《Agronomy》：Impacts of CaAl- and MgAl-Layered Double Hydroxides and Conventional Amendments on Cd Immobilization, Bacterial Communities, and Rice Cd Accumulation in Tropical Paddy Soils
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镉（Cd）污染稻田土壤对食品安全和人类健康构成严重威胁。钙铝和镁铝层状双氢氧化物（CaAl-/MgAl-LDHs）近年来已被用于修复镉污染土壤；然而，土壤性质和微生物群落对CaAl-/MgAl-LDHs的响应尚未得到充分阐明。为此，研究人员开展了一项田间试验，
镉（Cd）污染稻田土壤对食品安全和人类健康构成严重威胁。钙铝和镁铝层状双氢氧化物（CaAl-/MgAl-LDHs）近年来已被用于修复镉污染土壤；然而，土壤性质和微生物群落对CaAl-/MgAl-LDHs的响应尚未得到充分阐明。为此，研究人员开展了一项田间试验，评估CaAl-/MgAl-LDHs及传统改良剂（石灰（LM）和生物炭（BC））对土壤镉有效性和细菌群落结构的影响，及其对水稻籽粒镉富集的后续影响。与未添加改良剂的对照（CK）相比，CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC改良处理显著提高了水稻产量相关的农艺性状，其中CaAl-LDHs处理的产量增幅最大。四种改良剂均提升了土壤pH、阳离子交换量（CEC）和有效磷（AP），同时降低了DTPA可提取态镉浓度。值得注意的是，在水稻灌浆期和成熟期，CaAl-LDHs和MgAl-LDHs处理在抑制DTPA可提取态镉方面优于LM和BC。四种改良剂均显著降低了水稻镉浓度，其中CaAl-LDHs和MgAl-LDHs处理观测到最低值。此外，四种改良剂通过提升Thermodesulfobacteriota、Bacteroidota和Firmicutes等菌门的丰度，提高了细菌α多样性并重构了细菌群落结构。基于冗余分析和Pearson相关分析，土壤pH、CEC、有效镉、交换性钙（ExCa）和AP被确定为调控细菌群落结构的关键因子。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）表明，土壤改良剂通过改变pH和CEC，进而影响细菌群落和土壤有效镉，从而抑制水稻镉累积。这些研究结果表明，细菌群落和土壤化学性质在改良剂添加后的镉钝化过程中发挥关键作用，并支持CaAl-/MgAl-LDHs在镉污染土壤中实现水稻安全生产的应用潜力。
论文解读：CaAl-/MgAl-LDHs与传统改良剂对热带稻田土壤镉钝化、细菌群落及水稻镉累积的影响
一、研究背景与科学问题
镉（Cd）是农田土壤中备受关注的重金属污染物，因其稳定性强、毒性高、不可降解且在土壤基质中迁移性强，对食品安全和人体健康构成严重威胁。我国大面积稻田因矿业活动而遭受镉污染，而水稻（Oryza sativa L.）对镉具有较强吸收能力，并可将镉转运至可食用籽粒，通过膳食途径对人体健康造成潜在风险。因此，有效降低水稻籽粒镉富集的土壤修复策略对保障稻米食品安全和维持农业生态系统稳定至关重要。
原位钝化是一种经济实用的镉污染土壤修复策略。不同改良剂通过多种生物化学反应降低镉生物有效性并减少作物对镉的吸收。层状双氢氧化物（LDHs）作为合成无机矿物，因其类黏土结构特征和环境友好特性而受到广泛关注。LDHs含有二价金属离子（如Mg2?、Ca2?）和三价金属离子（如Al3?、Fe3?），位于八面体配位位置，并含有带负电荷的层间阴离子。一般而言，Cd2?因其与Ca2?具有相似的离子半径，可通过同晶替代作用取代Ca2?。此外，CaAl-LDHs还具有表面络合、金属氢氧化物和/或碳酸盐在LDH表面沉淀等钝化能力。与CaAl-LDHs不同，MgAl-LDHs对Cd2?的钝化主要依赖于表面羟基的络合反应。石灰（LM）作为传统无机改良剂，通过提升土壤pH，将Cd2?沉淀为CdCO?和/或Cd(OH)?，从而降低土壤镉有效性。生物炭（BC）是另一种常用的有机改良剂，因其高吸附能力及促进离子交换、络合物形成和沉淀过程的能力而备受关注。然而，关于新型改良剂（CaAl-LDHs、MgAl-LDHs）与传统改良剂（LM和BC）对镉污染稻田土壤有效镉和水稻镉累积的比较影响，现有信息十分有限。
土壤和作物中的镉浓度是评估修复效果的重要指标，但无法完全解释镉钝化的潜在机制。因此，研究土壤化学特性和微生物群落组装的变化对于评估修复效果至关重要。土壤改良剂改变的土壤化学性质在影响镉有效性方面发挥重要作用。例如，土壤pH控制土壤溶液中镉的水溶性，低pH条件下镉溶解度趋于升高；相反，改良剂提升土壤pH可限制镉溶解度从而降低其生物有效性。此外，具有较高CEC的土壤改良剂拥有更多带负电荷的表面位点，可增强其吸附和保留土壤溶液中游离Cd2?的能力。较高的钙离子浓度可与Cd2?竞争细胞膜离子通道，从而减少水稻籽粒中Cd2?的累积。同样，磷有效性的提升通过降低镉生物有效性并促进其重新分配至迁移性较低的残渣态组分，有助于镉的钝化。除土壤化学性质变化外，改良剂还可通过改变微生物群落的丰度和组成来重塑微生物群落，最终改变土壤镉有效性。例如，MgFe-LDHs促进硫酸盐还原菌（Thermodesulfobacteriota）的生长，通过硫酸盐沉淀（如CdS）增强镉固定；无机改良剂增加有效磷等养分有效性，促进Bacteroidota的增殖，该菌门可将镉固定在含磷化合物（如Cd?(PO?)?沉淀）中；生物炭富集Acidimicrobiales和Rhizobiales等具有抗镉胁迫能力的细菌类群。这些观察表明，BC既可通过化学反应钝化镉，也可显著重塑微生物群落，而微生物群落在镉钝化中发挥重要作用。因此，在原位镉修复过程中探索不同土壤改良剂对化学性质和微生物群落的响应，对于评估修复效果和保障水稻安全生产至关重要。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员在海南省定安县富文镇（19°32′36.21″ N, 110°14′35.47″E）开展田间试验，试验点具有热带海洋性气候，土壤为玄武岩残积物发育的水稻土，属老成土（Ultisol）。试验设置5个处理，各3次重复：（1）不添加改良剂（CK）；（2）CaAl-LDHs，3000 kg ha?1；（3）MgAl-LDHs，3000 kg ha?1；（4）LM，3000 kg ha?1；（5）BC，3000 kg ha?1。每块试验小区尺寸为6 m × 5 m（30 m2），随机排列于三个区组中。水稻品种为特优458。研究采用的主要关键技术方法包括：土壤化学性质测定（pH采用玻璃电极法、CEC采用六胺合钴三氯化物浸提分光光度法、有效磷采用钼锑抗比色法、交换性钙镁采用原子吸收分光光度法）、DTPA提取态镉测定（石墨炉原子吸收光谱法）、水稻籽粒镉浓度测定（硝酸-高氯酸消解后采用电感耦合等离子体质谱法）、土壤DNA提取及16S rRNA基因V3-V4区MiSeq高通量测序（引物341F/806R）、生物信息学分析（QIIME2 DADA2流程生成ASV，SILVA数据库注释）、统计分析方法（双因素方差分析、Tukey HSD检验、主坐标分析PCoA、冗余分析RDA、Pearson相关分析、LEfSe差异分析、随机森林回归、偏最小二乘路径模型PLS-PM）。
三、研究结果
3.1 土壤改良剂对水稻产量性状的影响
四种土壤改良剂对水稻生产力产生差异化影响，总体呈现积极趋势。与CK相比，所有改良剂均显著提高了有效穗数、每穗实粒数、千粒重和水稻籽粒产量。其中，CaAl-LDHs处理的产量增幅最为显著，籽粒产量提高19.30%。然而，结实率未受任何土壤改良剂的明显影响。
3.2 土壤特征与水稻籽粒镉累积
土壤改良剂显著改变了土壤化学性质。与CK相比，所有改良剂在水稻各生长阶段均显著提升了土壤pH，其中LM处理在灌浆期pH升幅最大，达2.56个单位。所有改良剂均显著提高了CEC。BC显著增加了有机质（OM），而CaAl-LDHs、MgAl-LDHs和LM处理间无显著差异。所有改良剂在分蘖期提高了土壤有效磷（AP），但成熟期仅MgAl-LDHs、LM和BC处理表现出较高的AP浓度。各改良剂处理在各生长阶段的交换性钙（ExCa）均持续高于CK，而交换性镁（ExMg）仅在MgAl-LDHs和BC处理中高于CK。
CK处理下土壤DTPA可提取态镉浓度随水稻生长阶段变化，范围为0.45至1.08 mg kg?1。与CK相比，CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC处理在各生长阶段使DTPA可提取态镉浓度显著降低，降幅范围分别为23.73–35.85%、15.25–47.17%、17.78–33.89%和18.64–53.33%。除分蘖期外，CaAl-LDHs和MgAl-LDHs在灌浆期和成熟期对土壤DTPA可提取态镉的钝化效果优于LM和BC。
CK处理下水稻籽粒镉含量达0.29 mg kg?1，超过中国食品安全标准（GB2762-2022）的最大允许限量。然而，经CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC改良后，水稻籽粒镉含量大幅下降，从CK的0.29 mg kg?1分别降至0.05、0.06、0.10和0.14 mg kg?1，均完全符合中国食品安全标准（GB2762-2022）的规定。CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC处理的修复效率（RE）分别为82.76%、79.31%、68.97%和51.72%。与传统改良剂（BC和LM）相比，CaAl-LDHs和MgAl-LDHs在降低水稻镉累积方面效果更佳。线性回归分析表明，水稻籽粒镉累积随土壤DTPA可提取态镉升高而显著增加。
3.3 细菌群落特征
3.3.1 细菌α多样性
土壤细菌α多样性指数（Chao1和Shannon）在各处理间存在差异，所有改良剂处理均高于CK。与CK相比，CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC处理下Chao1指数分别显著增加23.25%、16.15%、13.92%和17.91%；Shannon指数也分别显著增加5.18%、3.27%、5.55%和5.60%。PCoA分析显示，前两个主成分共解释细菌群落组成方差的66.65%，其中PC1贡献46.76%，PC2贡献19.89%。CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC处理下细菌群落结构聚为一类，且与CK处理明显区分。
3.3.2 细菌群落组成
门水平上，最丰富的10个菌门为Proteobacteria、Chloroflexota、Thermodesulfobacteriota、Acidobacteria、Bacteroidota、Verrucomicrobia、Nitrospirota、Myxococcota、Actinomycetota和Firmicutes，占总细菌丰度的73.72–83.14%。与CK相比，CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC处理下Thermodesulfobacteriota、Bacteroidota和Firmicutes菌门丰度增加，而Verrucomicrobia减少。值得注意的是，CaAl-LDHs和MgAl-LDHs处理下Bacteroidota和Firmicutes的相对丰度高于LM和BC处理。BC处理下Myxococcota相对丰度显著增加。
属水平上，与CK相比，CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、LM和BC处理中Thiobacillus、Anaeromyxobacter、Geobacter和Maribellus的相对丰度显著升高，而ADurb.Bin063_1、Thermodesulfovibrio和Pseudolabrys显著降低。所有改良剂均诱导Sideroxydans相对丰度显著下降，其中MgAl-LDHs处理降幅最大（48.69%）。LEfSe分析（LDA > 2）鉴定出35个在CK处理下显著富集的细菌生物标志物。CaAl-LDHs处理显著富集Thiobacillus、Geobacter和Candidatus_Magnetoovum属；MgAl-LDHs仅显著富集Firmicutes（门水平）；LM显著富集Bacteroidota（门）、Thermodesulfobacteriota（门）和Anaeromyxobacter属；BC显著富集Myxococcota（门）、Acidobacteria、Ignavibacteriota、Gemmatimonadota和Sideroxydans属。
3.4 土壤特征与细菌群落响应同水稻镉累积的关联
RDA分析表明，前两个排序轴解释了细菌群落组成方差的58.32%。土壤pH、CEC、AP、ExCa和DTPA可提取态镉显著影响门水平细菌群落结构，其中pH重要性最大，其次为CEC、AP、ExCa和DTPA可提取态镉。Pearson相关分析显示，Thermodesulfobacteriota、Bacteroidota和Firmicutes菌门与CEC、pH、ExCa和AP呈正相关，与DTPA可提取态镉浓度呈负相关。水稻籽粒镉含量与pH、CEC、ExCa、AP、细菌α多样性指数（Chao1、Shannon）及Thermodesulfobacteriota、Bacteroidota和Firmicutes相对丰度呈显著负相关。Thiobacillus、Anaeromyxobacter和Geobacter相对丰度与土壤化学性质（pH、CEC、ExCa、AP）呈正相关，与DTPA可提取态镉和水稻镉浓度呈负相关。Sideroxydans与土壤pH和AP呈负相关，与NH??和DTPA可提取态镉浓度呈正相关。
3.5 调控土壤DTPA可提取态镉转化和水稻籽粒镉累积的关键因子
随机森林模型分析表明，pH、CEC、ExCa、AP和ExMg是调控土壤DTPA可提取态镉的关键预测因子，而水稻镉累积显著归因于pH、CEC、ExCa、AP和DTPA可提取态镉。Bacteroidota、Firmicutes和Myxococcota菌门及Thiobacillus、Anaeromyxobacter和Geobacter属是土壤DTPA可提取态镉和水稻籽粒镉累积的关键预测因子。PLS-PM分析显示，土壤改良剂对土壤pH、CEC和土壤养分产生正向效应，对DTPA可提取态镉产生负向效应。土壤pH和CEC对关键细菌类群相对丰度和土壤养分产生正向效应，对DTPA可提取态镉产生负向效应。土壤养分和关键细菌类群与DTPA可提取态镉呈显著负向路径系数。关键细菌类群对水稻籽粒镉累积呈负向效应，而DTPA可提取态镉对籽粒镉富集呈强正向效应。标准化总效应分析表明，土壤改良剂对缓解水稻籽粒镉累积贡献最大，其后依次为土壤pH和CEC、关键细菌类群和土壤养分状况。
四、讨论与结论
讨论部分指出，土壤改良剂通过提升pH、CEC和养分有效性（AP、ExCa、ExMg）并降低DTPA可提取态镉，实现了镉的钝化。土壤pH是镉有效性的关键决定因素，pH升高增加负表面电荷，促进Cd2?吸附和沉淀钝化。CEC升高增强土壤保留和交换阳离子（包括Cd2?）的能力。AP提升通过增加镉在土壤胶体上的吸附及诱导镉转化为稳定磷酸盐沉淀（如Cd?(PO?)?）来降低镉有效性。Ca2?与Cd2?因相似离子半径产生竞争吸附，释放的Cd2?可在高pH条件下沉淀为不溶性物质。水稻籽粒镉浓度与DTPA可提取态镉呈强正相关，表明降低土壤有效镉是抑制水稻镉吸收和转运的关键策略。灌浆期是水稻籽粒镉富集的关键时期，CaAl-LDHs和MgAl-LDHs在该时期对土壤有效镉的降幅最大，从而最大限度减少水稻籽粒镉累积并获得最高修复效率。
微生物方面，改良剂通过改善土壤化学性质提升了细菌α多样性。pH升高是细菌多样性提升的关键驱动因素。改良剂富集了Thermodesulfobacteriota、Firmicutes和Bacteroidota菌门及Thiobacillus、Anaeromyxobacter和Geobacter等功能属，构成降低生物有效镉和水稻镉累积的关键微生物途径。Thermodesulfobacteriota作为硫酸盐还原菌可将SO?2?转化为S2?，与Cd2?沉淀为CdS；Firmicutes携带镉抗性基因，可促进脲酶活性和碳酸盐沉淀，将Cd2?固定为CdCO?；Bacteroidota可通过生物转化稳定不稳定态镉；Geobacter可通过硫酸盐还原形成CdS沉淀；Thiobacillus具有较高Cd2?吸附能力，并可介导硝酸盐依赖的铁氧化过程，驱动铁-氮耦合生物地球化学循环，显著降低土壤镉有效性；Anaeromyxobacter通过异化还原金属离子促进镉钝化。研究局限性包括单点单年田间试验结果需长期多点多季验证，核心细菌类群的功能效力缺乏分子水平研究，未来需结合宏基因组分析开展多点田间试验。
结论部分总结：CaAl-LDHs、MgAl-LDHs、BC和LM改良剂提高了水稻产量和土壤化学性质，显著降低了土壤有效镉和水稻籽粒镉浓度。与传统改良剂（BC和LM）相比，CaAl-LDHs和MgAl-LDHs在灌浆期和成熟期大幅降低了土壤镉生物有效性，并伴随更低的水稻籽粒镉累积。土壤改良剂重构了细菌群落结构，促进了Thermodesulfobacteriota、Firmicutes和Bacteroidota菌门及Geobacter、Thiobacillus和Anaeromyxobacter属等关键类群的生长，这些类群与土壤有效镉呈负相关。PLS-PM进一步表明，土壤pH、CEC和关键细菌类群是减少水稻镉累积的重要因素。这些结果揭示了土壤化学性质和细菌群落在不同土壤改良剂镉修复中的关键作用，并展示了CaAl-LDHs和MgAl-LDHs在镉污染土壤中实现水稻安全生产的应用前景。
