小麦籽粒镉含量影响因素Meta分析和决策树分析_刘娜.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023小麦籽粒镉含量影响因素 Meta 分析和决策树分析刘娜，张少斌，郭欣宇，宁瑞艳(山西农业大学资源环境学院，太谷030801)摘要:快速的城市化、工业化和农业集约化造成了严重的土壤问题，如土壤酸化和镉污染等，严重威胁着中国的粮食安全和人体健康 小麦是中国第二大粮食作物，对镉有较强的积累能力 探明小麦籽粒镉含量的影响因素对保障小麦安全生产至关重要 然而，目前对小麦籽粒镉含量的影响因素还缺乏全面和定量的分析 对近 10 年发表的 56 篇相关论文进行 Meta 分析和决策树分析，结果表明，土壤样点中镉含量超过农用地土壤污染风险筛选值的比例为 52.6%，小麦籽粒镉含量超过食品安全国家标准(0.10 mg kg1，GB 2762-2017)的比例为 64.1%土壤理化性质中，pH、有机质、有效磷和土壤全镉含量是影响小麦籽粒镉含量的重要因素 土壤的 pH5.5 和 5.5 pH 6.5 时小麦籽粒镉含量超标率分别为 99.4%和 76.2%;20 g kg1土壤有机质含量 30 g kg1时，小麦籽粒镉含量超标率最高，为 61.0%农田土壤的 pH 7.1 且全镉含量 1.60 mg kg1时有利于小麦安全生产 不同小麦品种籽粒镉含量和镉富集因子存在差异，种植低镉积累小麦品种是降低小麦籽粒镉含量的经济有效措施 研究结果可为镉污染农田小麦安全生产提供科学依据关键词:小麦;镉;影响因素;Meta 分析;决策树分析中图分类号:X171.5文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2265-10DOI:1013227/j hjkx202204090收稿日期:2022-04-08;修订日期:2022-06-21基金项目:国家自然科学基金项目(42107044);山西省回国留学人员科研 项 目(2021-069);来 晋 工 作 奖 励 基 金 项 目(SXBYKY2021038);山西农业大学科技创新基金项目(2020BQ55)作者简介:刘娜(1992 )，女，博士研究生，讲师，主要研究方向为重金属污染农田安全利用，E-mail:liuna sxau edu cnInfluencing Factors of Cadmium Content in Wheat Grain:A Meta-analysis andDecision Tree AnalysisLIU Na，ZHANG Shao-bin，GUO Xin-yu，NING ui-yan(College of esource and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)Abstract:apid urbanization，industrialization，and agricultural intensification have resulted in serious soil problems，such as soil acidification and cadmium pollution，affecting food security and human health Wheat is the second largest food crop in China and has a strong accumulation capacity for cadmium Understanding the influencingfactors of cadmium content in wheat grain is crucial to realize the safe production of wheat However，a comprehensive and quantitative analysis of how soil physicochemicalproperties and cultivars affect wheat cadmium accumulation is lacking The Meta-analysis and decision tree analysis of 56 related studies published in the past 10 years showedthat the proportion of cadmium content in soil and wheat grain exceeding the national standard was 52.6%and 64.1%，respectively Among soil physical and chemicalproperties，pH，organic matter，available phosphorus，and total soil cadmium content were the important factors affecting the cadmium content in wheat grains When soil pH5.5 and 5.5 pH6.5，the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard was 99.4%and 76.2%，respectively When 20 g kg1soilorganic matter content 30 g kg1，the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard was the highest(61.0%)Soil pH7.1 and totalcadmium content 1.60 mg kg1was suitable for wheat safety production There were significant differences in grain cadmium content and cadmium enrichment factorsamong different wheat cultivars Planting wheat cultivars with low cadmium accumulation is an economical and effective measure to decrease cadmium content in wheat grainsThe current study can provide guidance for the safe production of wheat in cadmium-contaminated farmlandKey words:wheat;cadmium;influence factor;Meta-analysis;decision tree analysis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 108hm2增加到了 1.51 108hm2 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 t5 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 kg1，小麦籽粒镉含量均值为(0.198 0.201)mg kg1，超过了食品安全国家标准(0.10 mg kg1，GB 2762-2017)Li 等 8 研究发现河南某铅冶炼厂附环境科学44 卷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)an 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:评价和量化不同因素条件下小麦籽粒镉含量超标率;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;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 webofknowledgecom/)，ScienceDirect(https:/www sciencedirectcom/)，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 orwheat cultivar or crop”和“cadmium or Cd or Cdaccumulation 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:试验必须为田间试验，盆栽、水培和沙培研究除外;试验地点必须位于中国，国外的研究除外;小麦品种必须为中国品种，国外的品种除外;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，计算而得表 1Meta 分析的土壤和小麦样品基本信息Table 1Basic information of soil and wheat samples for Meta-analysis研究区域分布状况华北-东北组北京(n=141)、天津(n=136)、河北(n=120)和内蒙古(n=21)华南-华东组山东(n=427)、安徽(n=27)、江苏(n=94)和浙江(n=30)华中组河南(n=635)、湖北(n=548)和湖南(n=62)西南组四川(n=138)其它黄淮海小麦优势产区和长江中下游小麦优势产区共采集(n=35)、6 个省级行政区域共采集(n=146，新疆、陕西、河南、山东、北京和天津)1.2数据分析1.2.1Meta 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:=Xn/XN 100%(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 kg1(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Se=(1 )/XN(2)95%CI=1 96Se(3)66224 期刘娜等:小麦籽粒镉含量影响因素 Meta 分析和决策树分析式中，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CAT(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 CAT 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，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 19.6mg kg1，平均值为 1.00 mg kg1，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 0.528mg kg1，最 小 值 为 0 mg kg1，最 大 值 为 3.50mg kg1，超过食品安全国家标准(0.10 mg kg1，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 kg1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 kg1和 16.4cmol kg1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 2Descriptive statistical summary of soil physicochemical properties，grain cadmium content，and bio-concentration factor项目籽粒镉含量/mg kg1土壤镉含量/mg kg1籽粒镉 BCFpH有机质含量/g kg1CEC/cmol kg1碱解氮含量/mg kg1有效磷含量/mg kg1速效钾含量/mg kg1均值0.5281.000.5477.3520.216.410237.8158中位数0.2090.5500.2417.5119.315.510028.6116极小值00.030 004.960.1506.0022.67.6046.1极大值3.5019.63.188.6644.632.3253105350标准差0.6311.540.6870.847.474.5639.823.388.8下四分位数0.064 20.2850.1077.0315.713.283.920.693.5上四分位数0.8621.360.4988.0124.618.412047.62111)BCF 为富集系数，CEC 为阳离子交换量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 kg1)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%)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 pH5.5、5.5 pH6.5、6.5 pH7.5 和 pH 7.5 的研究样点数分别为 170、764、134 和 350 土壤的 pH5.5 时，小麦籽粒镉含量超标率最高，为 99.4%(98.3%，101%)，其次是 5.5 pH6.5，小麦籽粒镉含量超标率为 76.2%(73.2%，79.2%)6.5 pH7.5 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 kg1(有机质很缺乏)时，小麦籽粒镉含7622环境科学44 卷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 1Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceedingthe national standard under different soil cadmium contents and pH conditions量超标率最低，为 42.8%(36.3%，49.3%)，研究样点数 222 个 10 g kg1土壤有机质含量 20(a)有机质，数值单位为g kg1，(b)碱解氮，数值单位为mg kg1，(c)有效磷，数值单位为mg kg1，(d)速效钾，数值单位为mg kg1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 2Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standard under different soil nutrient conditionsg kg1(有机质缺乏)、20 g kg1土壤有机质含量30 g kg1(中等有机质)和土壤有机质含量30g kg1(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 kg1时小麦籽粒镉含量超标率显著低于10 g kg1土壤有机质含量 20 g kg1时小麦籽粒镉含量超标率 图 2(a)土壤碱解氮含量150mg kg1时，小麦籽粒镉含量超标率最高 93.5%(84.9%，102%)，显著高于 100 mg kg1土壤碱解氮含量 150 mg kg1和 50 mg kg1土壤碱解氮含量 100 mg kg1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 kg1)、中等(10 20 mg kg1)、丰富(20 40 mg kg1)和很丰富(40 mg kg1)时小麦籽粒镉含量超标率分别为 72.7%(46.4%，99.0%)、68.2%(58.3%，86224 期刘娜等:小麦籽粒镉含量影响因素 Meta 分析和决策树分析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 kg1)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 mgkg1)时小麦籽粒镉含量超标率 图 2(d)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 10cmol kg1、10 cmol kg1 土壤阳离子交换量20cmol kg1和土壤阳离子交换量 20 cmol kg1的样点数分别为 18、171 和 49 当土壤阳离子交换量10 cmol kg1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 20cmol kg1时，小 麦 籽 粒 镉 含 量 超 标 率 最 低，为26.5%(14.2%，38.9%)CEC 为土壤阳离子交换量，数值单位为cmol kg1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 3Effect size of the proportion of cadmium contentin wheat grain exceeding the national standardunder different soil cation exchange capacities2.2.2分布区域对小麦籽粒镉含量的影响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%)2.2.3品种对小麦籽粒镉含量的影响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%图 4不同分布区域小麦籽粒镉含量超标率效应值Fig 4Effect size of the proportion of cadmium contentin wheat grain exceeding the national standardunder different distribution areas(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2.3小麦籽粒镉含量影响因素决策树分析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 kg1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 pH7.1 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 pH7.1，有效磷含量 25 mg kg1且土壤总镉含量1.6 mg kg1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9622环境科学44 卷(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 5Effect size of the proportion of cadmium content in wheat grain exceeding the national standardunder differentwheat cultivars and boxplots of grain cadmium bio-concentration factor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 6Decision tree analysis of factors affecting cadmium content in wheat grains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%3讨论3.1土壤理化性质对小麦籽粒镉含量的影响3.1.1土壤全镉含量和 pH 对小麦籽粒镉含量的影响土壤 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+1.04lgCdsoil0.175pH(r=0.783，模型线性关系检验 P0.01)16 和 lgBCF=0.566 lgCdSoil0.170pH+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 pH5.5时，小麦籽粒镉含量超标率最高，为 99.4%，其次是5.5 pH6.5，小麦籽粒镉含量超标率为 76.2%，而 6.5 pH7.5，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07224 期刘娜等:小麦籽粒镉含量影响因素 Meta 分析和决策树分析呈显著性差异，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: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CdHCO+3、CdCO3或 CdSO4形式存在26;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;Kiciska 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 kg1;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 kg1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: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;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 kg1(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(0.10mg kg1)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 2.4mg kg1(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 kg1，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1722环境科学44 卷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 104km2(约 1687 万亩)，山东种植面积 8.87103km2(约 1324 万亩)，河北种植面积 7.91 102km2(约 118 万亩)，江苏种植面积 5.36 102km2(约 80 万亩)，安徽种植面积 4.82 102km2(约 72万亩)，山西种植面积 4.42 102km2(约 66 万亩)，天津种植面积 1.74 102km2(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