种植模式对川芎（Ligusticum sinense cv. Chuanxiong）生长及其根际微环境的影响

《Journal of Cleaner Production》：Influence of planting patterns on Ligusticum sinense cv. Chuanxiong development and its rhizosphere microenvironment

川芎稻-川芎轮作显著提升活性成分并降低镉含量，机制涉及根际微生物群落重构及土壤理化性质改变。

　　
一、研究背景与意义
川芎（Ligusticum sinense cv. Chuanxiong）作为传统中药材的根茎入药，具有活血化瘀等功效，其主产区集中在四川等地的连片种植区。然而，长期种植导致土壤镉（Cd）污染加剧，而川芎对镉具有显著富集能力，直接威胁药材安全性和市场信任度。据统计，我国受镉污染土壤面积达630万平方公里，其中约7%为耕地，农作物的镉超标问题已成为食品安全与生态修复的双重挑战（生态环境部，2014）。当前研究多聚焦于土壤修复技术（如添加钝化剂或微生物菌剂），但对传统农艺措施——轮作系统的调控机制缺乏系统性研究。尤其在川芎种植区，"水稻-川芎"轮作（RC）模式已沿用数十年，但科学验证其能否同步提升药材品质并缓解镉污染仍存空白。

二、实验设计与核心发现
研究团队在四川阿泡镇镉污染农田建立试验田，设置连续川芎（CC）与水稻-川芎轮作（RC）两大处理组，通过三年周期对比分析。结果显示：RC模式显著优化了川芎生长环境，虽植株高度和冠幅略低于CC组（分别减少19%和32%-25%），但根茎干物质积累量未受影响，且活性成分（如senkyunolide A）浓度提升44%。更关键的是，RC轮作使川芎全株及根茎镉含量分别降低43%和46%，而土壤有效态镉未显著变化，表明镉积累受植物主动调控而非土壤本底浓度主导。

三、科学机制解析
1. **土壤理化性质重构**
RC模式通过水稻生长阶段的水土条件改良，形成双重调控机制：水稻淹水期促进土壤铁氧化物胶体形成，固定游离态Cd（Honma et al., 2016）；同时，稻作期间根系分泌物和微生物代谢释放的碳氮元素加速有机质积累，三年轮作使土壤有机质含量提升12.7%（Wu et al., 2025）。这种pH升高（RC组土壤pH均值提高0.8个单位）与有机质富集的协同作用，显著降低镉的生物有效性。

2. **根际微生物群落重塑**
宏基因组分析揭示RC轮作使根际微生物α多样性提高28%，新增芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）等7个功能相关菌群。其中，芽孢杆菌通过分泌有机酸（如柠檬酸）增强Fe氧化物溶解，促进Cd形态转化；而假单胞菌产生的铁载体蛋白可特异性螯合镉离子。这种微生物群落的结构性改变（β多样性差异达P<0.001）和功能富集（如碳代谢通路增加45%），形成多层级生物屏障。

3. **代谢途径协同调控**
代谢组学数据显示，RC轮作促使川芎根系硫代葡萄糖苷合成酶活性提升1.8倍，通过硫苷-镉螯合反应降低胞内镉毒性。同时，酚类物质（如根皮苷）的积累量增加32%，其分子结构中的羧基和酚羟基可与Cd2?形成稳定络合物，抑制其在韧皮部维管束的转运。

四、生态与经济价值延伸
该研究突破传统土壤修复的单一维度，发现农业轮作可通过"植物-微生物-土壤"三级联动的生态工程模式实现镉污染治理。具体而言：水稻作为先锋作物通过根系氧化作用改变土壤氧化还原电位（ORP值从-120mV升至-85mV），抑制Fe3?向Fe2?还原，从而降低有效态Cd的生物有效性；川芎阶段则通过增强有机酸分泌（总酚含量提升18%）和微生物协同作用，将镉固定在植物细胞壁而非可溶性部位。这种模式既避免化学修复的二次污染风险，又契合中药材"道地性"对土壤生态的特定需求。

五、农业实践启示
研究为中药材种植区提供了可推广的生态调控方案：建议采用"3年轮作周期"（2年水稻+1年川芎），重点监测土壤有机质（年增幅>5%）和根际pH（维持6.5-7.0），当pH超过6.8时可追加秸秆还田提升有机质。对于镉超标的种植区，推荐"水稻-川芎"轮作模式替代单一作物种植，同时需注意轮作初期（前2年）可能因土壤微生物重建导致药材产量略降，但第3年即可恢复并提升品质。

六、理论创新与学术贡献
该研究首次建立"土壤微生物群落-理化性质-植物代谢"的链式调控模型，突破传统"土壤-植物"二元系统分析框架。通过结构方程模型（PLS-SEM）证实，土壤有机质（SOM）和pH的协同提升（贡献度达67%）是抑制镉积累的核心路径。此外，发现川芎次生代谢产物（如senkyunolide类生物碱）能诱导根际微生物产生镉结合蛋白，形成"植物代谢产物调控微生物群落-微生物介导土壤改良"的级联效应，为植物-微生物互作研究提供新范式。

七、未来研究方向
建议后续研究重点关注：①不同Cd污染梯度下RC模式的适应性阈值；②水稻品种与川芎品种的互作效应（如耐镉水稻品种可增强系统稳定性）；③长期轮作（>5年）对微生物功能基因的进化影响。同时需建立中药材镉污染风险阈值标准，为GAP种植提供量化依据。

该成果已通过国家自然基金（82404796、82373986）和四川省科技计划（2024NSFSC1832）资助，为传统中药材种植的绿色转型提供了理论支撑和技术路径，对保障中药材安全性和促进农业可持续发展具有重要实践价值。