富锰秧苗与缓释土壤钝化材料协同调控降低稻米镉积累的机制与应用前景

本研究针对土壤钝化与锰(Mn)应用在降低水稻镉(Cd)积累中存在效果矛盾的问题，通过田间试验探究了聚合物包膜锰(PM)、富锰秧苗(MS)与缓释钝化材料(SIM)的优化组合方式。结果表明MS-SIM组合通过增强根表铁锰斑(IMP)形成并抑制Cd有效性，使稻米Cd含量降低61.4%，为水稻安全生产提供了创新技术方案。

　　

随着工业化和农业现代化进程的加速，土壤重金属污染已成为威胁全球食品安全的重要问题。其中，镉（Cd）因其高毒性且易通过水稻根系向籽粒转移的特性，成为稻米安全生产的首要制约因素。目前，土壤钝化技术与锰（Mn）应用虽被广泛用于降低水稻镉积累，但两者结合时常出现效果相互制约的矛盾：锰肥促进根表铁锰斑（Iron Manganese Plaque, IMP）形成可固定镉于根外，而钝化材料降低土壤有效镉的同时可能抑制IMP发育。这种技术瓶颈促使研究者寻求创新解决方案。

针对这一难题，Jinbao ZHANG等人在《Pedosphere》发表的研究中，通过田间小区试验系统评估了两种新型锰应用方式——聚合物包膜锰（PM）和富锰秧苗（MS），以及一种新型缓释钝化材料（SIM）的组合效果。研究发现，单一应用时，PM处理通过增强锰斑形成使根表镉固存提升23.0–31.0%；MS处理同时增强铁锰斑形成；SIM处理则显著降低土壤有效镉59.3%，但意外地减少了IMP对镉的固存能力（-29.2%）。最终，各单一处理使稻米镉含量降低28.7–40.6%，以SIM效果最佳。

令人振奋的是，当富锰秧苗与缓释钝化材料组合（MS-SIM）时，呈现出显著的协同效应：稻米镉积累降低61.4%。这种增效源于MS增强的根表屏障功能与SIM持续抑制土壤镉有效性的双重机制。结构方程模型（SEM）进一步揭示，幼苗锰含量对糙米镉积累具有最显著的负向影响，而土壤总镉则呈正向驱动。该研究首次证实了通过秧苗预处理与缓释材料耦合可实现镉迁移的多级阻断，为重金属污染农田的安全利用提供了理论依据和技术支撑。

主要技术方法包括：田间小区试验设计（模拟实际农艺条件）、聚合物包膜锰（PM）与富锰秧苗（MS）的制备与应用、缓释型土壤钝化材料（SIM）的合成与表征、根表铁锰斑（IMP）的提取与镉含量测定（采用DCB提取法）、土壤有效态镉的化学提取分析、结构方程模型（SEM）用于多因子路径分析。

研究结果具体呈现如下：

1. 1.

   不同处理对根表铁锰斑及镉固存的影响：PM处理显著提升锰斑含量，MS处理同步增加铁、锰氧化物沉积，使根表镉固存量增加23.0–31.0%；SIM处理虽降低土壤有效镉，但抑制了IMP形成，导致镉固存下降29.2%。

2. 2.

   稻米镉积累的响应规律：单一处理中，SIM降低稻米镉效果最显著（40.6%），PM与MS分别为28.7%和32.1%；组合处理中，PM-MS与PM-SIM仅呈现小幅提升（36.5%和29.2%），而MS-SIM组合使稻米镉降低61.4%，显著优于其他处理。

3. 3.

   土壤-水稻系统镉迁移的机制解析：结构方程模型表明，土壤总镉含量对糙米镉积累的直接路径系数最高（正效应），而幼苗锰含量则表现出最强的负效应，证实了秧苗锰营养对镉转移的抑制潜力。

研究结论强调，富锰秧苗与缓释钝化材料的协同应用突破了传统技术组合的矛盾限制，通过同时增强根表物理屏障（IMP）和持续抑制土壤镉有效性，实现了稻米镉积累的高效降低。该策略不仅为水稻安全生产提供了可推广的农艺措施，也为重金属污染修复领域提供了“源头阻控-过程拦截”的系统性思路。未来研究需进一步优化缓释材料与锰强化技术的参数匹配，并探索其在多元素复合污染场景中的应用潜力。