摘要
碱性农田土壤镉（Cd）污染导致春小麦等农产品 Cd 超标，危害人类健康，亟待对受污染耕地进行安全利用和治理修复。以内蒙古某 Cd 污染农田为研究对象，研究了土施钝化剂生物炭、膨润土和叶面喷施阻隔剂磷酸二氢钠、锰锌微肥及其联用等小麦安全种植技术的降 Cd 效果，确保农产品质量达标。研究结果表明，联合修复技术均使得小麦籽粒 Cd 含量达到了食品安全限量标准，其中在土壤使用生物炭与叶面喷施锰锌微肥联合修复下籽粒 Cd 含量较对照降低 53.8%，通过减小小麦籽粒的 Cd 富集系数，进而有效降低小麦籽粒 Cd 含量。可见，叶面阻隔联合钝化技术，尤其是叶面喷施锰锌微肥的同时土施生物炭能更有效地阻隔春小麦对 Cd 的吸收和转运，降低春小麦籽粒 Cd 的含量，是值得在 Cd 中轻度污染碱性麦田推广应用的技术。
Abstract
Cadmium（Cd）pollution in alkaline farmland soil has caused excessive Cd levels in agricultural products such as spring wheat，posing a threat to human health. It is urgent to ensure the safe utilization and remediation of contaminated farmland. Taking a Cd-polluted farmland in Inner Mongolia as the research object，the effectiveness of wheat safe planting techniques in reducing Cd levels and ensuring the quality of agricultural products were investigated，including soil application of biochar，bentonite，and foliar spraying of sodium dihydrogen phosphate，manganese-zinc micro-fertilizers，and their combination. The results showed that the content of Cd in wheat was decreased below the standard value of food contaminant when combined using foliar spraying and passivator. Among them，the combined remediation of soil application of biochar and foliar spraying of manganese-zinc micro-fertilizers reduced the grain cadmium content by 53.8%，compared to the control group. It reduced the Cd enrichment coefficient of wheat grains and effectively decreased the Cd content in the grains. The foliar spraying combined with the soil passivation，especially the simultaneous soil application of biochar and foliar spraying of manganese-zinc micro-fertilizers，could more effectively block the absorption and transportation of Cd by spring wheat. As a result，the content of Cd in the grains was reduced. Therefore，it is a technology worth promoting and applying in mildly Cd-polluted alkaline wheat fields.
Keywords
近年来，土壤盐碱化已经严重影响了农业用地的生态系统。高盐度和高 pH 盐碱地加剧了重金属污染，严重影响了植物生长和盐碱地的恢复[1]。在我国河套地区，盐碱化耕地有 322667 hm2，占其总耕地面积的 44%；巴彦淖尔市粮食总产量每年稳定在 25 亿 kg 以上，其中小麦产量约占五分之一，是内蒙古重要的商品粮生产基地。由于近年来农田周边矿区的建立，麦田土壤重金属污染问题受到广泛关注。在重金属污染物中镉（Cd）是一种非必需且非过渡的金属元素，以 Cd2+ 的形式存在于有机和无机配合物中。Cd 具有强毒性、高流动性和持久性，通过在食物链中的积累对人体健康造成严重危害[2]。因此，迫切需要一种高效的 Cd 污染土壤修复方法。然而物理修复技术仅适用于治理小面积的土壤污染，并且具有高能耗和高成本的缺点[3-4]； 化学淋洗修复技术价格昂贵，易造成土壤和地下水的二次污染[5]；生物修复技术存在修复效率差，周期长等缺陷[6]。化学钝化技术具有速度快、效益高和环保等优势，是一种很有前景的污染土壤修复方法。目前应用于农田重金属污染化学固定修复的修复剂可分为无机类、有机类、新型材料这三大类[7]。其中膨润土具有良好的粘结性、吸水膨胀性、阳离子交换性和吸附性等性能[8]。生物炭具有负电荷多、离子交换能力强、吸附性能优异等优势[9]，可以提高重金属稳定性、减少土壤污染。在农艺措施修复方面，叶面阻隔技术有着成本低、环境友好、无二次污染以及高效增产的优势，并且能大面积应用于中轻度重金属污染的农田。王雅乐[10]明确了超富集植物提取-钝化阻控联合对碱性土壤 Cd 污染修复的适应性。曹阳等[11]发现了叶面喷施硒肥联合基施钙镁磷肥能更有效地降低 Cd 向小麦和玉米籽粒的吸收转运。赵首萍等[12]发现石灰、生物炭配施含硅或多元素叶面肥能够在有效降低稻米 Cd 含量的基础上保持土壤质量良性发展。近年来北方碱性土壤重金属超标现象已经凸显，造成的农产品安全问题逐步受到重视。前人对重金属污染农田土壤的原位钝化与农艺修复技术的研究多数集中在偏酸性土壤上，而在偏盐碱的重金属污染土壤的研究相对较少。并且经过我们近年的研究，认为单一的叶面阻隔修复措施已经不能完全将小麦可食用部分 Cd 含量降到安全范围内，因此我们在碱性麦田上展开了联合修复的创新性研究。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试土壤位于内蒙古自治区巴彦淖尔市某 Cd 污染农田，农田附近有一金属采矿厂，受到矿区污水排放和降尘的长期影响，导致部分重金属物质被富集在周边农田土壤中。农田土壤基本理化性质为 pH 8.33，全氮 0.29 g/kg，全钾 48.76 g/kg，全磷 0.27 g/kg，有效磷 14.37 mg/kg，有机质 19.81 g/kg。土壤中 Cd 含量为 1.37 mg/kg，超过了小麦安全生产的土壤 Cd 阈值（0.36 mg/kg，GB/T41685—2022）属于中轻度 Cd 污染，可能存在食用农产品不符合质量安全标准的土壤污染风险，原则上可以采取农艺调控、化学钝化修复等安全利用措施来应对。供试小麦品种为永良 4 号，叶面阻隔剂为磷肥（P）和锰锌肥（MnZn），土壤钝化剂为稻壳生物炭（B）和膨润土（Be），表1为材料的基本性质。
表1试验用材料信息一览表
1.2 试验设计
试验于 2022 和 2023 年在研究区中轻度 Cd 污染农田进行，通过叶面喷施不同叶面阻隔剂同时联合施用不同土壤钝化剂进行小麦 Cd 累积吸收分布规律的研究。叶面阻隔剂施用情况见表2。选用 2 种钝化剂膨润土和生物炭联合 2 种叶面阻隔剂锰锌微肥和磷酸二氢钠，共设置 9 个处理：①施用膨润土和叶喷锰锌微肥（Be+MnZn）；②施用膨润土和叶喷磷酸二氢钠（Be+P）；③施用生物炭和叶喷锰锌微肥（B+MnZn）；④施用生物炭和叶喷磷酸二钠（B+P）；⑤单施膨润土（Be）；⑥单施生物炭（B）；⑦单喷磷酸二氢钠（P）；⑧单喷锰锌微肥（MnZn）；⑨ CK 处理。采用随机区组设计，每组处理 3 个重复，共 27 个小区，各小区面积为 24 m2。将固体肥料膨润土（0.75 kg/m2）和生物炭（0.75 kg/m2）两种钝化剂于 3 月中旬均匀地撒施于供试土壤中，小麦于钝化剂施入 1 周后进行播种，播种量为 450 kg/hm2，播种时一次施入底肥磷酸二铵 375 kg/hm2 和复合肥（17-23-5）225 kg/hm2。分别在小麦的分蘖期和孕穗期选择晴天的下午 16：00 后用手持式喷雾器喷施叶面阻隔剂，整个生育期内，土壤水肥条件与当地保持一致。
1.3 样品的采集与测定
播种前采用多点混合法采集大田耕作层土壤样品（n = 135），用于测定土壤基本理化性质和土壤 Cd 的含量。小麦成熟期时，在每个小区随机挖取长 30 cm、宽 10 cm、深 50 cm 的小麦植株垄田 3 处，采集整株小麦样（n= 81）和根系土样（n= 81）。小麦样用清水洗去根上附着土，再用去离子水清洗小麦整株，按植株的根、茎、叶、颖壳、籽粒，进行分解，测鲜重。带回实验室于 105℃杀青 30 min 后在70℃ 烘干至恒重，测干重。样品粉碎后过 0.149 mm筛待测。土壤有机质、全氮、全磷、全钾和速效钾采用 《土壤农化分析》[13]常规方法测定。土壤样品 Cd 含量的测定采用王水提取-电感耦合等离子质谱法[14]； 植物样品 Cd 含量采用 HNO3-HClO4（3∶1，体积比） 混酸法电热板加热消解[15]，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS 7500c，Agilent，USA）进行测定。
表2叶面阻隔剂施用情况表
1.4 数据统计分析
运用 Excel2016 进行数据的整理及表的制作，用 SPSS 27.0 对数据进行相关分析和方差分析，并采用 Origin 2021 进行作图。
转运系数（TF）和富集系数（BCF）计算公式：
(1)
(2)
式中，Ci、Cj 分别代表小麦的不同组织器官 Cd 浓度，mg/kg，其中 i 为位于 j 上部的器官（如 i 为茎， j 为根）；Csoil 为土壤 Cd 含量，mg/kg。
2 结果与分析
2.1 不同处理对春小麦生长的影响
B+P 和 B+MnZn 处理株高较 CK 显著增加 16.9% 和 20.6%（P<0.05，表3），在所有处理中 B+MnZn 处理与 CK 差异最大。Be、Be+P、Be+MnZn、B、B+P 和 B+MnZn 处理穗粒数较 CK 有所增加但均无显著差异。叶面阻隔联合土壤钝化处理较 CK 产量均有所增加，但是只有 B+P 处理增加显著（P<0.05），较 CK 增加了 23.2%，B+MnZn 处理较 CK 增加了 20.6%，单一处理产量相较于联合处理增加相对较低。
表3不同处理对春小麦生长的影响
注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），下同。
2.2 不同处理对土壤镉含量的影响
与 CK 相比，土壤施用钝化剂 Be 和 B 分别使土壤 Cd 显著降低 8.8% 和 13.2%（图1）。单独喷施叶面阻隔剂下，土壤 Cd 含量较 CK 均没有显著变化。Be+P 和 Be+MnZn 联合处理较 CK 和单独的叶面处理显著降低，但 Be+P 与对应的 Be 处理差异不大。B+P 和 B+MnZn 处理 Cd 含量较 CK 均降低 14.0%，效果最佳。
2.3 不同处理对春小麦镉吸收的影响
由表4可知，根系 Cd 含量在 B+MnZn 和 B+P 的联合施用下显著降低且较 CK 差异最为显著，均降低了 44.1%，单独施用钝化剂 B 和 Be 分别显著降低了 27.1% 和 18.8%，Be+P 和 Be+MnZn 联合处理较 CK 和单独的叶面处理显著降低。茎 Cd 含量在 B+MnZn 和 B+P 的施用下显著降低且较 CK 差异最为显著，均降低了 50.5%，B 和 Be 处理较 CK 分别降低了 46.2% 和 29.2%。单独的叶面阻隔剂较 CK 亦能显著降低茎 Cd 含量，P 和 MnZn 处理较 CK 均降低了 16.3%。Be+P 和 Be+MnZn 联合处理较 CK 和单独的叶面处理显著降低。叶片 Cd 含量在 B+MnZn 的联合施用下显著降低且较 CK 差异最为显著，降低了 51.8%，单独的 B 和 Be 处理较 CK 分别降低了 42.9% 和 32.9%，单独的叶面阻隔剂较 CK 能显著降低叶片 Cd 含量，P 和 MnZn 处理较 CK 分别降低了 20.1% 和 25.0%。Be+P 与 Be+MnZn 处理较 CK 和单独的叶面处理显著降低。颖壳 Cd 含量在 B+MnZn 的联合施用下较 CK 差异最为显著，降低了 48.1%，单独的叶面阻隔剂较 CK 能显著降低叶片 Cd 含量，P 和 MnZn 处理较 CK 分别降低了 14.8% 和 18.5%。籽粒 Cd 含量在 B+MnZn 的联合施用下较 CK 差异最为显著，降低了 53.9%，P 和 MnZn 处理以及 Be 处理均有降低籽粒 Cd 含量的趋势，但是 Cd 含量超过食品污染物标准规定值（≤ 0.1 mg/kg）。钝化剂与叶面阻隔联合处理表现出显著的协同效应，其中 Be+P 和 Be+MnZn 处理较 Be 处理分别降低了 16.5% 和 24.3%，B+P 和 B+MnZn 处理较 B 处理分别降低 22.5% 和 39.2%。由以上分析可知，Cd 含量在 B+MnZn 和 B+P 处理下均能显著降低春小麦不同器官中 Cd 含量。
图1不同处理下土壤镉含量
注：柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
表4不同处理对春小麦各部位镉含量
2.4 不同处理对春小麦 Cd 转运和富集的影响
春小麦各部位转运系数（表5）表明，根-茎、茎-叶、叶-颖壳、颖壳-籽粒转运系数范围分别为 0.34～0.46、0.66～0.85、0.43～0.50、0.45～0.68， Be+MnZn 和 B+P 处理显著降低了 Cd 在春小麦中由茎-叶向颖壳-籽粒的转运系数。在 B+P 处理中，茎-叶向颖壳-籽粒的转运系数由 0.85 降低至 0.53，下降率达 38.0%。这说明 Be+MnZn 和 B+P 联合处理后，抑制了 Cd 由植物茎-叶向颖壳-籽粒中转移，从而减少了 Cd 在春小麦籽粒中的富集。
表5不同处理对春小麦镉转运系数的影响
春小麦各部位富集系数（表6）表明，根、茎、叶、颖壳、籽粒富集系数范围分别为 0.81～1.25、 0.33～0.57、0.24～0.42、0.12～0.20、0.05～0.10，各处理均能降低根、茎、叶、颖壳和籽粒 Cd 富集系数，B+MnZn 处理达到最低值；根部富集系数除 Be+P、B+P 和 B+MnZn 处理外，其他处理均大于 1，表明根部具有较强的富集能力，B+MnZn、 Be+MnZn 和 B+P 处理下籽粒富集系数降幅最大。
表6不同处理对春小麦镉富集系数的影响
3 讨论
3.1 叶面阻隔技术对镉污染麦田的修复效果
Cd 是小麦生长的非必需元素，过量 Cd 在农作物累积不利于植物生长并危害粮食安全[16]，叶面阻隔技术通过喷施不同叶面肥降低农作物中 Cd 含量。在本研究中，叶面喷施锰锌微肥后，春小麦籽粒中 Cd 含量较 CK 降低了 10.1%，同时春小麦产量增加了 20.6%。郝孟婕等[17]在春小麦叶面施用锰锌微肥后，其籽粒中 Cd 的吸收量显著降低，与本研究结果一致。这是因为 Mn、Zn 与 Cd 通过相同的吸收通道从土壤进入植物根部并向地上部转运，具有拮抗作用，能抑制小麦对 Cd 的吸收[18]。
在本研究中，喷施磷酸二氢钠后 Cd 在春小麦籽粒中含量较 CK 降低了 6.1%，追其原因，Cd 胁迫会损伤光合系统，P 作为呼吸作用和光合作用中的糖-磷中间体及组成植物膜的磷脂的必需组分[19]，叶面喷施 P 在一定程度上可以缓解光合系统结构和功能受到的损伤[20]，在水稻叶面喷施不同浓度的 P 均会使水稻中籽粒 Cd 含量有不同幅度的下降[21]。
3.2 土壤钝化技术对 Cd 污染麦田的修复效果
土壤钝化技术是修复重金属污染土壤的最主要措施[22]，常用的土壤钝化剂有生物炭、粘土矿物等。生物炭具有较大的孔隙度、比表面积、多表面官能团等特性，可改变土壤中重金属形态并降低其生物有效性[23]。在本研究中，土壤施用生物炭使春小麦籽粒中 Cd 含量显著降低 23.3%。这与苗秀荣等[24]的结果相似，施用生物炭抑制了小白菜对 Cd 的吸收，降低小白菜中 Cd 含量。并且根据前人研究表明，生物炭在盐碱土壤修复中可以吸附重金属，影响根际微生物群落结构和相关酶活性，从而降低土壤盐分和重金属迁移[25-28]。同时，生物炭的多孔结构为土壤内微生物提供了良好的生存空间，保护它们免受重金属、盐和碱的胁迫[29]，因此，生物炭在碱性土壤上有着良好的钝 Cd 效果。粘土矿物膨润土中含有大量羟基和可交换性阳离子，能够有效吸附固定土壤中的 Cd[30]，施用膨润土，使春小麦籽粒中 Cd 含量显著降低 13.5%。于金鹏[31]研究表明膨润土在酸性土壤中钝化效果与弱碱性土壤差异不大，因此膨润土在酸性和碱性土壤中均能对 Cd 含量有所降低。
3.3 土壤钝化联合叶面阻隔技术对 Cd 污染麦田的修复效果
由于单一钝化技术和叶面阻隔技术无法满足当地土壤 Cd 的有效钝化及春小麦安全生产，因此将这几种土壤钝化剂和叶面阻隔剂联合施用，且成效显著。转运系数是植物地上部某元素质量分数与植物地下部某元素质量分数之比，常用来评价植物将重金属从下部向上部的运输能力[32]。在本研究中，Be+MnZn 和 B+P 联合处理显著抑制了 Cd 由植物茎-叶向颖壳-籽粒中转移，从而减少了 Cd 在春小麦籽粒中的富集。这与前人研究喷施阻控剂后小麦中 Cd 由茎叶-籽粒的转运系数较对照显著降低一致[33]。富集系数则反映了植物从土壤中 Cd 的吸收及积累在体内的能力[34]。在本研究中，与 CK 相比，各处理明显降低了春小麦地上部各组织的 Cd 富集系数，其中联合处理比单一处理（除生物炭处理）更加降低了春小麦各组织 Cd 的富集系数。由此可知，叶面阻隔联合钝化技术能更有效地阻隔春小麦对 Cd 的吸收。酸性 Cd 污染土壤中施用生物炭和叶面喷施 Zn、Se 元素组合可以降低麸皮和胚乳的 Cd 富集系数[35]。
在本研究中春小麦籽粒 Cd 含量在 B+MnZn 的联合施用下较 CK 差异最为显著，降低了 53.9%。其余 Be+P 和 Be+MnZn 处理较 Be 处理分别降低了 16.5% 和 24.3%，B+P 和 B+MnZn 处理较 B 处理分别降低 22.5% 和 39.2%。结果说明，土壤钝化剂与叶面阻隔剂联合，更有利于降低春小麦 Cd 含量，使其得到安全生产。
4 结论
（1）联合处理中 B+P 和 B+MnZn 处理对春小麦株高和产量的影响最为显著。
（2）在不同处理下，单独的土壤钝化和联合处理都能降低土壤镉含量。
（3）土壤钝化剂联合叶面阻隔剂调控能显著降低春小麦籽粒 Cd 含量，其中降幅最大的为 B+P 和 B+MnZn 处理，Cd 含量只有 0.079 和 0.062 mg/kg，较 CK 分别降低了 41.0% 和 53.9%。
（4）春小麦土壤钝化剂联合叶面阻隔剂调控有效降低了转运系数和富集系数，确保了春小麦质量安全，最适合的组合为 B+MnZn，适合在中轻度 Cd 污染碱性麦田推广使用。