配合生物有机肥修复措施，以期筛选出适宜铜陵地区重金属污染农田种植的Cd低积累小麦品种，为重金属Cd污染地区的小麦安全生产提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试点概况与供试材料
1.1.1 试点概况
试验于安徽省铜陵市某矿区重金属污染和未污染农田进行。试验区土壤为红壤土。Cd重度污染农田土壤Cd含量1.83 mg·kg-1，有效态Cd含量为1.36 mg·kg-1，碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量分别为120.27 mg·kg-1、19.15 mg·kg-1、74.32 mg·kg-1、23.66 g·kg-1，pH为5.03左右，CEC含量为12.95 cmol·kg-1；未污染土壤Cd含量为0.26 mg·kg-1，有效态Cd含量为0.17 mg·kg-1，碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量分别为123.57 mg·kg-1、19.78 mg·kg-1、81.25 mg·kg-1、25.71 g·kg-1， pH为6.51左右，CEC含量为14.79 cmol·kg-1。
1.1.2 供试小麦品种
选择遗传背景差异较大、来自南方和北方种植区域的不同基因型小麦品种12个，适宜地区涵盖山东、安徽、河南、江苏等中国小麦主要种植地区。北方小麦品种为皖北345、开麦1号、矮抗58、安农0711、皖麦2219、泰山24，南方品种为宁麦8号、扬麦20、宁麦9号、宁麦13、镇麦9号、镇麦6号。
1.2 试验设计
12个小麦品种分别种植在Cd重度污染农田、施用生物有机肥的Cd重度污染农田和Cd未污染农田。
生物有机肥来自北京阿姆斯公司，有效活菌数≥0.20×108·g-1，有机质含量≥20.0%，有效菌种为枯草芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌。试验采用裂区设计，三个重复，共计108个小区。小区面积6 m2，种植行距20 cm，播种量为 150 kg·hm-2。肥料用量为氮肥(N)255 kg·hm-2，磷肥(P2O5)165 kg·hm-2，钾肥(K2O)165 kg·hm-2。氮肥运筹基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为5∶1∶2∶2；磷、钾肥的基∶追比为5∶5，追肥在5～7叶期使用。2014年11月播种，2015年5月成熟期，采集植株和土壤样品进行籽粒、植株不同部位和土壤重金属含量检测。
1.3 检测方法
参照GB/T5009.15-2003，消解装置为CEM MARS6，小麦籽粒、茎、叶中Cd与Pb的含量。土壤pH和养分等常规指标按照国标方法(pH:GB 7859-1987；氮：GB 7173-1987；磷：GB 7853-1987；钾：GB 7856-1987；有机质：GB 9834-1988 )和文献[7]进行测定。
1.4 数据分析
采用Excel 2007、SPSS 19.0和 Origin 8.0进行数据统计与分析。
2 结果与分析
2.1 不同小麦品种的籽粒、茎、叶Cd含量比较
2.1.1 籽粒Cd含量比较
由图1、表1可知，Cd未污染、Cd重度污染和生物有机肥修复区不同小麦品种籽粒Cd含量均存在极显著差异。Cd未污染农田中，小麦籽粒Cd含量为0.10～0.29 mg·kg-1，平均为0.17 mg·kg-1，除泰山24外，其他小麦品种籽粒Cd含量均未达到国家粮食安全标准(0.1 mg·kg-1，GB2762-2012),小麦品种籽粒Cd含量由低到高为泰山24、矮抗58、宁麦13、扬麦20、晚麦2219、镇麦6号、宁麦8号、镇麦9号、开麦1号、安农0711、皖北345、宁麦9号，变异系数达40.1%，其中，皖北345、宁麦9号、安农0711与其他各个品种籽粒Cd含量差异均达到极显著水平；开麦1号与其他各个品种籽粒Cd含量间差异均达到极显著水平(晚麦2219除外)；泰山24籽粒Cd含量显著低于其他品种(矮抗58除外)。
Cd重度污染农田中，各小麦品种籽粒中Cd含量为1.21～2.41 mg·kg-1，各是国家粮食安全标准规定Cd含量的12.1～24.1倍，籽粒Cd含量由低到高依次为宁麦8号、皖北345、开麦1号、矮抗58、扬麦20、宁麦9号、安农0711、晚麦2219、泰山24、宁麦13、镇麦9号、镇麦6号,变异系数为26.8%，其中，宁麦13、镇麦9号、镇麦6号与其他各个品种籽粒Cd含量间均存在极显著差异；泰山24、晚麦2219、安农0711和矮抗58与其他各个品种籽粒Cd含量间均存在极显著差异；宁麦9号与扬麦20差异显著，二者与其他各个品种籽粒Cd含量间均存在极显著差异；升麦1号、皖北345、宁麦8号籽粒Cd含量均极显著低于其他品种。
施用生物有机肥的Cd重度污染农田中，各小麦品种籽粒中Cd含量为1.02～1.61 mg·kg-1，平均为1.22 mg·kg-1，籽粒Cd含量由低到高依次为泰山24、宁麦8号、皖北345、矮抗58、安农0711、开麦1号、宁麦9号、镇麦6号、宁麦13、镇麦9号、扬麦20、皖北2219，变异系数为11.8%，其中，皖北2219、宁麦13、镇麦6号与其他各品种籽粒Cd含量均达到极显著差异；扬麦20、镇麦9号与其他各品种籽粒Cd含量均达到极显著差异；安农0711、宁麦9号、开麦1号与其他各品种籽粒Cd含量差异均达到极显著水平；矮抗58、皖北345、宁麦8号差异不显著，与其他各品种籽粒Cd含量差异均极显著。综合来看，宁麦8号、皖北345、扬麦20、矮抗58籽粒Cd含量较低。
图柱上不同大小写字母表示相同处理品种间差异在0.01、0.05水平显著。图3同。
表1 不同处理的小麦籽粒Cd含量Table 1 Cd content in wheat grain under different treatments mg·kg-1
同行数据后不同大写字母表示处理间差异极显著(P<0.01)。
Different capital letters following data in same line indicate significant difference among treatments at 0.01 level.
Cd未污染农田，北方小麦品种籽粒的Cd平均含量为0.17 mg·kg-1，含量范围在0.10～0.29 mg·kg-1之间，变异系数达44.2%；南方小麦品种的籽粒Cd含量在0.13～0.29 mg·kg-1之间，平均为0.17 mg·kg-1，变异系数为36.1%。Cd重度污染农田，北方小麦品种籽粒Cd平均含量为1.68 mg·kg-1，范围在1.24～2.10 mg·kg-1之间，变异系数达24.2%；南方小麦品种籽粒Cd含量为1.21～2.41 mg·kg-1，平均为1.89 mg·kg-1，变异系数为28.5%。在生物肥修复区，北方小麦品种籽粒Cd平均含量为1.09 mg·kg-1，范围为0.89～1.19 mg·kg-1，变异系数达10.6%；南方品种籽粒Cd平均含量为1.28 mg·kg-1，范围在1.02～1.45 mg·kg-1之间，变异系数为13.0%。在施用生物有机肥的Cd重度污染农田中，南方小麦品种较北方品种小麦的籽粒中Cd含量更高且差异更大。这可能与小麦品种的基因型有关。
与Cd重度污染农田相比，施用生物有机肥后各小麦品种籽粒中的Cd含量均有不同程度的降低，降低百分率为1.7%到57.8%，平均降低了29.9%。由此可见，品种与生物有机肥联合措施对重金属污染土壤小麦的安全生产效果更好，但本试验选择在土壤Cd为1.83 mg·kg-1的重度污染农田，修复还未能达到理想效果。
2.2 小麦籽粒与茎叶中Cd含量的相关性
在Cd重度污染农田，小麦籽粒中的Cd含量平均为1.76 mg·kg-1，茎平均含量为3.33 mg·kg-1，叶中的平均含量为7.67 mg·kg-1；在生物肥修复区，籽粒的平均Cd含量为1.18 mg·kg-1，茎中的平均含量为3.21 mg·kg-1，叶中的平均含量为7.69 mg·kg-1，Cd重度污染农田及生物有机肥修复区小麦籽粒Cd含量与茎、叶Cd含量相关性如图2所示。
图2 Cd重度污染农田及生物有机肥修复农田小麦籽粒与茎叶Cd含量的相关性
生物肥修复区小麦籽粒与茎、叶中Cd含量相关系数分别为0.746 2(t=3.362>t0.01=3.250)和0.812 7(t=4.184 0>t0.01=3.250 0)，均为极显著正相关。Cd重度污染农田小麦籽粒与茎、叶Cd含量相关系数分别为0.086 6 (t=0.261 由图3可知，在Cd未污染农田，小麦平均产量为5 194 kg·hm-2，各品种产量为3 418～7 504 kg·hm-2，不同小麦品种的产量从高到低为扬麦20、镇麦6号、镇麦9号、宁麦13、宁麦8号、皖麦2219、宁麦9号、皖北345、安农0711、矮抗58、开麦1号、泰山24 ，变异系数为28.0%，其中，扬麦20与晚麦2219、宁麦9号、皖北345、安农0711、皖麦2219、矮抗58、开麦1号、泰山24的产量间均存在极显著差异， 镇麦6号、镇麦9号、宁麦13、宁麦8号、晚麦2219与矮抗58、开麦1号、泰山24的产量间存在极显著差异。 在Cd重度污染农田，小麦平均产量为2 796 kg·hm-2，相较Cd未污染农田平均减产率为46.2%，表明重金属污染降低了小麦产量。其产量为1 251～4 500 kg·hm-2，不同品种的小麦产量从高到低为宁麦9号、宁麦8号、扬麦20、皖麦2219、宁麦13、镇麦9号、镇麦6号、皖北345、安农0711、泰山24、矮抗58、开麦1号，变异系数为39.1%，其中，宁麦9号与泰山24、矮抗58、开麦1号产量存在极显著差异。Cd重度污染区小麦产量差异程度高于未污染区。 在生物肥修复区，小麦产量为1 668～5 420 kg·hm-2，平均为3 592 kg·hm-2，相较Cd重度污染农田平均增产率为15.7%，表明生物有机肥对于Cd污染造成的小麦减产具有一定的缓解作用。不同品种的产量从高到低依次为镇麦6号、扬麦20、镇麦9号、宁麦8号、宁麦9号、宁麦13、皖北345、安农0711、泰山24、矮抗58、皖麦2219、开麦1号，变异系数为40.6%，其中镇麦6号与泰山24、矮抗58、开麦1号产量存在极显著差异。 整体而言，北方小麦品种产量低于南方品种，可能试验地铜陵属南方，更适宜南方品种小麦生长；也可能因为北方品种对重金属较为敏感，产量受其影响较大。 将各个小麦品种在不同处理下的籽粒中Cd含量与产量做相关性分析，结果见图4。 图3 不同处理下不同小麦品种的籽粒 每条相关性曲线对应的三点分别为Cd未污染农田小麦籽粒Cd含量、生物肥修复区小麦籽粒Cd含量、Cd重度污染农田小麦籽粒Cd含量。 如图4所示，不同小麦品种籽粒中Cd含量与产量之间均呈现极显著的负相关，相关系数最低为-0.9 179，最高为-0.9 993。表明在不考虑品种间差异时，各小麦品种的籽粒Cd含量与产量之间呈极显著的负相关，即籽粒中Cd含量越高小麦的产量越低。 孙洪欣等[8]研究表明，不同小麦品种籽粒Cd含量存在差异，与本研究结果一致，故可在Cd污染农田种植适宜的Cd低积累小麦品种以保证粮食安全。 刘秀春等[9]研究结果显示，生物有机肥对土壤重金属具有一定的吸附固定能力，可以减少农作物对于重金属的吸收。说明生物有机肥对农田土壤的重金属危害有明显修复功能。本研究发现，低重金属积累小麦品种与生物有机肥联合可进一步降低小麦籽粒Cd含量，增加产量。 影响Cd在土壤-植物系统的迁移转运的因素主要有植物生理机制、土壤理化性质(Eh、pH 、粘土矿物、有机质)、植物种类和微生物活性等，这些因素影响了Cd的存在形态、迁移部位及能力[7，10]。通过控制这些因素可以减少小麦籽粒中Cd的含量。本研究发现，小麦不同器官对Cd的积累存在显著差异，小麦地上部分Cd积累量表现为叶>茎>籽粒，这与季书勤等[11]的研究结果类似。 本研究发现，土壤重金属Cd污染对不同小麦品种的产量有不同程度影响，小麦产量与籽粒中Cd含量极显著负相关。与朱志勇等[12]的研究结果一致。杨玉敏等[13]研究也表明，产量对Cd浓度极敏感，Cd浓度升高时，小麦产量极显著降低。其内在分子生态学、生理生化机制有待进一步研究。本研究认为，生产安全的小麦品种主要是籽粒达标，因此，可优先考虑籽粒Cd含量低而产量相对较高的小麦品种，同时配合生物有机肥修复措施从而保障小麦安全生产。 [1] URAGUCHI S,FUJIWARA T.Cadmium transport and tolerance in rice:Perspectives for reducing grain cadmium accumulation [J].Rice,2012,5(1):1． [2] ANTONOVIICS I,BRADSHOW A D,TURNER R C.Heavy metal tolerance in plants [J].AdvancesinEcologicalResearch,1971(7):2. 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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 时间：2017-12-11 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171211.1106.028.html 2017-03-20 2017-04-19 国家自然科学基金项目(41301539)；农业部农业生态环境保护重大专项(农科教发〔2012〕3号)；安徽省教育厅重点项目(2014振兴计划03090304) E-mail：18356070103@163.com 马友华(E-mail:yhma@ahau.edu.cn) S512.1；S319 A 1009-1041(2017)12-1627-072.3 不同处理下供试小麦品种的籽粒产量
2.4 小麦籽粒Cd含量与产量的相关性
3 讨 论
(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)
