小麦秸秆与硫酸盐施用对不同镉胁迫下糙米镉积累的影响机制研究

为解决水稻镉(Cd)污染防控中秸秆还田效果不稳定的问题，中国研究人员通过盆栽实验系统研究了小麦秸秆(0-1.0%)与硫酸盐(0-30 mg S kg-1)联合施用对低/中/高Cd污染土壤(0.13-2.99 mg kg-1)中Cd生物有效性及糙米积累的影响。研究发现0.5%秸秆配施硫酸盐可使中低Cd土壤糙米Cd降低77-80%，满足中国食品安全标准(GB 2762-2017)，揭示了铁膜(FeP)形成与谷胱甘肽(GSH)调控的关键作用，为Cd污染稻田安全利用提供了精准调控策略。

　　

镉污染已成为威胁全球水稻安全生产的重要环境问题。中国作为全球最大的水稻生产国，市场调查显示10.3%的稻米存在镉超标现象。尽管秸秆还田和硫肥施用被公认为经济有效的农艺调控措施，但现有研究中秸秆降低稻米镉积累的效果存在显著变异，甚至出现相反结论。这种不确定性可能源于土壤镉本底值、硫素缺乏程度以及秸秆施用量的交互影响，但相关机制尚未系统阐明。

中国科学院大学资源与环境学院联合中丹学院的研究团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表研究，通过三因素盆栽实验（3种Cd水平×2种硫酸盐水平×3种秸秆水平），结合土壤化学分析、铁膜表征和植物生理检测，揭示了秸秆-硫酸盐协同调控稻米镉积累的分子机制。研究发现0.5%小麦秸秆(W_0.5)与30 mg kg^-1硫酸盐(S₃₀)联用可使中低Cd土壤(0.13-1.11 mg kg^-1)糙米Cd含量降低77.0-79.9%，达到中国食品安全标准(0.2 mg kg^-1)；而在高Cd土壤(2.99 mg kg^-1)中，1.0%秸秆(W_1.0)与硫酸盐联用可使糙米Cd降至0.248 mg kg^-1，满足国际食品法典标准。

关键技术方法包括：(1)采用镉分级提取(Tessier法)和硫形态分析(CRS/AVS)表征土壤Cd生物有效性；(2)利用根表铁膜(FeP)提取技术结合ICP-MS测定Cd固定量；(3)通过DTNB酶法检测谷胱甘肽(GSH)含量；(4)采用ELISA试剂盒定量植物螯合肽(PCs)；(5)基于16S rRNA测序分析硫循环微生物群落。

土壤化学过程
研究发现秸秆施用通过三重机制降低Cd活性：(1)在低Cd土壤中，0.5%秸秆(W_0.5)使pe+pH降低1.2单位，促进CdS沉淀；(2)在中Cd土壤中，秸秆分解产物DOC增加2.3倍，推动Cd从可交换态向铁锰氧化物结合态转化；(3)硫酸盐添加显著提升铬还原态硫(CRS)含量达47%，形成FeS₂-Cd复合体。值得注意的是，过量秸秆(1.0%)会通过产生低分子量有机酸反而增加中Cd土壤可交换态Cd 28%。

根际屏障效应
铁膜(FeP)被证实是关键的物理化学屏障。在低Cd条件下，W_0.5处理使根表FeP-Cd含量提升3.1倍，同时根/铁膜Cd转移系数(TF_roots/FeP)降低62%。而在高Cd土壤中，过量秸秆导致FeP成为"二次Cd库"，使TF_roots/FeP反转增加1.8倍，印证了秸秆用量需根据污染程度优化的必要性。

植物生理调控
硫酸盐的加入显著激活了水稻的Cd解毒机制：(1)叶片谷胱甘肽(GSH)含量最高提升2.4倍，促进Cd液泡区隔化；(2)成熟期根部植物螯合肽(PCs)含量与糙米Cd积累呈显著负相关(r=-0.82)，证实硫同化产物对Cd转运的抑制作用。

微生物群落响应
16S测序显示W_0.5S₃₀处理使硫还原菌(SRB)相对丰度增加15.7%，而过量秸秆导致硫氧化菌(SOB)成为优势种群，解释了高秸秆处理下硫酸盐积累的现象。

该研究创新性地提出了"土壤Cd水平-秸秆用量-硫素管理"三位一体的精准调控策略：对于中低Cd污染农田，推荐0.5%秸秆配施30 mg kg^-1硫酸盐；而对重度污染土壤，1.0%秸秆与硫酸盐联用更为有效。研究结果从分子-根际-田间多尺度阐明了农艺措施控Cd的协同机制，为《土壤污染防治法》的实施提供了关键技术支撑，同时为全球稻米安全生产的可持续发展提供了中国方案。