引言
目前，镉（Cd）对农田土壤的污染已成为威胁中国粮食安全和人类健康的突出问题（Zhao and Wang, 2020）。根据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，全国耕地镉超标率为7.0%，其中轻度污染（0.3–0.6 mg kg?1）和中度污染（0.6–1.2 mg kg?1）分别占5.2%和0.8%（Yang et al., 2023）。因此，亟需开发和部署高效的镉污染土壤修复技术。
生物炭是一种在限氧或无氧条件下由生物质热解得到的富含碳的产品，具有比表面积大、孔隙结构丰富以及表面富含活性官能团等特征（Correa-Abril et al., 2024）。大量研究表明，生物炭能有效降低土壤中水溶态和交换态镉的浓度，同时增加结合在铁/锰氧化物和有机质（OM）上的镉的比例，从而降低镉的生物有效性（Albert et al., 2021; Su et al., 2021; Sun et al., 2023; Cui et al., 2024）。在诸多机理中，生物炭对镉的直接吸附对于降低土壤镉的生物有效性至关重要。吸附机理包括离子交换、矿物沉淀、表面络合和阳离子–π相互作用，这些机理往往同时发生（Liu and Fan, 2018）。例如，生物炭中存在的CO32?和PO43?等阴离子可与Cd2+直接沉淀生成CdCO3和Cd3(PO4)2（Zhang et al., 2015）。此外，生物炭表面的羧基（–COOH）和羟基（–OH）等功能基团可通过离子交换和络合反应吸附镉（Zhu et al., 2020），而生物炭中的芳香结构可通过形成π键结合Cd2+（Cui et al., 2016）。然而，吸附态镉的长期稳定性以及在环境条件变化下的潜在二次释放风险仍认识不足。
生物炭进入土壤后，受土壤水分、温度、有机质、微生物和根系活动等多种因素驱动，其理化性质不可避免地发生改变，这一现象被称为老化（Ghaffar et al., 2015）。与新鲜生物炭相比，老化生物炭通常表现出比表面积、孔隙体积、表面含氧官能团和氧（O）含量的增加，而pH值、灰分含量以及碳（C）、氢（H）和氮（N）含量则趋于降低（Liu et al., 2021; Qu et al., 2022; Wang et al., 2022; Apostolovic et al., 2024; Long et al., 2024）。因此，生物炭老化改变了其对镉的吸附能力和吸附机理，从而影响生物炭吸附态镉的长期稳定性（Cui et al., 2016）。例如，老化导致的生物炭pH降低可增加土壤中的镉生物有效性和迁移性（Bandara et al., 2021）；老化生物炭比表面积、孔隙体积和表面含氧官能团的改变影响其化学稳定性和有机碳含量，从而降低其对镉的吸附和固定能力（Cui et al., 2024; Liu et al., 2024）。一项涵盖257项研究的荟萃分析表明，短期（<1年）生物炭老化后重金属生物有效性降低18.6%；然而，随老化时间延长，这些固定化效应逐渐减弱甚至逆转（Yuan et al., 2021）。
近年来，关于生物炭老化及其环境效应的研究已广泛开展，主要聚焦于三个方面。首先，利用人工老化方法（如干湿循环、冻融循环和酸处理）模拟和加速生物炭的自然老化过程，并比较新鲜与老化生物炭对重金属的吸附能力和机理（Deng et al., 2020; Wang et al., 2023; Meng et al., 2024）。然而，一项涵盖42项研究的荟萃分析发现，人工老化方法无法完全模拟生物炭在土壤环境中的自然老化过程（Li et al., 2019a），后者涉及物理、化学和生物老化的同时进行（Yang et al., 2022）。然而，鲜有研究将多种老化处理相结合以考察其综合作用。其次，利用土壤培养或盆栽试验探索老化对生物炭性质及其对重金属吸附和固定的影响（Deng et al., 2020; Liao et al., 2025）。然而，从土壤中分离和回收生物炭的技术难度阻碍了对土壤–生物炭界面处重金属迁移和转化的研究。Meng等（2024）采用尼龙网袋技术将生物炭与土壤物理分离，考察了人工老化对生物炭性质以及土壤与生物炭间重金属迁移的影响。遗憾的是，该研究未考虑根际分泌物和土壤微生物对生物炭老化的影响（Zhang et al., 2022a）。第三，开展了田间试验评估老化生物炭对重金属固定的长期稳定性。Chen等（2024）进行了为期3年的田间老化试验，结果表明生物炭施用显著增强了早期阶段三种重金属（Pb、Cu和Cd）的固定化作用。此外，解吸率逐年降低，固定化效率随老化时间延长而稳步提高。然而，Zandvakili等（2025）进行的一项11年田间研究表明，老化生物炭灰分含量和pH值显著降低，土壤中有效铝（Al）含量增加。尽管如此，这些研究通常通过水洗或镊子从土壤中回收老化生物炭，仅能收集较大的生物炭颗粒。事实上，生物炭在老化过程中会发生破碎、粒径减小，甚至部分转化为胶体或纳米生物炭。此外，土壤颗粒紧密粘附在生物炭表面，使其分离极为困难（Spokas et al., 2014）。因此，老化生物炭性质的表征和重金属动态吸附–解吸过程的深入分析仍然难以实现。
尽管对生物炭老化效应对重金属固定化影响的认知日益加深，仍存在三个关键的认知空白。首先，大多数研究采用人工加速老化方法，无法捕捉根际过程（包括根系分泌、微生物活动和干湿循环）对生物炭结合态镉稳定性的综合影响。其次，各种镉结合形态（物理吸附态、离子交换态、氢键态和络合态）在长期根际影响下的差异性再活化敏感性尚未得到系统研究，这主要归因于从土壤中分离老化生物炭的技术难度。第三，土壤溶液化学、根际酸化和氧化老化对来自不同结合库中镉释放的相对贡献仍未明确。为解决这些问题，本研究采用为期六个水稻生长季的连续盆栽试验，利用尼龙网袋技术将负载镉的猪粪生物炭（Cd-PMB）与土壤整体物理隔离，同时使其完全暴露于土壤溶液和根际条件中，并辅以顺序模拟老化试验，以解析土壤溶液、根系分泌物和H2O2氧化的单独及联合效应。我们专门研究了低镉积累品种（朱粮油）和高镉积累品种（长香谷）的水稻根际介导效应如何影响：(1) 延长老化过程中生物炭结合态镉的再活化特征和(2) 不同结合机理相关镉的差异稳定性。回答这些问题将为评估生物炭固定化镉的长期稳定性和潜在二次镉释放风险提供必要的机理解释，而这些风险在当前生物炭应用实践中尚未得到充分重视。
