腐殖质与菌根协同提升重金属污染土壤中高粱和大麻的光合效率与生物量生产

本研究针对重金属(Zn、Cd、Pb、As)污染农田威胁作物产量与品质的问题，通过田间试验探究腐殖质(HS)及其与丛枝菌根真菌(AMF)联用对高粱(Sorghum sudanense×bicolor)和大麻(Cannabis sativa L.)生长、光合作用及重金属积累的影响。结果表明，HS显著提高两种作物鲜重(高粱56%、大麻22.3%)，并通过增强CO2同化率(35-58%)和水分利用效率(WUE)改善高粱光合性能，而叶绿素荧光参数显示光系统未受损伤。研究为重金属污染土壤的植物修复与可持续农业提供了低成本、环境友好的生物刺激策略。

　　

随着全球土壤重金属污染问题日益严峻，如何在不威胁粮食安全的前提下利用污染土地成为重大挑战。工业作物如大麻和高粱因其高生物量、耐逆性和非食用特性被视为理想选择，但重金属胁迫会抑制其光合效率与生长。尽管生物刺激剂(如腐殖质和菌根)的应用前景广阔，但其在真实污染农田中的作用机制尚不明确。波兰Maria Curie-Sklodowska大学团队在《Plant and Soil》发表的研究，首次系统评估了商用腐殖质(HS)与菌根(AMF)对污染土壤中两种作物的协同效应。

研究采用田间试验设计，在波兰上西里西亚工业区Zn-Pb污染土壤(Zn 8057 mg kg^-1、Pb 2939 mg kg^-1)种植高粱(C4植物)和大麻(C3植物)，设置对照(C)、HS单独处理及HS+AMF(HS+M)组合处理。通过测定生长参数、气体交换(光合速率A、蒸腾速率T)、叶绿素荧光(PAM技术)、元素含量(ICP-MS)及应激代谢物(TBARS、脯氨酸等)，结合主成分分析(PCA)解析生物刺激剂的作用机制。

生长响应

HS使高粱和大麻鲜重分别提升56%和22.3%，但HS+M效果不显著(图1A)。大麻叶片厚度增加41.5%(图1C)，而株高无变化。PCA显示鲜重与光合参数正相关，暗示生物量增长源于碳同化效率提升。

光合性能

HS+M使高粱CO₂同化率(A)提高58%，WUE增加33.5%(图2A,C)，而大麻仅在HS+M下A值翻倍。叶绿素含量在大麻中提升14-21%(图4A)，但高粱保持稳定。叶绿素荧光参数(如F_v/F_m>0.7)证实光系统II(PSII)未受光抑制(图3)，表明重金属未破坏光反应。

重金属与应激代谢

叶片中Zn(150-216 mg kg^-1)、Cd(0.5-12 mg kg^-1)等未达毒阈，且处理间无差异(表1)。TBARS和糖含量未变化，但高粱脯氨酸在HS+M下倍增(图5B)，可能与碳代谢调控相关。PCA揭示大麻具有更高氧化应激潜力(与类黄酮、花青素正相关)。

讨论与意义

该研究首次证实商用HS可显著提升污染农田作物的光合产能，尤其对C4植物高粱效果更佳。不同于温室实验，AMF未显效可能与土壤高肥力抑制菌根定殖有关。HS通过增强暗反应(Calvin循环)而非光系统效率促进生长，为"生物刺激剂-光合作用-生物量"链条提供实证。成果对边际土地资源化、碳中性生物能源生产具有双重价值，但需进一步解析HS调控C3/C4植物差异响应的分子机制。