巨型水稻——镉污染稻田可持续修复的独特候选者及其根系阻隔机制

《Rice》：Giant Rice Is a Unique Candidate for the Sustainable Phytoremediation of Cadmium-Contaminated Paddy Fields

本研究针对镉污染农田修复缺乏理想超富集植物的难题，通过土柱与蒸渗仪实验系统评估了高生物量作物巨型水稻在不同水分管理下的镉积累特性。研究发现持续淹水条件下巨型水稻籽粒镉含量显著低于常规水稻（BCFGrain=0.015-0.034），其根系通过铁膜形成（23.5% Cd固定）和细胞壁结合（44.5% Cd固定）实现高效镉阻隔；半干旱条件下再生巨型水稻茎秆镉富集系数高达13.4，对耕层镉的去除率达28.3%。该研究为构建"上半年安全生产+下半年高效修复"的稻田镉污染治理新模式提供了理论依据与实践路径。

　　

全球范围内约14-17%的耕地受到有毒金属污染，其中镉（Cd）因其易通过食物链累积的特性尤为引人关注。水稻作为全球半数人口的主粮，对镉具有特殊的富集能力，市场调查显示中国有近10%的商品稻米存在镉超标风险。传统修复技术如客土法成本高昂，而低积累水稻品种仅适用于中度污染农田，高生物量超富集植物则因缺乏配套农艺机械难以推广。在这一背景下，兼具高生物量与特殊镉响应特性的巨型水稻（Giant rice）为破解困局提供了新思路。

为系统评估巨型水稻的修复潜力，华南农业大学研究团队通过土柱模拟（PVC柱分层填充污染/未污染土壤）与蒸渗仪实验（1 m3规模田间模拟），对比了巨型水稻与常规水稻（Simiao）在不同水分管理下的生长响应与镉分配规律。实验设置持续淹水（SF）和半干旱（SD，分蘖后期排水）两种水分模式，采用微波消解-石墨炉原子吸收法测定植物与土壤镉含量，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和DCB提取法解析根系铁膜形成机制。

生长优势与产量表现

巨型水稻成熟期株高达187-195 cm，为常规水稻的1.59倍，其根系可深入40 cm以下亚土层，单株根长超70 cm。在蒸渗仪实验中，巨型水稻单季稻谷与秸秆干重分别达4428-7200 kg/ha和9148-11452 kg/ha，显著高于常规水稻（表1）。半干旱条件未抑制其生长，表明其具备抗旱性与高生物量协同优势。

镉积累的空间分异特征

持续淹水条件下，巨型水稻籽粒镉含量（0.0079 mg/kg）与常规水稻无显著差异，均低于食品安全标准（0.2 mg/kg）。但转为半干旱条件后，二者籽粒镉含量均超标（0.54-0.56 mg/kg），而巨型水稻茎秆镉含量（16.03 mg/kg）达常规水稻的3.6倍，且镉主要富集于基部茎节（III、IV节位），形成"基部拦截"效应（图5）。再生栽培模式下，巨型水稻茎秆镉富集系数（BCF_Straw）跃升至13.4，对耕层镉的提取率达18.7%，显著高于象草（Pennisetum hybridum）的9.6%（表5）。

根系阻隔机制解析

巨型水稻根系表面铁膜含量（108 mg/kg）显著高于常规水稻（81 mg/kg），其吸附的镉占根表总镉的63.2%（常规水稻为38.8%）。亚细胞分布显示，半干旱条件下巨型水稻根系59.4%的镉固定在细胞壁，仅9.6%进入原生质体（图2）。FTIR光谱证实其根系富含羧基（-COOH）、Fe-O等官能团（表6），为镉的络合沉淀提供了更多位点。

修复潜力与农艺创新

通过"上半年淹水生产+下半年排水修复"的周年组合模式，巨型水稻实现了低镉稻谷生产与土壤镉去除的双重目标。再生栽培减少翻耕环节，可降低劳动力成本与碳足迹。但需注意强风区种植风险，且机械化收割时需确保基部高镉茎秆的完全移除。

该研究首次揭示了巨型水稻通过"铁膜-细胞壁"双重屏障调控镉转运的生理机制，为重金属污染农田的边生产边修复提供了创新方案。未来需通过大田试验验证其实际修复效率，并优化配套农艺规程以推动应用落地。