增温对西北干旱区石灰性镉污染土壤中小麦生长及镉吸收的影响机制与粮食安全风险

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Effects of warming on growth and Cd uptake by wheat in Cd-contaminated calcareous soils in the arid region of Northwest China

本研究针对全球变暖与土壤镉污染协同威胁粮食安全的问题，通过田间增温实验（+2°C）探究了干旱区石灰性土壤中小麦生长及镉积累的响应机制。结果表明，增温显著降低小麦株高和产量，但提高土壤镉生物有效性及籽粒镉含量（超标38.10%），揭示了增温通过改变根际微环境与作物生理特性共同促进镉积累的路径，为气候变暖背景下污染区粮食安全风险评估提供科学依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，地表气温持续上升，干旱区增温速率甚至高于全球平均水平，这对本已脆弱的农业生态系统带来严峻挑战。与此同时，土壤镉污染问题日益凸显，尤其在中国西北干旱区，石灰性土壤虽对镉有一定固定作用，但在气候变化背景下其环境行为与生态风险尚不明确。小麦作为主要粮食作物，其安全生产面临升温与污染双重压力。在此背景下，理解增温如何影响小麦对镉的吸收与积累，对于保障粮食安全与人体健康具有重要意义。

为探究这一问题，兰州大学的研究团队在甘肃省定西市农业科学院试验站开展了一项田间增温实验。该研究采用红外加热器模拟SSP5-8.5高排放情景下世纪末的增温水平（+2°C），持续整个小麦生长季，系统分析增温对小麦农艺性状、抗氧化系统、土壤理化性质、酶活性、微生物群落及镉形态转化的影响。研究运用了土壤镉形态连续提取技术（Tessier法）、原子吸收光谱（AAS）测定镉含量、土壤酶活性检测（碱性磷酸酶AKP、β-葡萄糖苷酶GLU、过氧化氢酶CAT等）、植物生理指标（叶绿素、超氧阴离子OFR、丙二醛MDA、超氧化物歧化酶SOD等）测定以及16S rRNA基因测序分析微生物群落结构，并采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）整合多因子路径关系。

3.1. 温度变化

增温处理使生长季平均气温和土壤温度分别升高2.0°C和1.59°C，成功模拟了预设增温场景。

3.2. 土壤理化性质

增温显著降低土壤pH、碳酸钙（CaCO₃）、有机质（SOM）和有效磷含量，但提高了溶解性有机碳（DOC），显示增温加速了碳酸盐溶解与有机质矿化。

3.3. 小麦生长

增温导致小麦株高、叶面积、千粒重和产量显著下降，叶绿素a和总叶绿素含量降低，表明光合能力受损，生长受到抑制。

3.4. 抗氧化酶活性

增温条件下，小麦叶片中OFR、MDA、SOD、谷胱甘肽还原酶（GR）和CAT活性均显著上升，说明增温诱发氧化应激，激活抗氧化防御系统。

3.5. 小麦镉积累

增使小麦根、茎、壳和籽粒镉浓度显著增加，籽粒镉含量上升38.10%，超过国家食品安全标准限值（0.1 mg·kg^?1），达0.116 mg·kg^?1。

3.6. 土壤镉形态

增温显著提高交换态镉和生物有效镉含量，降机结合态、氧化物结合态和碳酸盐结合态镉比例，表明增温促进镉从稳定形态向活性形态转化。

3.7. 土壤酶活性

增温显著提升土壤AKP、GLU和CAT活性，这些变化与DOC、有效镉呈正相关，与pH、有效磷负相关，反映增温通过调控酶活影响养分和镉行为。

3.8. 土壤微生物群落结构

增温虽未显著改变整体细菌群落结构，但提高了放线菌门（Actinobacteriota）相对丰度，其与DOC、有效镉正相关，表微生态对增温与镉污染的响应。

3.9. 增温对小麦籽粒镉浓度的影响机制

PLS-SEM分析表明，增温主要通过改变土壤性质、微生物活性和酶活性间接提高镉生物有效性，进而增加籽粒镉积累；作物生理与农艺性状变化也贡献于镉积累过程。

研究结论表明，增温通过降低土壤pH、促进碳酸盐和有机质分解、激发微生物和酶活性，显著提高镉生物有效性；同时，增温抑制小麦光合作用、引发氧化损伤、降低产量，但加剧了镉向籽粒的转运。这一发现揭示了在干旱区石灰性土壤中，气候变暖与镉污染的交互作用可能显著增加粮食安全风险。该研究不仅为理解气候变化与污染复合胁迫下的作物响应提供了机制性见解，也为未来选育耐热低镉品种、制定适应性管理措施提供了理论依据。论文发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》，凸显了其在环境毒理与生态安全领域的重要价值。