陳亮妹，于倩倩，胡兆云，王成雨，李江遐，葉文玲，吳林春，崔俊義，馬友華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽合肥 230036； 2.安徽省銅陵市義安區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)保站，安徽銅陵 244000； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽合肥 230036)

小麥品種與生物有機(jī)肥聯(lián)合修復(fù)農(nóng)田鎘污染研究

陳亮妹1，于倩倩1，胡兆云2，王成雨3，李江遐1，葉文玲1，吳林春1，崔俊義1，馬友華1

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽合肥 230036； 2.安徽省銅陵市義安區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)保站，安徽銅陵 244000； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽合肥 230036)

為篩選Cd積累低且產(chǎn)量較高的小麥品種,以6個(gè)北方小麥品種和6個(gè)南方小麥品種為試材，在安徽銅陵選取Cd重度污染與未污染農(nóng)田進(jìn)行小麥品種與生物有機(jī)肥聯(lián)合修復(fù)田間對比試驗(yàn)。結(jié)果表明，Cd未污染農(nóng)田中各小麥品種除了泰山24外籽粒Cd含量均未達(dá)到國家糧食安全標(biāo)準(zhǔn)；Cd重度污染農(nóng)田中小麥籽粒Cd含量為1.21～2.41 mg·kg-1，Cd均超標(biāo)，南方小麥品種較北方品種籽粒中Cd含量更高且差異性更大；施用生物有機(jī)肥可降低Cd重度污染農(nóng)田中各小麥品種的Cd含量，降低百分率為1.7%～57.8%，平均降低29.9%。施用生物有機(jī)肥的Cd重度污染農(nóng)田中各小麥品種籽粒Cd 含量與小麥莖、葉的Cd含量極顯著正相關(guān)。Cd重度污染農(nóng)田較Cd未污染農(nóng)田各小麥品種產(chǎn)量均顯著降低，平均減產(chǎn)率46.2%；使用生物有機(jī)肥使Cd重度污染農(nóng)田小麥平均增產(chǎn)15.7%。各小麥品種籽粒Cd含量與產(chǎn)量極顯著負(fù)相關(guān)。揚(yáng)麥20、寧麥8號為籽粒Cd積累量較低、產(chǎn)量較高的品種；施用生物有機(jī)肥可有效降低小麥籽粒Cd含量、增加小麥產(chǎn)量。

小麥；品種；農(nóng)田土壤；Cd；生物有機(jī)肥

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，一些地區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬鎘(Cd)含量急劇增加，使得作物的Cd積累量日益增加，著名的痛痛病就是由于食用Cd超標(biāo)大米引起的[1]。Cd是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一[2]，土壤重金屬污染具有隱蔽性、潛伏性、累積性和難治理性等特點(diǎn)，受重金屬污染的土壤可能需要上百年才能恢復(fù)正常[3-4]。近年來，相關(guān)專家就農(nóng)田重金屬污染提出了鈍化劑修復(fù)、超積累植物吸收、低積累作物篩選等行之有效的治理方法[5]。小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物，不同小麥品種對Cd的吸收、積累存在較大差異。篩選和培育對重金屬低積累、高耐性的小麥品種是保證小麥糧食安全有效的方法之一[6]。小麥的生長具有區(qū)域性，在重金屬重度污染農(nóng)田篩選適合區(qū)域種植的低積累品種、配合鈍化修復(fù)措施對重金屬污染農(nóng)田小麥安全生產(chǎn)具有重要意義。

本研究在銅陵縣某硫鐵礦區(qū)Cd重度污染農(nóng)田及非污染農(nóng)田，選用12個(gè)小麥品種進(jìn)行Cd積累比較試驗(yàn)，并配合生物有機(jī)肥修復(fù)措施，以期篩選出適宜銅陵地區(qū)重金屬污染農(nóng)田種植的Cd低積累小麥品種，為重金屬Cd污染地區(qū)的小麥安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試點(diǎn)概況與供試材料

1.1.1 試點(diǎn)概況

試驗(yàn)于安徽省銅陵市某礦區(qū)重金屬污染和未污染農(nóng)田進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤為紅壤土。Cd重度污染農(nóng)田土壤Cd含量1.83 mg·kg-1，有效態(tài)Cd含量為1.36 mg·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別為120.27 mg·kg-1、19.15 mg·kg-1、74.32 mg·kg-1、23.66 g·kg-1，pH為5.03左右，CEC含量為12.95 cmol·kg-1；未污染土壤Cd含量為0.26 mg·kg-1，有效態(tài)Cd含量為0.17 mg·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別為123.57 mg·kg-1、19.78 mg·kg-1、81.25 mg·kg-1、25.71 g·kg-1， pH為6.51左右，CEC含量為14.79 cmol·kg-1。

1.1.2 供試小麥品種

選擇遺傳背景差異較大、來自南方和北方種植區(qū)域的不同基因型小麥品種12個(gè)，適宜地區(qū)涵蓋山東、安徽、河南、江蘇等中國小麥主要種植地區(qū)。北方小麥品種為皖北345、開麥1號、矮抗58、安農(nóng)0711、皖麥2219、泰山24，南方品種為寧麥8號、揚(yáng)麥20、寧麥9號、寧麥13、鎮(zhèn)麥9號、鎮(zhèn)麥6號。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

12個(gè)小麥品種分別種植在Cd重度污染農(nóng)田、施用生物有機(jī)肥的Cd重度污染農(nóng)田和Cd未污染農(nóng)田。

生物有機(jī)肥來自北京阿姆斯公司，有效活菌數(shù)≥0.20×108·g-1，有機(jī)質(zhì)含量≥20.0%，有效菌種為枯草芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，三個(gè)重復(fù)，共計(jì)108個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積6 m2，種植行距20 cm，播種量為 150 kg·hm-2。肥料用量為氮肥(N)255 kg·hm-2，磷肥(P2O5)165 kg·hm-2，鉀肥(K2O)165 kg·hm-2。氮肥運(yùn)籌基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為5∶1∶2∶2；磷、鉀肥的基∶追比為5∶5，追肥在5～7葉期使用。2014年11月播種，2015年5月成熟期，采集植株和土壤樣品進(jìn)行籽粒、植株不同部位和土壤重金屬含量檢測。

1.3 檢測方法

參照GB/T5009.15-2003，消解裝置為CEM MARS6，小麥籽粒、莖、葉中Cd與Pb的含量。土壤pH和養(yǎng)分等常規(guī)指標(biāo)按照國標(biāo)方法(pH:GB 7859-1987；氮：GB 7173-1987；磷：GB 7853-1987；鉀：GB 7856-1987；有機(jī)質(zhì)：GB 9834-1988 )和文獻(xiàn)[7]進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007、SPSS 19.0和 Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種的籽粒、莖、葉Cd含量比較

2.1.1 籽粒Cd含量比較

由圖1、表1可知，Cd未污染、Cd重度污染和生物有機(jī)肥修復(fù)區(qū)不同小麥品種籽粒Cd含量均存在極顯著差異。Cd未污染農(nóng)田中，小麥籽粒Cd含量為0.10～0.29 mg·kg-1，平均為0.17 mg·kg-1，除泰山24外，其他小麥品種籽粒Cd含量均未達(dá)到國家糧食安全標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg·kg-1，GB2762-2012),小麥品種籽粒Cd含量由低到高為泰山24、矮抗58、寧麥13、揚(yáng)麥20、晚麥2219、鎮(zhèn)麥6號、寧麥8號、鎮(zhèn)麥9號、開麥1號、安農(nóng)0711、皖北345、寧麥9號，變異系數(shù)達(dá)40.1%，其中，皖北345、寧麥9號、安農(nóng)0711與其他各個(gè)品種籽粒Cd含量差異均達(dá)到極顯著水平；開麥1號與其他各個(gè)品種籽粒Cd含量間差異均達(dá)到極顯著水平(晚麥2219除外)；泰山24籽粒Cd含量顯著低于其他品種(矮抗58除外)。

Cd重度污染農(nóng)田中，各小麥品種籽粒中Cd含量為1.21～2.41 mg·kg-1，各是國家糧食安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Cd含量的12.1～24.1倍，籽粒Cd含量由低到高依次為寧麥8號、皖北345、開麥1號、矮抗58、揚(yáng)麥20、寧麥9號、安農(nóng)0711、晚麥2219、泰山24、寧麥13、鎮(zhèn)麥9號、鎮(zhèn)麥6號,變異系數(shù)為26.8%，其中，寧麥13、鎮(zhèn)麥9號、鎮(zhèn)麥6號與其他各個(gè)品種籽粒Cd含量間均存在極顯著差異；泰山24、晚麥2219、安農(nóng)0711和矮抗58與其他各個(gè)品種籽粒Cd含量間均存在極顯著差異；寧麥9號與揚(yáng)麥20差異顯著，二者與其他各個(gè)品種籽粒Cd含量間均存在極顯著差異；升麥1號、皖北345、寧麥8號籽粒Cd含量均極顯著低于其他品種。

施用生物有機(jī)肥的Cd重度污染農(nóng)田中，各小麥品種籽粒中Cd含量為1.02～1.61 mg·kg-1，平均為1.22 mg·kg-1，籽粒Cd含量由低到高依次為泰山24、寧麥8號、皖北345、矮抗58、安農(nóng)0711、開麥1號、寧麥9號、鎮(zhèn)麥6號、寧麥13、鎮(zhèn)麥9號、揚(yáng)麥20、皖北2219，變異系數(shù)為11.8%，其中，皖北2219、寧麥13、鎮(zhèn)麥6號與其他各品種籽粒Cd含量均達(dá)到極顯著差異；揚(yáng)麥20、鎮(zhèn)麥9號與其他各品種籽粒Cd含量均達(dá)到極顯著差異；安農(nóng)0711、寧麥9號、開麥1號與其他各品種籽粒Cd含量差異均達(dá)到極顯著水平；矮抗58、皖北345、寧麥8號差異不顯著，與其他各品種籽粒Cd含量差異均極顯著。綜合來看，寧麥8號、皖北345、揚(yáng)麥20、矮抗58籽粒Cd含量較低。

圖柱上不同大小寫字母表示相同處理品種間差異在0.01、0.05水平顯著。圖3同。

表1 不同處理的小麥籽粒Cd含量Table 1 Cd content in wheat grain under different treatments mg·kg-1

同行數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。

Different capital letters following data in same line indicate significant difference among treatments at 0.01 level.

Cd未污染農(nóng)田，北方小麥品種籽粒的Cd平均含量為0.17 mg·kg-1，含量范圍在0.10～0.29 mg·kg-1之間，變異系數(shù)達(dá)44.2%；南方小麥品種的籽粒Cd含量在0.13～0.29 mg·kg-1之間，平均為0.17 mg·kg-1，變異系數(shù)為36.1%。Cd重度污染農(nóng)田，北方小麥品種籽粒Cd平均含量為1.68 mg·kg-1，范圍在1.24～2.10 mg·kg-1之間，變異系數(shù)達(dá)24.2%；南方小麥品種籽粒Cd含量為1.21～2.41 mg·kg-1，平均為1.89 mg·kg-1，變異系數(shù)為28.5%。在生物肥修復(fù)區(qū)，北方小麥品種籽粒Cd平均含量為1.09 mg·kg-1，范圍為0.89～1.19 mg·kg-1，變異系數(shù)達(dá)10.6%；南方品種籽粒Cd平均含量為1.28 mg·kg-1，范圍在1.02～1.45 mg·kg-1之間，變異系數(shù)為13.0%。在施用生物有機(jī)肥的Cd重度污染農(nóng)田中，南方小麥品種較北方品種小麥的籽粒中Cd含量更高且差異更大。這可能與小麥品種的基因型有關(guān)。

與Cd重度污染農(nóng)田相比，施用生物有機(jī)肥后各小麥品種籽粒中的Cd含量均有不同程度的降低，降低百分率為1.7%到57.8%，平均降低了29.9%。由此可見，品種與生物有機(jī)肥聯(lián)合措施對重金屬污染土壤小麥的安全生產(chǎn)效果更好，但本試驗(yàn)選擇在土壤Cd為1.83 mg·kg-1的重度污染農(nóng)田，修復(fù)還未能達(dá)到理想效果。

2.2 小麥籽粒與莖葉中Cd含量的相關(guān)性

在Cd重度污染農(nóng)田，小麥籽粒中的Cd含量平均為1.76 mg·kg-1，莖平均含量為3.33 mg·kg-1，葉中的平均含量為7.67 mg·kg-1；在生物肥修復(fù)區(qū)，籽粒的平均Cd含量為1.18 mg·kg-1，莖中的平均含量為3.21 mg·kg-1，葉中的平均含量為7.69 mg·kg-1，Cd重度污染農(nóng)田及生物有機(jī)肥修復(fù)區(qū)小麥籽粒Cd含量與莖、葉Cd含量相關(guān)性如圖2所示。

圖2 Cd重度污染農(nóng)田及生物有機(jī)肥修復(fù)農(nóng)田小麥籽粒與莖葉Cd含量的相關(guān)性

生物肥修復(fù)區(qū)小麥籽粒與莖、葉中Cd含量相關(guān)系數(shù)分別為0.746 2(t=3.362>t0.01=3.250)和0.812 7(t=4.184 0>t0.01=3.250 0)，均為極顯著正相關(guān)。Cd重度污染農(nóng)田小麥籽粒與莖、葉Cd含量相關(guān)系數(shù)分別為0.086 6 (t=0.261

2.3 不同處理下供試小麥品種的籽粒產(chǎn)量

由圖3可知，在Cd未污染農(nóng)田，小麥平均產(chǎn)量為5 194 kg·hm-2，各品種產(chǎn)量為3 418～7 504 kg·hm-2，不同小麥品種的產(chǎn)量從高到低為揚(yáng)麥20、鎮(zhèn)麥6號、鎮(zhèn)麥9號、寧麥13、寧麥8號、皖麥2219、寧麥9號、皖北345、安農(nóng)0711、矮抗58、開麥1號、泰山24 ，變異系數(shù)為28.0%，其中，揚(yáng)麥20與晚麥2219、寧麥9號、皖北345、安農(nóng)0711、皖麥2219、矮抗58、開麥1號、泰山24的產(chǎn)量間均存在極顯著差異， 鎮(zhèn)麥6號、鎮(zhèn)麥9號、寧麥13、寧麥8號、晚麥2219與矮抗58、開麥1號、泰山24的產(chǎn)量間存在極顯著差異。

在Cd重度污染農(nóng)田，小麥平均產(chǎn)量為2 796 kg·hm-2，相較Cd未污染農(nóng)田平均減產(chǎn)率為46.2%，表明重金屬污染降低了小麥產(chǎn)量。其產(chǎn)量為1 251～4 500 kg·hm-2，不同品種的小麥產(chǎn)量從高到低為寧麥9號、寧麥8號、揚(yáng)麥20、皖麥2219、寧麥13、鎮(zhèn)麥9號、鎮(zhèn)麥6號、皖北345、安農(nóng)0711、泰山24、矮抗58、開麥1號，變異系數(shù)為39.1%，其中，寧麥9號與泰山24、矮抗58、開麥1號產(chǎn)量存在極顯著差異。Cd重度污染區(qū)小麥產(chǎn)量差異程度高于未污染區(qū)。

在生物肥修復(fù)區(qū)，小麥產(chǎn)量為1 668～5 420 kg·hm-2，平均為3 592 kg·hm-2，相較Cd重度污染農(nóng)田平均增產(chǎn)率為15.7%，表明生物有機(jī)肥對于Cd污染造成的小麥減產(chǎn)具有一定的緩解作用。不同品種的產(chǎn)量從高到低依次為鎮(zhèn)麥6號、揚(yáng)麥20、鎮(zhèn)麥9號、寧麥8號、寧麥9號、寧麥13、皖北345、安農(nóng)0711、泰山24、矮抗58、皖麥2219、開麥1號，變異系數(shù)為40.6%，其中鎮(zhèn)麥6號與泰山24、矮抗58、開麥1號產(chǎn)量存在極顯著差異。

整體而言，北方小麥品種產(chǎn)量低于南方品種，可能試驗(yàn)地銅陵屬南方，更適宜南方品種小麥生長；也可能因?yàn)楸狈狡贩N對重金屬較為敏感，產(chǎn)量受其影響較大。

2.4 小麥籽粒Cd含量與產(chǎn)量的相關(guān)性

將各個(gè)小麥品種在不同處理下的籽粒中Cd含量與產(chǎn)量做相關(guān)性分析，結(jié)果見圖4。

圖3 不同處理下不同小麥品種的籽粒

每條相關(guān)性曲線對應(yīng)的三點(diǎn)分別為Cd未污染農(nóng)田小麥籽粒Cd含量、生物肥修復(fù)區(qū)小麥籽粒Cd含量、Cd重度污染農(nóng)田小麥籽粒Cd含量。

如圖4所示，不同小麥品種籽粒中Cd含量與產(chǎn)量之間均呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最低為-0.9 179，最高為-0.9 993。表明在不考慮品種間差異時(shí)，各小麥品種的籽粒Cd含量與產(chǎn)量之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)，即籽粒中Cd含量越高小麥的產(chǎn)量越低。

3 討 論

孫洪欣等[8]研究表明，不同小麥品種籽粒Cd含量存在差異，與本研究結(jié)果一致，故可在Cd污染農(nóng)田種植適宜的Cd低積累小麥品種以保證糧食安全。

劉秀春等[9]研究結(jié)果顯示，生物有機(jī)肥對土壤重金屬具有一定的吸附固定能力，可以減少農(nóng)作物對于重金屬的吸收。說明生物有機(jī)肥對農(nóng)田土壤的重金屬危害有明顯修復(fù)功能。本研究發(fā)現(xiàn)，低重金屬積累小麥品種與生物有機(jī)肥聯(lián)合可進(jìn)一步降低小麥籽粒Cd含量，增加產(chǎn)量。

影響Cd在土壤-植物系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)的因素主要有植物生理機(jī)制、土壤理化性質(zhì)(Eh、pH 、粘土礦物、有機(jī)質(zhì))、植物種類和微生物活性等，這些因素影響了Cd的存在形態(tài)、遷移部位及能力[7，10]。通過控制這些因素可以減少小麥籽粒中Cd的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥不同器官對Cd的積累存在顯著差異，小麥地上部分Cd積累量表現(xiàn)為葉>莖>籽粒，這與季書勤等[11]的研究結(jié)果類似。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬Cd污染對不同小麥品種的產(chǎn)量有不同程度影響，小麥產(chǎn)量與籽粒中Cd含量極顯著負(fù)相關(guān)。與朱志勇等[12]的研究結(jié)果一致。楊玉敏等[13]研究也表明，產(chǎn)量對Cd濃度極敏感，Cd濃度升高時(shí)，小麥產(chǎn)量極顯著降低。其內(nèi)在分子生態(tài)學(xué)、生理生化機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本研究認(rèn)為，生產(chǎn)安全的小麥品種主要是籽粒達(dá)標(biāo)，因此，可優(yōu)先考慮籽粒Cd含量低而產(chǎn)量相對較高的小麥品種，同時(shí)配合生物有機(jī)肥修復(fù)措施從而保障小麥安全生產(chǎn)。

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StudyonWheatVarietiesandBio-OrganicFertilizerinRemediationofCadmiumPollutedFarmland

CHENLiangmei1,YUQianqian1,HUZhaoyun2,WANGChengyu3,LIJiangxia1,YEWenling1,WULinchun1,CUIJunyi1,MAYouhua1
(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)

In order to screen wheat varieties with low Cd accumulation and high yield, the field experiment with six northern and six southern wheat varieties in combined remediation of wheat varieties and bio-organic fertilizer was conducted in the farmland heavily polluted by Cd and the clean farmland. 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

時(shí)間：2017-12-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171211.1106.028.html

2017-03-20

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301539)；農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)重大專項(xiàng)(農(nóng)科教發(fā)〔2012〕3號)；安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2014振興計(jì)劃03090304)

E-mail：18356070103@163.com

馬友華(E-mail:yhma@ahau.edu.cn)

S512.1；S319

A

1009-1041(2017)12-1627-07