紫色土-黑麦草系统对酸化和镉污染的协同响应机制及其生态风险

《Pedosphere》：Synergistic response of the purple soil-ryegrass system to acidification and cadmium pollution

西南地区土壤酸化和镉(Cd)污染严重威胁农业生态安全。中国科学院团队通过土壤培养和盆栽实验，揭示酸化通过降低阳离子交换容量(CEC)和基饱和度，促进Cd2+与H+竞争吸附，导致黑麦草对Cd的富集量最高提升25.38倍。该研究为重金属污染农田修复提供理论依据。

　　

研究背景
中国西南地区紫色土因其特殊的矿物组成和脆弱生态，成为酸化和重金属污染的重灾区。农业活动中化肥的过度使用加速了土壤pH值下降，而采矿和工业排放导致镉(Cd)等重金属在土壤中富集。这两种环境胁迫往往同时存在，但二者如何协同影响作物-土壤系统尚不明确。紫色土的高风化特性使其对酸碱变化异常敏感，而Cd的生物有效性又与土壤理化性质紧密关联。这种"酸化-重金属"双重胁迫可能通过改变土壤微结构、离子交换平衡等途径，形成难以预测的生态风险链。

研究方法
中国科学院团队通过控制pH梯度(4.5-5.0)和Cd污染水平（对照CK、轻度LP、中度MP、重度SP），采用土壤培养-盆栽实验联用技术，结合交换性酸度(EA)、阳离子交换容量(CEC)等指标分析，系统评估了黑麦草生长响应和Cd富集特征。通过X射线衍射和表面电位测定揭示了Cd²⁺/H⁺竞争吸附机制。

研究结果

1. 酸化对土壤性质的影响
   酸处理使交换性酸度(EA)上升37.5%，而CEC和基饱和度分别降低28%和41%。X射线衍射显示黏土矿物层间距缩小0.3?，表明质子化作用引发微观结构致密化。

2. Cd生物有效性变化
   在pH4.5时，黑麦草地上部Cd含量呈剂量依赖性增长：LP组达2.7倍，SP组激增25.38倍。同步辐射分析证实Cd²⁺通过竞争吸附取代矿物表面的Ca²⁺和Mg²⁺。

3. 植物生长双相响应
   轻度酸化(pH5.0)促进黑麦草生物量增加12%，但pH4.5时株高降低23%。傅里叶红外光谱显示根系羧基(-COOH)官能团与Cd²⁺的特异性结合是富集主因。

结论与意义
该研究首次阐明紫色土系统中"酸化-Cd"协同作用的分子机制：（1）H⁺通过质子化作用破坏土壤胶体结构，释放被固定的Cd；（2）多价离子桥接效应加速Cd²⁺向根际迁移。发表在《Pedosphere》的这项成果，为建立酸化农田重金属风险预警模型提供了关键参数，对保障西南地区农产品安全具有重要实践价值。