生物炭共堆肥修复镉污染土壤：提升向日葵生长、抗氧化响应及土壤修复效率的创新策略

本研究针对镉(Cd)污染土壤导致的农作物减产和生态风险问题，通过系统评估生物炭共堆肥(COMBI)对向日葵生长的影响机制。研究发现COMBI处理可使向日葵农艺参数提升132%，显著降低根(66%)、茎(77%)和籽粒(94%)的Cd积累，同时增强抗氧化酶活性(SOD/CAT/APX/GR)和光合参数(gs/A/E)。该成果为重金属污染土壤的绿色修复提供了可推广的解决方案，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

随着工业化的快速发展，重金属污染已成为威胁全球粮食安全的隐形杀手。在众多有毒重金属中，镉(Cd)因其高迁移性和生物累积性尤为突出，不仅导致作物减产30-50%，更通过食物链危害人类健康。巴基斯坦费萨拉巴德地区因工业废水灌溉，土壤Cd浓度超标200%，亟需经济高效的修复技术。传统物理化学修复方法成本高昂且易破坏土壤生态，而单一生物炭吸附存在功能基团有限的瓶颈。

针对这一难题，费萨拉巴德农业大学联合多家机构创新性地提出生物炭共堆肥(Co-composted biochar, COMBI)技术路线。研究人员通过为期2.5个月的堆肥工艺，将稻壳生物炭与绿肥/动物粪便按1:2比例复合，开发出兼具多孔结构和丰富官能团的改良材料。实验设计包含3个Cd梯度(0/30/60 mg kg^-1)和4种处理(对照/普通生物炭/改性生物炭/COMBI)，系统评估了其对向日葵生理生化指标的影响。

关键技术方法包括：1)采用450℃热解制备稻壳生物炭，经KOH和聚乙烯亚胺(PEI)改性；2)建立盆栽实验体系，监测生长参数和光合指标(IRGA气体交换系统)；3)AB-DTPA法测定Cd生物有效性；4)抗氧化酶活性检测(SOD/CAT/APX/GR)；5)健康风险评价模型(ADI/NCR/CR)。

生长与产量表现
在60 mg kg^-1 Cd胁迫下，COMBI处理使株高、根长、生物量等参数提升120-132%，显著优于普通生物炭。头状花序直径增加115%，千粒重提高132%，证实COMBI能有效缓解Cd的生长发育抑制。

生理特性改善
通过SPAD-502测定，COMBI处理叶片叶绿素含量提升122%。气体交换分析显示光合速率(A)提高126%，气孔导度(gs)增加128%，水分利用效率(WUE)改善117%，表明其有效维护了光合器官功能。

抗氧化防御激活
Cd胁迫诱导的氧化损伤被COMBI显著缓解：超氧化物歧化酶(SOD)活性升高133%，过氧化氢酶(CAT)提高128%，脯氨酸和可溶性糖含量分别降低123%和121%，显示其增强植物氧化应激耐受的能力。

Cd固定化机制
COMBI使土壤有效态Cd降低121%，根/茎/籽粒Cd积累分别减少66%/77%/94%。EF(富集因子)<1、TF(转运因子)值下降，证实其通过表面络合、离子交换等机制固定Cd。

健康风险降低
根据WHO标准，COMBI处理使致癌风险(CR)从0.0032降至0.00023，非致癌风险(NCR)降低93%，达到安全阈值。

该研究首次系统揭示了COMBI通过"土壤固定-生理调节-抗氧化激活"三重机制缓解Cd毒性的作用路径。相比传统生物炭，COMBI的有机-无机复合结构提供更多羧基/羟基结合位点，其缓释养分特性还改善了土壤微生态。成果为发展"边生产边修复"的农田安全利用模式提供了关键技术支撑，入选沙特国王大学重点推广项目。未来研究可进一步优化堆肥配比，探索COMBI与其他修复植物的协同效应。