《Land Degradation & Development》：Screening Maize Cultivars Enables Concurrent Safe Crop Production and Phytoremediation of Cd-Contaminated Agricultural Soil: A Field Experiment
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重金属污染土壤的传统管理面临双重挑战。安全利用维持农业生产但未去除污染物，而植物修复（phytoremediation）清洁土壤却无法保证种植作物的安全。因此，同时实现土壤修复与安全食品生产仍是一个持续难题。针对这一“生产-修复协同”（Production-R
重金属污染土壤的传统管理面临双重挑战。安全利用维持农业生产但未去除污染物，而植物修复（phytoremediation）清洁土壤却无法保证种植作物的安全。因此，同时实现土壤修复与安全食品生产仍是一个持续难题。针对这一“生产-修复协同”（Production-Remediation Nexus）目标，研究人员在田间镉（Cd）污染农田中评估了35个玉米品种，以鉴定能同时通过低籽粒Cd实现安全食品生产和通过高Cd积累及地上部（茎和叶）生物量实现有效土壤清洁的作物品种。结果表明，94.3%的品种籽粒Cd浓度低于FAO限值（0.1 mg kg?1），而地上部Cd积累量范围为每株0.03–0.51 mg（平均0.17），展示了在Cd污染土壤中“边生产边修复”的潜力。基于地上部Cd生物富集因子（BCF）的聚类分析将玉米品种分为四种Cd积累类型。相关性分析显示地上部Cd浓度与土壤生物有效态Cd呈显著正相关。利用籽粒Cd BCF值并确保符合FAO食品标准，研究人员估算出安全玉米生产的土壤Cd阈值为0.53–4.20 mg kg?1，覆盖了大多数污染农田。这些发现证实，根据土壤Cd水平选择适宜的玉米品种可提供一种双赢策略，在支持安全农业生产的同时实现亟需的原位土壤修复（in situ soil remediation）。
在全球工业化与现代农业发展背景下，土壤重金属污染问题日益严峻，其中镉（Cd）污染尤为突出，威胁粮食安全与公众健康。传统管理策略面临两难：安全利用虽能维持作物生产，但无法去除土壤污染物；植物修复（phytoremediation）可清洁土壤，却常因使用超积累植物而中断农业生产且无法产出安全食品。因此，如何同时实现土壤修复与安全作物生产成为亟待解决的难题。玉米作为全球主要粮食作物，具有籽粒Cd积累低、生物量大、适应性强等优势，为兼顾安全生产与修复提供了潜在可能。但此前研究多聚焦单一目标，缺乏对“生产-修复协同”（Production-Remediation Nexus）的系统评估。为此，研究人员在江苏北部一处Cd污染农田（土壤总Cd含量0.49–1.51 mg kg
?1，pH 4.50–5.57）开展田间试验，种植35个玉米品种，旨在筛选出既能确保籽粒Cd低于食品限量（FAO标准0.1 mg kg
?1）又能通过地上部（茎和叶）高生物量高效去除土壤Cd的品种，并基于土壤Cd浓度制定品种选择策略。该研究发表于《Land Degradation》。
本研究采用的关键技术方法包括：在Cd污染农田（中国江苏省北部）设置随机完全区组田间试验，种植35个玉米品种，每品种3个重复；成熟期采集土壤和植物样品，测定土壤pH、DTPA提取态（生物有效态）Cd及总Cd浓度，植物各器官（根、茎、叶、籽粒）Cd浓度；通过计算生物富集因子（BCF）和转运因子（TF）评估Cd积累与转运能力；利用层次聚类分析（基于地上部BCF）对品种进行分类；采用物种敏感性分布（SSD）方法拟合籽粒BCF的倒数，推导安全生产的土壤Cd环境阈值。所有数据均通过统计检验（方差分析、回归分析）进行验证。
研究结果如下：
**3.1 玉米不同器官的镉积累特征**：通过分析35个品种各器官Cd浓度与积累量，发现叶片Cd富集能力为茎的2.56–19.2倍，BCF值达0.80–8.40，表明叶片是地上部主要积累器官；尽管茎积累能力较弱，但其生物量占地上部82.4%–92.5%，使地上部Cd积累量达每株0.03–0.51 mg（平均0.17 mg），与典型超积累植物东南景天（Sedum alfredii）相当，且94.3%品种籽粒Cd低于FAO限值，证实玉米具有“边生产边修复”潜力。
**3.2 基于地上部镉积累的品种聚类**：通过对地上部BCF值进行层次聚类分析，将35个品种划分为四类。Group IV（金海13、烟河津2000）地上部BCF>2.0，适合低Cd污染土壤修复；Group I（大京九166、德利农7、红硕758、金海2010、瑞华玉288、苏科糯2008、中单909）积累能力最弱，适合高Cd污染下安全种植；Group II与III（占74.3%）具中等积累能力，可用于中度污染农田或作为遗传资源。线性回归分析显示，各品种组的BCF与土壤pH、总Cd、有效态Cd均无显著相关，证明基于BCF的聚类结果可靠，不受土壤基本化学参数干扰。
**3.3 玉米器官镉吸收与土壤化学性质的关系**：线性回归分析表明，所有器官Cd浓度随土壤有效态Cd和总Cd增加而升高，呈剂量依赖性，其中根敏感性最高，籽粒最低。Group I品种根对土壤有效态Cd变化最敏感，但地上部和籽粒响应最弱，提示其可能具有更高效的根内Cd固定机制（如细胞壁或液泡隔离、下调Cd转运蛋白表达），从而限制Cd向地上部转运。此外，根Cd浓度与土壤pH无显著相关，而Group II地上部Cd浓度与土壤pH显著正相关，表明根际pH调节可能影响根-茎转运。
**3.4 修复过程中安全作物生产的土壤环境阈值确定**：利用35个品种籽粒BCF的倒数构建SSD曲线，拟合得到95%保护水平对应的土壤Cd阈值为0.53 mg kg
?1（95%置信区间：2.60–10.7），5%保护水平对应的阈值为4.20 mg kg
?1（95%置信区间：34.0–50.0）。这意味着在土壤Cd超过0.53 mg kg
?1时，95%玉米品种仍可安全产出合格籽粒；当Cd高达4.20 mg kg
?1时，仅5%品种（如大京九166）仍能维持籽粒Cd低于0.10 mg kg
?1，且其地上部Cd去除量达0.51 mg株
?1，与东南景天相当。结合全球农田Cd分布数据（多数地区低于5.00 mg kg
?1），该阈值覆盖了绝大多数污染农田，证明按土壤Cd浓度选择玉米品种可实现安全生产与修复的双重目标。
**讨论与结论**：研究讨论了局限性，包括因小区面积小未测定产量、仅单季试验，未来需多点多季验证，并扩展至其他重金属，挖掘关键转运基因以培育低籽粒积累、高地上部吸收的品种。结论部分翻译如下：面对全球威胁粮食安全与公众健康的重金属污染农田，实现“生产-修复协同”目标既迫切又务实。通过评估和比较35个玉米品种在污染农田中的Cd积累特征，本研究表明94.3%品种籽粒Cd浓度可低于食品质量限值，同时通过地上部生物量积累实现可测量的土壤Cd去除。整合聚类分析与SSD推导的阈值，可根据不同土壤Cd浓度选择品种，实现安全作物生产与污染农田原位修复（in situ remediation）的双重效益。这一方法在Cd污染区域维持粮食安全方面具有重要实践价值。未来研究应扩展至其他重金属，并鉴定关键转运基因，以培育籽粒积累更低、地上部吸收更高且秸秆生物量更大的品种，从而提高污染农田安全利用与植物修复的双重效率。
