2023, Vol. 44
土壤酸化和重金属污染严重威胁着中国粮食安全和农业可持续发展.近年来, 中国耕地酸化面积不断扩大, 土壤pH < 5.5的耕地面积由30年前的1.13×108 hm2增加到了1.51×108 hm2[1].文献[2]显示, 中国粮食主产区黄淮海平原、长江中游及江淮地区、四川盆地耕地土壤重金属点位超标率分别为12.2%、30.6%和43.6%, 其中镉污染居于首位, 点位超标率达17.4%.中国耕地资源有限, 为保障居民生活和农业生产, 在受酸化和轻中度污染的农田种植农作物已成为现在农业生产现状.镉容易被作物吸收, 通过土壤-作物运输系统对人体造成严重的健康风险.普通非吸烟者主要的镉暴露途径是通过植物源性食物从膳食中摄入, 占总镉摄入量的90.0%[3, 4].
小麦是世界上最重要的粮食作物之一, 是全球一半以上人口的主食, 全球年产量达7.5亿t[5].Li等[6]通过Meta分析定量探究了粮食作物小麦和水稻对镉的吸收和转运能力, 结果表明小麦籽粒镉富集因子显著高于水稻.目前“镉麦”问题频发, 引起了国内外公众的广泛关注.Yang等[7]在2017~2019年采集河南济源206对土壤和小麦点对点样品, 测定镉含量, 结果表明土壤镉含量均值为(1.52±2.20)mg·kg-1, 小麦籽粒镉含量均值为(0.198±0.201)mg·kg-1, 超过了食品安全国家标准(0.10 mg·kg-1, GB 2762-2017).Li等[8]研究发现河南某铅冶炼厂附近农田小麦籽粒镉含量超标率100%.目前, 湖南[9]、四川[10]、山东[11]、湖北[12]和河北[13]等地也出现了“镉麦”问题.受镉污染的小麦制品占北方人群镉摄入量的43.0%[14], 小麦的安全生产亟待解决.明确影响小麦镉吸收和迁移的因素至关重要.
到目前为止, 学者对影响小麦吸收积累镉的因素进行了大量研究.陈洁等[9]研究得出土壤镉含量和有机质与小麦籽粒镉富集因子呈显著负相关关系(50对土壤小麦样品).管伟豆[15]研究则得出小麦籽粒镉富集因子与土壤pH和土壤黏粒呈显著负相关关系, 与土壤有机质呈显著正相关关系, 与土壤阳离子交换量和有效态镉(DTPA-Cd)无显著相关性(147对土壤小麦样品).Ran等[16]研究得出小麦籽粒镉含量与土壤pH、钾含量、磷含量呈显著负相关关系, 与有机质、阳离子交换量、粘粒呈显著正相关关系(99对土壤小麦样品).近年来研究者又发现小麦籽粒镉积累能力存在显著的品种差异[11, 17, 18], 品种也是影响小麦籽粒镉含量的重要因素.由于受样点数、试验地点、品种等因素限制, 关于小麦吸收积累镉的影响因素, 部分研究得出了相互矛盾的结论.而且大多数研究得出的结论是定性的, 而非定量的.鉴于此, 对小麦吸收积累镉的影响因素开展系统、综合和定量的分析是必要的.
Meta分析是一种基于文献资料的定量化综合评价多个同类独立研究结果的统计方法, 近年来被广泛用于研究环境和生态问题[19~21].本研究采用Meta分析探究了不同因素对小麦籽粒镉含量的影响, 包括土壤镉含量、pH、有机质、阳离子交换量、碱解氮、有效磷、速效钾、研究区域和品种, 进而运用决策树分析探究土壤理化性质中影响小麦籽粒镉含量的重要因素.目的：①评价和量化不同因素条件下小麦籽粒镉含量超标率; ②通过决策树分析确定影响小麦籽粒镉含量的重要因素, 构建预测模型; ③筛选低镉积累小麦品种.本研究结果可为小麦安全生产提供科学指导, 完善农业污染土壤治理策略.
1 材料与方法 1.1 数据搜集为分析小麦籽粒镉含量的影响因素, 本研究搜集了2011~2021年期间发表的相关论文, 数据库包括Web of Science(https://apps.webofknowledge.com/), ScienceDirect(https://www.sciencedirect.com/), 中国知网(http://www.cnki.net/)和百度学术(https://xueshu.baidu.com/).搜索的英文关键词为“Triticum aestivum L. or wheat or wheat grain or wheat cultivar or crop”和“cadmium or Cd or Cd accumulation or heavy metal”, 中文关键词为“小麦 & 小麦品种 & 作物 & 镉 & Cd & 重金属”.为确保数据的准确性, 搜集的论文必须符合以下标准：①试验必须为田间试验, 盆栽、水培和沙培研究除外; ②试验地点必须位于中国, 国外的研究除外; ③小麦品种必须为中国品种, 国外的品种除外; ④土壤和小麦镉含量测定必须采用国家标准方法.经过严格的筛选, 共有56篇论文符合要求.搜集的土壤和小麦基本信息如表 1所示, 分析区域涵盖中国河南、湖北和山东等14个省级行政区域.从文献中提取籽粒镉含量、土壤镉含量、小麦籽粒镉富集因子、pH、有机质、阳离子交换量、碱解氮、有效磷、速效钾、小麦品种和试验地点等信息.通过软件GetData Graph Digitizer(版本2.26)对图中数据进行提取.若未直接给出小麦籽粒镉富集因子, 该数据由小麦籽粒镉含量/土壤镉含量, 计算而得.
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表 1 Meta分析的土壤和小麦样品基本信息 Table 1 Basic information of soil and wheat samples for Meta-analysis |
1.2 数据分析 1.2.1 Meta分析
运用单组率的Meta分析定量研究各种因素对小麦籽粒镉含量的影响.小麦籽粒镉含量超标率效应值计算公式如下：
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(1) |
式中, Xn为小麦籽粒镉含量超过食品安全国家标准0.10 mg·kg-1(GB 2762-2017)的样点数, XN为样点总数.效应值越大, 说明小麦籽粒镉含量超标率越高.
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(2) |
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(3) |
式中, Se为标准误, 95%CI为效应值的95%置信区间, 范围越窄, 横线越短, 说明估计的效应值越精确, 若综合效应的95%CI区间不包含0, 则说明该因素对小麦籽粒镉含量有显著影响, 若两组数据之间的95%CI不重叠, 则表示两组数据有显著差异[22].
数据异质性检验通过Q检验和I2检验, 采用随机效应模型, 既考虑了研究内部的变异性, 也考虑了研究之间的变异性.
1.2.2 决策树分析决策树模型是一种应用广泛的非参数分类器, 数据要求低, 对缺失数据的容忍度高, 可以同时使用连续变量和分类变量作为自变量.本研究选用CART(classification and regression trees)算法创建决策树, 基于基尼系数进行特征选择, 选择基尼系数最小的特征及其对应的取值作为最优特征和最优切分点, 将结点的数据集划分成两部分, 同时生成当前节点的两个子节点, 递归建立CART分类树.随机抽取80%的数据作为决策树的测试组, 剩余20%的数据用于决策树的检验.
1.3 数据处理本文采用Stata 16.0“metan”程序包对数据进行Meta分析, R语言4.1.2“rpart”和“rpart.plot”程序包进行决策树分析, 箱线图由OriginPro 9.1制作, 数据描述性分析通过SPSS Statistics 17.0完成.
2 结果与分析 2.1 描述性分析土壤镉含量、小麦籽粒镉含量、籽粒镉富集因子、pH、有机质、土壤阳离子交换量、碱解氮、有效磷和速效钾的数据分布特征见表 2.不同研究中土壤镉含量差异很大, 范围为0.030 0~19.6 mg·kg-1, 平均值为1.00 mg·kg-1, 超过农用地土壤污染风险筛选值的样点比例为52.6%(农用地土壤污染风险管控标准GB 15618-2018).共搜集小麦样点数1910个, 小麦籽粒镉含量平均值为0.528 mg·kg-1, 最小值为0 mg·kg-1, 最大值为3.50 mg·kg-1, 超过食品安全国家标准(0.10mg·kg-1, GB 2762-2017)的样点数为1224个, 占比为64.1%, 其中籽粒镉含量为0.10~1.00、1.00~2.00和>2.00 mg·kg-1的比例分别为44.5%、15.3%和4.29%.小麦籽粒镉富集因子范围为0~3.18, 均值为0.547, 籽粒镉富集因子大于1的比例为20.9%.本研究土壤的pH范围为4.96~8.66, 有机质和阳离子交换量均值分别为20.2 g·kg-1和16.4 cmol·kg-1.
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表 2 土壤理化性质、籽粒镉含量和富集因子描述性分析1) Table 2 Descriptive statistical summary of soil physicochemical properties, grain cadmium content, and bio-concentration factor |
2.2 小麦籽粒镉含量影响因素Meta分析 2.2.1 土壤理化性质对小麦籽粒镉含量的影响
如图 1(a)所示, 基于农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018), 土壤镉含量低于或等于风险筛选值时, 小麦籽粒镉含量超过食品安全国家标准(GB 2762-2017, 0.10 mg·kg-1)的比例为17.3%(12.3%, 22.2%)(95%置信区间, 下同); 当土壤镉含量高于风险筛选值时, 小麦籽粒镉含量超标比例为73.2%(70.9%, 75.5%).
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n为样点数, 综合表示所有样点的整体效应, ◆为平均效应值, 95%CI为95%置信区间, 下同 图 1 不同土壤镉含量和pH条件下小麦籽粒镉含量超标率效应值 Fig. 1 Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard under different soil cadmium contents and pH conditions |
土壤不同pH条件下小麦籽粒镉含量超标率的效应值如图 1(b)所示.土壤的pH≤5.5、5.5 < pH≤6.5、6.5 < pH≤7.5和pH>7.5的研究样点数分别为170、764、134和350.土壤的pH≤5.5时, 小麦籽粒镉含量超标率最高, 为99.4%(98.3%, 101%), 其次是5.5 < pH≤6.5, 小麦籽粒镉含量超标率为76.2%(73.2%, 79.2%).6.5 < pH≤7.5和pH>7.5时, 小麦籽粒镉含量超标率分别为25.4%(18.0%, 32.7%)和42.6%(37.4%, 47.8%).不同pH区间, 小麦籽粒镉含量超标率均呈现显著性差异.
为进一步探讨小麦籽粒镉含量影响因素, 对土壤养分状况(有机质、碱解氮、有效磷和速效钾)进行亚组Meta分析, 如森林图 2所示.当土壤有机质含量 < 10 g·kg-1(有机质很缺乏)时, 小麦籽粒镉含量超标率最低, 为42.8%(36.3%, 49.3%), 研究样点数222个. 10 g·kg-1≤土壤有机质含量 < 20 g·kg-1(有机质缺乏)、(a)有机质, 数值单位为g·kg-1, (b)碱解氮, 数值单位为mg·kg-1, (c)有效磷, 数值单位为mg·kg-1, (d)速效钾, 数值单位为mg·kg-1 20 g·kg-1≤土壤有机质含量 < 30 g·kg-1(中等有机质)和土壤有机质含量≥30 g·kg-1(有机质丰富)时, 小麦籽粒镉含量超标率分别为50.8%(45.2%, 56.5%)、61.0%(55.3%, 66.7%)和56.8%(45.5%, 68.0%).土壤有机质含量 < 10 g·kg-1时小麦籽粒镉含量超标率显著低于10 g·kg-1≤土壤有机质含量 < 20 g·kg-1时小麦籽粒镉含量超标率[图 2(a)].土壤碱解氮含量≥150 mg·kg-1时, 小麦籽粒镉含量超标率最高[93.5%(84.9%, 102%)], 显著高于100 mg·kg-1≤土壤碱解氮含量 < 150mg·kg-1和50 mg·kg-1≤土壤碱解氮含量 < 100 mg·kg-1时小麦籽粒镉含量超标率[图 2(b)]; 土壤有效磷含量缺乏(< 10 mg·kg-1)、中等(10~20 mg·kg-1)、丰富(20~40 mg·kg-1)和很丰富(>40 mg·kg-1)时小麦籽粒镉含量超标率分别为72.7%(46.4%, 99.0%)、68.2%(58.3%, 78.1%)、58.8%(51.5%, 66.0%)和66.7%(61.2%, 72.1%)[图 2(c)]; 土壤速效钾很丰富(≥200 mg·kg-1)时, 小麦籽粒镉含量超标率最低, 为42.2%(35.8%, 48.6%), 显著低于土壤速效钾缺乏(< 100 mg·kg-1)时小麦籽粒镉含量超标率[图 2(d)].
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(a)有机质, 数值单位为g·kg-1, (b)碱解氮, 数值单位为mg·kg-1, (c)有效磷, 数值单位为mg·kg-1, (d)速效钾, 数值单位为mg·kg-1 图 2 不同土壤养分条件下小麦籽粒镉含量超标率效应值 Fig. 2 Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard under different soil nutrient conditions |
不同土壤阳离子交换量条件下小麦籽粒镉含量超标率如图 3所示, 土壤阳离子交换量≤10 cmol·kg-1、10cmol·kg-1 < 土壤阳离子交换量≤20 cmol·kg-1和土壤阳离子交换量>20 cmol·kg-1的样点数分别为18、171和49.当土壤阳离子交换量≤10 cmol·kg-1时, 小麦籽粒镉含量超标率最高, 为94.4%(83.9%, 105%); 而土壤阳离子交换量>20 cmol·kg-1时, 小麦籽粒镉含量超标率最低, 为26.5%(14.2%, 38.9%).
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CEC为土壤阳离子交换量, 数值单位为cmol·kg-1 图 3 不同土壤阳离子交换量条件下小麦籽粒镉含量超标率效应值 Fig. 3 Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard under different soil cation exchange capacities |
本研究将小麦样点的分布区域划分为华北-东北组、华南-华东组、华中组和西南组, 样点数分别为57、369、1 055和137(图 4).华北-东北地区小麦籽粒镉含量超标率最低, 为7.00%(0.400%, 13.6%), 其次为华南-华东地区, 超标率为25.7%(21.3%, 30.2%).华中地区和西南地区小麦籽粒镉含量超标率显著高于华北-东北地区和华南-华东地区, 超标率分别为78.1%(75.6%, 80.6%)和78.8%(72.0%, 85.7%).
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图 4 不同分布区域小麦籽粒镉含量超标率效应值 Fig. 4 Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard under different distribution areas |
不同小麦品种籽粒镉含量超标率的效应值和95%CI如图 5(a)所示.所有品种籽粒镉含量总超标率为58.6%(47.4%, 69.9%).12个小麦品种中, 川麦104籽粒镉含量超标率最高, 为83.3%(62.2%, 104%); 此外, 矮抗58、内麦11和内麦836也呈现出较高的超标率, 均为77.8%(50.6%, 105%).而小麦品种良星66、良星99、烟农19和济麦22籽粒镉含量超标率较低, 分别为33.3%(2.53%, 64.1%)、37.5%(3.95%, 71.0%)、37.5%(3.95%, 71.0%)和42.9%(16.9%, 68.8%).不同小麦品种籽粒镉富集因子如图 5(b)所示, 郑麦9023、矮抗58、烟农19和川麦104籽粒镉富集因子较高, 均值分别为0.930(0.130~1.98)、0.834(0.060 0~2.07)、0.753(0.050 0~2.38)和0.715(0.160~2.07).济麦22籽粒镉富集因子最低, 均值为0.370, 其次为品种内麦11和内麦836, 籽粒镉富集因子分别为0.619和0.579.综合考虑小麦品种籽粒镉含量和富集因子, 济麦22被筛选为低镉积累小麦品种, 优先推荐种植于镉污染农田, 而品种川麦104和矮抗58不建议种植于镉污染农田, 会增加小麦镉食用风险.
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(a)籽粒镉含量, (b)籽粒镉富集因子 图 5 不同品种小麦籽粒镉含量超标率效应值和籽粒镉富集因子箱线图 Fig. 5 Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard under differentwheat cultivars and boxplots of grain cadmium bio-concentration factor |
基于决策树分析探究土壤理化性质中影响小麦籽粒镉含量的重要因素并建立预测模型(图 6).在485个样点中随机挑选80%的样点用于模型构建, 剩余20%的样点用于模型检验.结果表明, 土壤pH是影响小麦籽粒镉含量的最主要因素.当pH < 7.1时, 土壤有机质含量是影响小麦籽粒镉含量的主要因素, pH < 7.1且有机质含量低于34 g·kg-1时, 预测小麦籽粒镉含量超标, 预测的准确率为99.0%(206个样点).当pH≥7.1时, 土壤有效磷含量和土壤总镉含量是影响小麦籽粒镉含量的两个重要因素.pH≥7.1, 有效磷含量 < 25 mg·kg-1且土壤总镉含量≥1.6 mg·kg-1时, 预测小麦籽粒镉含量超标, 预测的准确率为92.0%(12个样点).小麦籽粒镉含量影响因素为: 土壤pH>土壤有机质含量、有效磷含量>土壤总镉含量.检验决策树模型的97个样点中90个样点预测结果正确, 准确率92.8%.
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每个节点表示预测的类别(籽粒镉含量超标/籽粒镉含量不超标)及籽粒镉含量超标率/不超标率, 蓝色表示籽粒镉含量不超标, 红色表示籽粒镉含量超标, 颜色越深表示预测的准确率越高 图 6 小麦籽粒镉含量影响因素决策树分析 Fig. 6 Decision tree analysis of factors affecting cadmium content in wheat grains |
土壤pH和全镉含量一直被学者认为是影响土壤镉生物有效性的两个重要因素.之前的一些研究通过土壤镉含量和pH构建回归模型预测小麦籽粒镉含量或镉富集因子, 如lgCdwheat=0.703+1.04 lgCdsoil-0.175pH(r=0.783, 模型线性关系检验P < 0.01)[16]和lgBCF=-0.566 lgCdSoil-0.170pH+0.423(r=0.726, 模型线性关系检验P < 0.01)[9]等.从模型中可得出, pH与小麦籽粒镉含量和镉富集因子呈负相关关系, 土壤全镉含量与小麦籽粒镉含量呈正相关关系, 与镉富集因子呈负相关关系.本研究中森林图分析结果显示, 土壤镉含量与小麦籽粒镉含量超标率效应值可能存在正相关关系[图 1(a)], 土壤中镉含量低于或等于风险筛选值时, 小麦籽粒镉含量超标率为17.3%, 当土壤镉含量高于风险筛选值时, 小麦籽粒镉含量超标率为73.2%.
本研究结果显示[图 1(b)], 土壤的pH≤5.5时, 小麦籽粒镉含量超标率最高, 为99.4%, 其次是5.5 < pH≤6.5, 小麦籽粒镉含量超标率为76.2%, 而6.5 < pH≤7.5, 小麦籽粒镉含量超标率仅为25.4%.土壤不同pH区间小麦籽粒镉含量超标率呈显著性差异, 土壤pH与小麦籽粒镉含量超标率呈负相关关系, 这种负相关关系已被很多研究者证实[23, 24].决策树分析结果也表明了土壤理化性质中pH是影响小麦籽粒镉含量的重要因素(图 6).土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018)也是基于pH规定了镉污染风险筛选值和管制值.从之前研究的预测模型中也可得出pH对小麦吸收积累镉有重要作用, pH均纳入了预测模型的自变量[9, 15, 16].pH影响植物吸收积累镉的可能机制如下：①土壤pH的变化会破坏土壤中金属离子与有机和无机化合物之间的键来改变金属的化学活性.酸性环境中, 土壤中镉的溶解度增大, 从而加速了碳酸盐态镉、铁锰氧化物结合态镉、有机态镉、残渣态镉向可交换态镉转化, 增加植物对镉的吸收和积累[25]; 酸性条件下, 土壤溶液中的镉主要以Cd2+或CdCl+的形式存在, 而碱性条件下主要以CdHCO3+、CdCO3或CdSO4形式存在[26]; ②土壤pH降低, 吸附到土壤固相中的金属阳离子被解吸到土壤溶液中, 从而进入土壤-植物系统; pH影响土壤固相净电荷量, pH越高, 土壤固相表面带负电荷越多, 反之亦然; 在酸性土壤条件下, 氢离子与镉竞争结合位点, 导致镉从土壤固相解吸到土壤溶液中, 相反, 在碱性条件下, 土壤固相交换位点很容易与镉结合; Kicińska等[27]研究表明, 镉污染土壤, pH降低3.5~3.7个单位, 土壤溶液中镉离子含量增加了2.00 mg·kg-1; ③土壤pH还会影响土壤Zeta电位、阳离子交换量和氧化还原电位, 进而影响镉的生物有效性[28].本研究中, pH是土壤理化性质中影响小麦吸收积累镉的重要因素, 增加土壤pH可有效降低小麦籽粒镉含量.华中地区和西南地区小麦籽粒镉含量超标率显著高于华北-东北地区和华南-华东地区, 主要是由于华中和西南地区土壤酸化情况严重, 而且其重金属背景值较高, 两者叠加导致华中和西南地区小麦籽粒镉含量超标率较高.
3.1.2 土壤养分对小麦籽粒镉含量的影响土壤有机质来源于微生物、植物和动物的分解, 对镉的迁移和生物有效性起着重要的调控作用.本研究结果显示土壤有机质含量越低, 小麦籽粒镉含量超标率也越低, 有机质含量 < 10 g·kg-1时, 小麦籽粒镉含量超标率最低, 为42.8%.目前研究者对增加土壤有机质提高还是降低了土壤中镉的生物有效性存在一些争议.Chen等[29]通过紫外可见/荧光光谱发现, 有机质的主要含氧功能基羧基和酚羟基与镉发生络合反应, 形成腐殖质-镉络合物, 降低了土壤镉的有效性, 减少了植物对镉的吸收.Lu等[30]的研究也证实向土壤中添加有机质能降低土壤重金属的有效性.相反, 一些研究则发现增加土壤有机质会提高土壤中镉的生物有效性[31].孙秀敏等[32]对45个土壤样品有机质含量与镉形态相关性进行研究, 结果表明, 土壤有机质与交换态镉含量呈显著正相关关系.腐殖质是土壤有机质的主要成分, 可溶性腐殖质与镉发生络合反应生成可溶性络合物将增加镉的移动性, 促进植物对镉的吸收[33, 34].有机质对镉生物有效性的影响因其在土壤中的形式(悬浮或溶解)、含量、来源和物理化学性质(例如摩尔质量、腐殖化阶段、官能团类型)而不同.除了这些直接影响之外, 有机质还可以通过改变土壤的物理化学性质(如阳离子交换量、pH、粒度分布、孔隙度、微生物、酶活性和土壤溶液组成)影响镉的生物有效性[35].从决策树的研究结果也可得出, 土壤有机质含量也是影响小麦籽粒镉含量的重要因素之一.
本研究结果表明, 土壤有效磷含量也影响小麦对镉的吸收和积累.Ma等[36]在两种镉污染程度相近但磷供应水平不同的石灰性土壤研究了小麦吸收镉的特性和机制, 结果表明低磷土壤pH、氧化物结合态镉和有机结合态镉含量显著低于高磷土壤, 而可交换态镉含量、土壤碱性磷酸酶和植酸酶活性显著高于高磷土壤, 导致低磷土壤小麦籽粒镉含量显著高于高磷土壤.在低磷土壤中, 植物根系向根际土壤释放质子和羧酸盐活化吸附的磷(主要是Ca8-P和Ca10-P)[37, 38], 降低了根际土壤pH, 加速了碳酸盐结合态镉的溶解, 增加了可交换态镉含量.姚臻晖等[39]研究结果表明施用含磷钝化剂, 通过与镉生成磷酸盐沉淀, 有效降低了土壤有效态镉含量.Li等[40]研究发现施用磷肥显著降低了土壤有效态镉含量, 归因于: ①施用磷肥增加了土壤负电荷和pH, 进而增强了土壤颗粒对镉的吸附; ②有效磷的增加促进了土壤中Cd3(PO4)2和Cd5(PO4)3OH/Cl等镉沉淀的形成.
3.2 品种对小麦籽粒镉含量的影响为了小麦安全生产, 人们尝试在轻中度镉污染农田筛选和种植低镉积累小麦品种[11, 17].Zhang等[17]在土壤镉含量为1.12 mg·kg-1(pH=7.15)的镉污染土壤种植8个小麦品种, 其中6个小麦品种籽粒镉含量低于食品安全国家标准(0.10 mg·kg-1).陈亚茹等[41]在261个小麦品种中筛选出10个低镉积累品种种植于土壤镉含量为2.4 mg·kg-1(pH=7.35)的镉污染农田, 籽粒镉含量低于食品安全国家标准.张成等[42]在土壤镉含量为0.610 mg·kg-1, pH=6.11的农田研究不同小麦品种的镉积累特性, 20个小麦品种中仅川育24、川麦56、蜀麦482和内麦11小麦籽粒镉含量低于食品安全国家标准, 这4个小麦品种种植于当前镉污染农田, 可有效控制小麦镉食用风险.由此可见, 种植低镉积累小麦品种是实现镉污染农田安全利用的有效措施.不同小麦品种籽粒镉含量和镉富集因子存在差异, 综合小麦籽粒镉含量和富集因子, 济麦22被筛选为低镉积累小麦品种(图 5).济麦22是全国推广种植面积最大的小麦品种, 2017年种植面积达1.13×104 km2(约1687万亩), 山东种植面积8.87×103 km2(约1324万亩), 河北种植面积7.91×102 km2(约118万亩), 江苏种植面积5.36×102 km2(约80万亩), 安徽种植面积4.82×102 km2(约72万亩), 山西种植面积4.42×102 km2(约66万亩), 天津种植面积1.74×102 km2(约26万亩), 河南种植面积6.70 km2(约1万亩).小麦品种的低镉积累与其遗传特性有关, 例如转运蛋白的低表达[43]、较小的根形态参数(根长、表面积和体积)[44]等, 也与其根际分泌物和微生物群落相关[45].刘娜[46]研究发现低镉积累小麦品种根际土壤细菌群落中Gemmatimonadetes、Chloroflexi、Planctomycetes和Firmicutes相对丰度显著高于高镉积累小麦品种.品种是影响小麦籽粒镉含量的重要因素.在中国和印度等一些人口众多的国家, 利用重金属污染的农田进行农业生产是不可避免的, 种植重金属低积累作物是这些地区实现粮食安全的经济有效措施.
Meta分析和决策树分析的结果略有不同, 比如Meta分析得出阳离子交换量、碱解氮、速效钾等土壤理化性质影响小麦籽粒镉含量, 但这些指标在决策树分析中未体现其重要性.这是因为Meta分析基于整个数据集分别评估每个因素, 而决策树通过顺序进程对因素重要性进行排序.决策树结果表明, 土壤理化性质中影响小麦籽粒镉含量的主要因素依次为pH、有机质、有效磷和土壤全镉含量.
4 结论小麦籽粒镉含量超标率为：华北-东北地区(7.00%) < 华南-华东地区(25.7%) < 华中地区(78.1%)、西南地区(78.8%).种植低镉积累小麦品种, 增加土壤pH和有效磷含量, 降低土壤有机质和全镉含量可有效降低小麦籽粒镉含量.本研究结果有助于指导小麦安全生产, 加强农业污染土壤的控制策略.
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