生物炭与硒协同调控水分管理对镉污染稻田的修复机制及健康风险评估

针对全球土壤镉(Cd)污染威胁粮食安全的问题，研究人员通过盆栽实验探究生物炭(BC)、叶面硒(Se)喷施与水分管理(WM)的交互作用。研究发现B2S3W2组合(1% BC+0.50 mM Se+持续淹水)使稻米Cd含量降低95.32%，微生物多样性指数提升25-48%，健康风险指数(HRI)降至0.008。该研究为Cd污染农田的安全利用提供了综合解决方案。

　　

随着工业化和农业现代化进程加速，全球土壤镉(Cd)污染问题日益严峻，尤其在以水稻为主食的亚洲地区。水稻对Cd的富集能力远超其他作物，通过食物链威胁人类健康，与肾损伤、骨质疏松等疾病密切相关。中国GB2762-2017规定稻米Cd限值为0.2 mg/kg，但传统修复技术成本高、周期长且可能破坏生态平衡。如何通过农艺措施协同调控实现安全利用，成为环境与农业科学交叉领域的重要命题。

安徽科技大学联合中国科学院的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表最新成果，通过3×3×2因子设计盆栽实验（3水平BC：0/1/2%；3水平Se：0/0.25/0.50 mM；2水平WM：70%持水量/持续淹水），系统评估了多因素交互作用对Cd污染土壤（0.92 mg/kg）中水稻生长、微生物群落及健康风险的影响。研究创新性地将生物地球化学过程与农艺调控相结合，为农田Cd污染治理提供了理论依据和技术支撑。

关键技术包括：1）采用ICP-MS测定植物组织Cd含量；2）DTPA法提取土壤有效态Cd；3）高通量测序分析细菌/真菌群落结构；4）SPAD-502Plus测定叶绿素含量；5）生化法检测超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)等氧化应激指标。

3.1 土壤理化与水稻生理响应
研究发现BC和WM显著提升土壤pH（B3W2组合较对照提高7.40%），持续淹水(W2)通过降低氧化还原电位促进Cd固定。叶面Se通过激活抗氧化系统，使B2S3W2组合的SOD活性提升91.56%，MDA和H₂O₂分别降低28.35%和57.61%，有效缓解Cd毒害。

3.2 Cd吸收与转运调控
B2S3W2处理使稻米Cd含量从0.34 mg/kg降至0.016 mg/kg，低于国家标准。回归分析显示根Cd含量可解释78.12%的籽粒Cd变异，而乳熟期土壤pH与籽粒Cd呈显著负相关（R2=0.2306），证实BC通过pH依赖的表面络合机制抑制Cd活化。

3.3 微生物群落重构
该处理使细菌ACE和Chao1指数提升25%以上，变形菌门(Proteobacteria)相对丰度从11.33%增至20.66%。真菌中子囊菌门(Ascomycota)占比提高至57.03%，其分泌的有机酸可能促进Cd钝化。NMDS分析证实微生物群落结构发生显著分化。

3.4 健康风险评估
基于每日摄入量(DI)和健康风险指数(HRI)模型，B1S1W1对照组的HRI为0.166（接近警戒值0.2），而B2S3W2处理组降至0.008，风险降低95.2%。

该研究首次阐明BC-Se-WM三元互作通过"土壤Cd固定-植物抗氧化激活-微生物群落调控"协同降低稻米Cd累积的机制（图5）。1% BC配合高浓度Se叶面喷施在持续淹水条件下可实现最佳效益，兼顾成本与效果。未来研究需关注大田环境下该技术的稳定性，以及Se富集稻米的营养功能评价。这一成果为发展"边生产边修复"的绿色农业模式提供了重要参考，对保障粮食安全与公众健康具有双重意义。