鎘污染耕地大豆安全生產(chǎn)模式的探究

王天宇，陳謇，施加春*，傅旭軍，徐建明，何艷

（1.浙江大學(xué)土水資源與環(huán)境研究所，杭州 310058；2.浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058；3.溫嶺市植保耕肥能源總站，浙江 溫嶺 317500；4.浙江省農(nóng)科院作物與核技術(shù)利用研究所，杭州 310000）

耕地土壤中累積的重金屬鎘（Cd）會(huì)通過食物鏈在人體不斷積累，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康造成威脅。我國(guó)耕地鎘污染問題較為突出，HU 等分析了2008—2018 年間發(fā)表的1 153 篇文章中17 000 余個(gè)我國(guó)土壤樣本數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)80%的城市存在鎘污染問題。鎘在土壤中分布廣、生物可利用性強(qiáng)，因此引起人們對(duì)農(nóng)作物鎘污染的擔(dān)憂。

大豆是世界范圍內(nèi)廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物，在食用、飼用等多個(gè)領(lǐng)域被廣泛利用。我國(guó)大豆進(jìn)口量居世界第一，占世界總出口量的60%左右。作為國(guó)家糧食安全鏈中的薄弱環(huán)節(jié)與中美貿(mào)易摩擦中的標(biāo)的物，保障大豆供給安全刻不容緩。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“十四五”種植業(yè)規(guī)劃發(fā)展中明確提出，要多途徑擴(kuò)種大豆，提升產(chǎn)量，以推動(dòng)提升大豆自給率，緩解“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。因此，在新形勢(shì)下，通過相關(guān)技術(shù)保障大豆擴(kuò)種和安全生產(chǎn)，特別是在南方污染耕地上發(fā)展大豆替代種植，對(duì)我國(guó)深入推進(jìn)大豆振興計(jì)劃具有重要意義。

原位鈍化技術(shù)近年來已成為國(guó)內(nèi)外普遍使用的重金屬污染耕地安全利用技術(shù)之一。通過施加鈍化劑，可有效降低鎘在水稻中的積累，同時(shí)提高水稻產(chǎn)量。此外，篩選、培育重金屬低積累品種是重金屬污染耕地安全利用中常見的措施，具有操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、成本較低等特點(diǎn)。但迄今為止，關(guān)于鎘低積累大豆篩選以及鈍化劑施用對(duì)大豆鎘積累影響的研究仍較少，無法科學(xué)支撐在南方擴(kuò)種大豆的國(guó)家需求。鑒于此，本研究以鎘污染耕地上的田間控制試驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行大豆低鎘品種篩選，結(jié)合鈍化劑施用對(duì)大豆各部位鎘積累及其產(chǎn)量影響的研究，綜合判斷鎘污染耕地適宜種植的大豆品種以及合適的鈍化劑用量，為保障南方重金屬污染耕地上大豆擴(kuò)種和安全生產(chǎn)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究共包含大豆低鎘品種篩選、鈍化劑影響大豆鎘積累兩期試驗(yàn)。一期大豆低鎘品種篩選試驗(yàn)采用我國(guó)鎘污染耕地典型區(qū)域所在省份（浙江、云南、貴州）內(nèi)主推大豆品種，包括浙農(nóng)6 號(hào)、浙鮮9 號(hào)、浙鮮12 號(hào)、浙鮮19 號(hào)、開科源12、新3 號(hào)、滬寧95-1、引豆9701、云黃12、云黃13、云黃14、滇豆6 號(hào)、滇豆7 號(hào)，共計(jì)13 個(gè)品種。其中，浙鮮9 號(hào)、浙鮮12 號(hào)、浙鮮19號(hào)由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所提供，云黃12、云黃13、云黃14、滇豆6號(hào)、滇豆7號(hào)由國(guó)家現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)大豆體系相關(guān)綜合試驗(yàn)站提供，浙農(nóng)6 號(hào)、開科源12、新3 號(hào)、滬寧95-1、引豆9701 購(gòu)自杭州好多收農(nóng)資有限公司。

鈍化劑影響大豆鎘積累試驗(yàn)中采用前期篩選獲得的具有鎘低積累性狀的品種，包括浙農(nóng)6號(hào)、浙鮮9號(hào)、浙鮮12 號(hào)和浙鮮19 號(hào)。鈍化劑選用西部環(huán)保有限公司生產(chǎn)的豐收延土壤調(diào)理劑，主要成分包括：氧化鈣（CaO）≥30.0%，氧化鎂（MgO）≥8.0%，二氧化硅（SiO）≥4.0%，水分≤12.0%，pH 11～13。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)在浙江省受污染耕地安全利用長(zhǎng)期觀測(cè)研究站（溫嶺）開展，研究站位于溫嶠鎮(zhèn)金溪村（原姆坑村）。選擇2 塊不同鎘污染程度的旱地地塊，其中：西區(qū)地塊（121°15′40.52″E，28°21′39.4″N）pH 為6.31，總鎘含量為（0.49±0.04）mg·kg，達(dá)到土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的1.6 倍；東區(qū)地塊（121°15′47.36″E，28°21′44.34″N）pH 為4.65，總鎘含量為（1.69±0.25）mg·kg，達(dá)到土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的5.6 倍。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）的相關(guān)規(guī)定，劃定試驗(yàn)區(qū)域土壤鎘的污染水平：西區(qū)耕地為安全利用類，東區(qū)耕地為嚴(yán)格管控類。

安全利用類耕地用于大豆低鎘品種篩選試驗(yàn)。2020年3月下旬整地后，將田地劃分成10 m×1.3 m 的區(qū)塊，各區(qū)塊間隔0.5 m 寬的田壟，共26 個(gè)區(qū)塊。翻耕后播種大豆，每個(gè)品種設(shè)置2 個(gè)重復(fù)。每個(gè)區(qū)塊播種4×25 個(gè)位點(diǎn)，生長(zhǎng)10 d 后間苗，每個(gè)位點(diǎn)保留3 株長(zhǎng)勢(shì)相近的植株。播種32 d 后施入復(fù)合肥150 kg·hm，尿素75 kg·hm。出苗之后的第83 天采樣，每個(gè)區(qū)塊隨機(jī)均勻采集15 株大豆籽粒樣品，測(cè)定其鎘含量。同步采集各位點(diǎn)對(duì)應(yīng)土樣，混合后取代表樣1 kg左右，用于土壤鎘含量和pH的測(cè)定。

二期田間試驗(yàn)選取前期試驗(yàn)中具備鎘低積累性狀的浙農(nóng)6號(hào)、浙鮮9號(hào)、浙鮮12號(hào)和浙鮮19號(hào)，配合鈍化劑在鎘污染嚴(yán)格管控區(qū)開展。用相同的方式設(shè)置21個(gè)區(qū)塊，浙農(nóng)6號(hào)、浙鮮9號(hào)和浙鮮19號(hào)3個(gè)大豆品種設(shè)置2 個(gè)處理：不施用鈍化劑（CK）、施用1 500 kg·hm鈍化劑（中量，M），每個(gè)處理設(shè)置2 個(gè)重復(fù)。為研究不同施用量對(duì)大豆安全生產(chǎn)的作用，浙鮮12號(hào)設(shè)置3 個(gè)處理：CK、M、施用3 000 kg·hm鈍化劑（高量，L），每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。于2021年3月下旬整地，施入鈍化劑，穩(wěn)定一周后種植大豆，采用相同農(nóng)藝措施進(jìn)行管理，83 d后采集土壤與大豆整株樣品，每個(gè)區(qū)塊隨機(jī)選取5 個(gè)代表位點(diǎn)均勻采集大豆樣品（每個(gè)位點(diǎn)樣品由2 個(gè)代表性整株構(gòu)成），測(cè)定大豆籽粒、根、莖、葉中的鎘含量。按相同試驗(yàn)方法同步采集對(duì)應(yīng)位點(diǎn)的表層土樣，測(cè)定土壤總鎘含量、有效態(tài)鎘含量、鎘形態(tài)分布、pH和銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量。

1.3 樣品制備與分析

大豆整株植株樣品分剪成根系、莖稈、葉片、豆莢4 個(gè)部分，根系、莖稈與葉片用蒸餾水多次沖洗后烘干保存；將籽粒從豆莢中剝出，每百粒稱質(zhì)量用于測(cè)產(chǎn)，烘干保存。粉碎植物樣品至100目，硝酸-雙氧水體系消解后，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS PerkinElmer Nexlon300X，F(xiàn)remont，美國(guó)）測(cè)定鎘含量，實(shí)驗(yàn)過程用大米國(guó)家參比物質(zhì)[GBW10010（GSB-1）]進(jìn)行質(zhì)控，全程用空白樣品作為對(duì)照。

土壤中的鎘含量用硝酸-雙氧水-高氯酸體系消解后同濃度稀釋過濾，ICP-MS 測(cè)定。土壤中的鎘形態(tài)分布采用Tessier 五步提取法進(jìn)行分步提取，ICPMS 進(jìn)行測(cè)定。使用0.1 mol·L的氯化鈣溶液浸提土壤有效態(tài)鎘，離心過濾后ICP-MS 測(cè)定鎘含量；使用流動(dòng)分析儀（TRAACS 2000，Bran and Luebbe，Norderstedt，德國(guó)）測(cè)定土壤中的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量；采用磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤中的有效磷含量；采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化比色法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

生物富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）代表大豆不同部位鎘富集情況，計(jì)算公式如下：

式中：為大豆某一部位生物富集系數(shù)，為該部位鎘含量，mg·kg；為該植株對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的土壤鎘含量，mg·kg。本文中、、、分別為籽粒、根、莖、葉4 個(gè)部位鎘的富集系數(shù)，以此評(píng)估大豆不同部位對(duì)鎘的積累能力。

用R 語言（Version 3.6.1）和Microsoft Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和單因素方差分析（ANOVA），通過Duncan 檢驗(yàn)比較土壤理化性質(zhì)和大豆各部位鎘含量的顯著性差異（＜0.05）。用ggcor包和vegan包分析多個(gè)土壤環(huán)境因子與大豆各部位鎘含量之間的mantel相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘污染安全利用區(qū)大豆低鎘品種篩選

由圖1可知，供試的13個(gè)大豆品種在土壤鎘含量為0.49 mg·kg土壤上種植，其籽粒鎘含量在0.05～0.19 mg·kg之間，所有品種均符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中豆類鎘限量標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg·kg），說明在鎘污染安全利用區(qū)種植大豆鎘超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較低。其中浙鮮19號(hào)和浙鮮12號(hào)籽粒鎘含量均為0.05 mg·kg，浙鮮9 號(hào)與浙農(nóng)6 號(hào)均為0.07 mg·kg，4 個(gè)品種的均顯著低于其他品種，具有鎘低積累性狀。

圖1 土壤安全利用區(qū)不同品種大豆籽粒鎘含量及富集系數(shù)Figure 1 The grain Cd content and BCFgrain of different cultivars under Cd-contaminated safe use area

2.2 鈍化劑施用及劑量對(duì)鎘污染耕地土壤理化性質(zhì)及鎘形態(tài)分布的影響

如表1 所示，M 和L 處理下，土壤pH 分別上升至7.75 和7.31，有效態(tài)鎘含量分別降至0.95 mg·kg和0.49 mg·kg，較CK 下降了22.8%和60.2%。L處理下土壤有效磷從29.09 mg·kg下降至14.06 mg·kg。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、總鎘無顯著變化。由圖2可知，隨著鈍化劑施用量增加，可交換態(tài)鎘從26.7%下降至11.8%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘占比從13.9%上升至17.7%，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘從15.4%上升至20.3%。

表1 鈍化劑施用田間試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Field test of soil physical and chemical properties with soil amendment application

圖2 鈍化劑對(duì)土壤鎘形態(tài)分布的影響Figure 2 Effects of soil amendment on Cd fractions distribution in soil

2.3 鈍化劑對(duì)不同品種大豆各部位鎘積累及產(chǎn)量的影響

由表2 可知，鈍化劑施用使大豆籽粒與根中鎘含量顯著降低。M 處理下，4 種大豆籽粒鎘含量降低了30.4%～76.4%，根鎘含量降低了21.3%～79.0%。浙鮮12 號(hào)與浙鮮9 號(hào)施用鈍化劑后籽粒鎘含量降至0.13 mg·kg，符合國(guó)家食品安全限量標(biāo)準(zhǔn)。M 處理使浙農(nóng)6 號(hào)葉片鎘含量上升了22.5%，其他品種葉片鎘含量下降了31.2%～59.7%。L 處理下，浙鮮12 號(hào)籽粒與根中鎘含量較M 處理無顯著差異，莖、葉中鎘含量較CK均未進(jìn)一步下降。

表2 大豆各部位鎘含量（mg·kg-1）Table 2 Cd content in different soybean tissues（mg·kg-1）

由表3可知，M處理下下降31.0%～81.1%，下降35.6%～78.8%，下降7.8%～67.5%。浙鮮12 號(hào)的較CK 處理顯著下降了46.2%，其他品種在鈍化劑處理前后無顯著差異。不同大豆品種主要鎘積累部位有所差異，但總體上符合大豆根、莖、葉積累鎘的能力較強(qiáng)，籽粒積累能力較弱的規(guī)律。與M處理相比，L處理下浙鮮12號(hào)的、未進(jìn)一步下降，、與CK處理無顯著差異。

表3 鈍化劑對(duì)大豆各部位鎘生物富集系數(shù)的影響Table 3 Effects of soil amendment on Cd bioconcentration factor in soybean tissues

由圖3可知，與CK相比，M處理分別使浙農(nóng)6號(hào)、浙鮮9 號(hào)、浙鮮12 號(hào)的產(chǎn)量提高14.7%、16.7%、16.1%，浙鮮19 號(hào)的產(chǎn)量下降了5%，差異均未達(dá)到顯著水平。在L 處理下，浙鮮12 號(hào)產(chǎn)量較CK 提升34.6%，達(dá)到顯著水平。

圖3 鈍化劑施用對(duì)大豆產(chǎn)量的影響Figure 3 Effects of soil amendment application on soybean yield

2.4 土壤環(huán)境因子與大豆各部位鎘含量相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探究大豆各部位鎘含量與土壤環(huán)境因子之間的聯(lián)系，對(duì)環(huán)境因子及多個(gè)品種大豆各部位鎘含量進(jìn)行mantel 分析。由圖4 可知，土壤pH、碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘、土壤有效態(tài)鎘與大豆籽粒、根、葉（除pH）鎘含量存在極顯著（＜0.01）或顯著相關(guān)性（＜0.05）。此外，根部鎘含量還與鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘存在顯著相關(guān)性。

圖4 土壤中環(huán)境因子與大豆鎘含量的mantel分析Figure 4 Mantel analysis of soil environmental factors and Cd content in soybean tissues

3 討論

3.1 鎘污染耕地大豆安全生產(chǎn)的可行性

自身遺傳性狀會(huì)導(dǎo)致不同品種大豆對(duì)鎘的積累能力存在明顯差異，利用這一性狀，可以篩選低鎘品種，降低大豆鎘超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。低鎘品種篩選試驗(yàn)中，土壤鎘濃度為0.49 mg·kg，供試的13 個(gè)大豆品種籽粒鎘含量均低于0.2 mg·kg，符合安全生產(chǎn)要求。其中浙鮮19 號(hào)、浙鮮12 號(hào)顯著低于其他品種，更適宜在鎘污染安全利用區(qū)推廣。

ZHAN 等研究發(fā)現(xiàn)，大豆在鎘脅迫下會(huì)重新分配各部位鎘負(fù)荷，以減弱鎘對(duì)籽粒的毒害作用。浙鮮9 號(hào)與浙鮮12 號(hào)更低，高于浙農(nóng)6 號(hào)與浙鮮19 號(hào)（表3），說明浙鮮9 號(hào)、浙鮮12 號(hào)的此類保護(hù)機(jī)制效果強(qiáng)于浙農(nóng)6號(hào)與浙鮮19號(hào)。此外，相關(guān)研究指出大豆自我保護(hù)機(jī)制不足以應(yīng)對(duì)較高水平的鎘脅迫，鈍化劑試驗(yàn)中，所有供試品種籽粒鎘含量與前期試驗(yàn)相比均明顯升高，可能是由于環(huán)境中鎘濃度過高導(dǎo)致保護(hù)機(jī)制失效。CK 處理下，所有大豆籽粒鎘濃度均超過0.2 mg·kg（表2），因此，單一通過低鎘品種篩選難以保障大豆在鎘污染水平較高區(qū)域的安全生產(chǎn)。

3.2 鈍化劑影響土壤理化性質(zhì)和鎘形態(tài)分布的機(jī)制

硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。以氧化鈣與氧化鎂為主要成分的鈍化劑施用對(duì)土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量無顯著影響。有效磷在L 處理下下降51.7%，同時(shí)M 組與L 組土壤的pH 值從4.65分別上升至7.75與7.31（表1）。考慮到當(dāng)?shù)厮嵝酝寥乐薪粨Q性鋁含量較高，可能是由于土壤pH 升高后交換性鋁水解形成對(duì)磷吸附能力較強(qiáng)的羥基鋁聚合物，從而降低了土壤中有效磷的含量。

TESSIER等在1979年提出了五步法，可用于分離土壤中不同形態(tài)的鎘，其中水溶態(tài)鎘可以直接被植物吸收，可交換態(tài)鎘比碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘更易被植物吸收，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘、有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘、殘?jiān)鼞B(tài)鎘無法被植物吸收。鈍化劑施用使可交換態(tài)鎘占比顯著下降，碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘占比均上升（圖2），導(dǎo)致土壤中易被大豆利用的鎘組分減少，這種變化趨勢(shì)在此前一些研究中曾被報(bào)道。然而在M處理下，浙農(nóng)6號(hào)與浙鮮19號(hào)的籽粒鎘含量仍超過國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限制（表2），說明僅施用1 500 kg·hm鈍化劑無法消除大豆在鎘污染嚴(yán)格管控區(qū)種植的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 鈍化劑施用影響大豆各部位鎘積累的機(jī)制

土壤環(huán)境中，由于鈍化劑施用后pH升高，降低了土壤鎘的生物有效性，減少了大豆鎘積累。另外，鈍化劑中的鈣能夠與鎘競(jìng)爭(zhēng)植物根系上的吸收位點(diǎn)并阻止鎘向地上部運(yùn)輸，在一定程度上抑制了大豆對(duì)鎘的吸收利用。此外，相關(guān)研究證明土壤中有效態(tài)鎘的含量與大豆籽粒中的鎘含量存在顯著的正相關(guān)性，鈍化劑施用降低土壤中的有效態(tài)鎘含量可能是籽粒鎘含量降低的主要原因，這與本次研究中mantel分析結(jié)果一致（圖4）。

環(huán)境鎘濃度較高時(shí)，大豆植株的根和葉會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的鎘積累能力以減少籽粒中的鎘。當(dāng)環(huán)境中的鎘脅迫減弱，此類轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制弱化，可能是根與葉鎘積累能力下降（表3）的主要原因，針對(duì)其他作物（如水稻）的研究也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。除浙鮮12 號(hào)莖部鎘積累顯著降低外，鈍化劑處理沒有改變多數(shù)品種莖部對(duì)鎘的積累，可能是由于鎘脅迫下，大豆的莖部主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)而非積累鎘，具體的分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3.4 鈍化劑施用影響大豆產(chǎn)量的機(jī)制

鎘脅迫下，大豆會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量下降、植株低矮、籽粒干癟扭曲等情況。L 處理下大豆產(chǎn)量顯著提高（圖3），一方面是由于鈍化劑的施用降低了鎘對(duì)大豆的毒害作用，另一方面可能是鈍化劑中的鎂、硅等元素對(duì)大豆的生長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用。此外，試驗(yàn)選用的鈍化劑對(duì)土壤肥力并無增強(qiáng)作用，因此M處理下大豆產(chǎn)量無顯著變化。本研究中鈍化劑處理的主要目的是保障大豆在鎘污染耕地上的安全生產(chǎn)，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，使用中量鈍化劑處理即可達(dá)到目標(biāo)效果。

4 結(jié)論

（1）在鎘污染安全利用區(qū)耕地[土壤總鎘含量為（0.49±0.04）mg·kg，pH 為6.31]種植13 個(gè)大豆品種，籽粒鎘含量均未超過國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限量（0.2 mg·kg），大豆安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較低。

（2）通過低鎘品種篩選試驗(yàn)，篩選出具有鎘低積累性狀的浙鮮9號(hào)、浙鮮12號(hào)，配合中量鈍化劑（1 500 kg·hm）在鎘污染嚴(yán)格管控區(qū)[土壤總鎘含量為（1.69±0.25）mg·kg，pH 為4.65]種植，籽粒中的鎘含量為0.13 mg·kg，實(shí)現(xiàn)了大豆在鎘污染嚴(yán)格管控區(qū)耕地的安全生產(chǎn)。

（3）高量鈍化劑（3 000 kg·hm）施用使浙鮮12號(hào)產(chǎn)量提升了34.6%，但較中量鈍化劑并未進(jìn)一步降低浙鮮12 號(hào)鎘積累。實(shí)際生產(chǎn)中，需結(jié)合土壤鎘污染程度、經(jīng)濟(jì)效益等綜合考慮適合的鈍化劑用量。