补充碳酸盐增强MnCO3介导的小麦植株镉积累缓解效果

《Journal of Environmental Management》：Supplemental carbonate enhances MnCO 3-mediated mitigation of Cd accumulation in wheat plants

　　

摘要

小麦中镉（Cd）的积累仍然是受镉污染弱碱性耕地食品安全的主要担忧。在这些条件下，碳酸盐化学性质可能会显著影响锰介导的镉固化，但其在调节镉转化和土壤 - 小麦转移中的作用仍不明确。在此，进行盆栽实验以研究 MnCO₃ 和补充碳酸盐对土壤 - 小麦系统中镉迁移、转化和积累的耦合作用。结果表明，MnCO₃ 使小麦籽粒镉含量降低了 40.1%，补充碳酸盐进一步将此降低幅度增强至 51.0%–57.2%，同时增强了籽粒生物量和植物抗氧化防御。从机理上看，补充碳酸盐与较低的土壤镉有效性相关，通过将活态镉转化为碳酸盐结合态镉，使碳酸盐结合态镉增加 2.9%–13.5%，而 DTPA 和 TCLP 提取态镉分别减少 3.8%–9.5% 和 39.8%–66.0%。此外，MnCO₃ 增加了锰的有效性，增强了锰 - 镉拮抗作用，减少了小麦细胞内的镉积累，同时将土壤锰转向与镉保留相关的更稳定形态。根际分析进一步表明，MnCO₃ 改变了与金属运输/耐受和元素循环相关的微生物群落组成和预测功能谱。总体而言，MnCO₃ 改良结合补充碳酸盐通过协调土壤镉固化和植物锰 - 镉相互作用的变化减少了小麦镉积累。这些发现为补充碳酸盐增强镉固化提供了新的机理见解，并为制定有效策略以缓解弱碱性耕地小麦生产中的镉暴露风险提供了理论依据。

引言

重金属污染土壤已成为主要的全球环境风险，归因于其高毒性和生态风险。在重金属中，镉（Cd）因其强迁移性、不可生物降解性和在农业土壤中高度生物富集潜力而备受关注（Li et al., 2025）。镉污染在亚洲国家（如中国和印度）尤为严重（Zheng et al., 2023）。根据中国《全国土壤污染状况调查公报》，中国农业土壤中的镉超标率高达 7.0%。在一些集约化农业地区，农田土壤中的平均镉含量甚至达到 0.45 mg kg^?1，超标率超过 30%（Mu et al., 2019）。农田土壤中的镉可被作物轻易吸收并随后在可食用组织中积累，从而通过膳食暴露对粮食安全和人类健康构成重大风险（Du et al., 2024）。小麦（Triticum aestivum L.）是全球三大主粮作物之一，年产量为 7.5 亿吨（Dadrasi et al., 2023）。值得注意的是，与其他作物相比，小麦表现出显著更高的镉富集和积累潜力（Di et al., 2023）。因此，对于受镉污染的农业系统中的安全谷物生产而言，减少小麦籽粒中的镉积累至关重要。

锰（Mn）是植物必需微量元素，最近因其潜在作用而受到极大关注，即减轻作物中的镉积累（Yang et al., 2024）。已证明土壤中的 Mn²⁺ 可以竞争性抑制植物根系对 Cd²⁺ 的吸收，从而抑制土壤到作物的镉转移（Wang et al., 2021）。这种拮抗作用与金属转运体基因的调节密切相关，包括 TaHMA2、TaLCT1 和 TaNramp5，这些基因参与植物体内的镉吸收、转移和再分配（Huang et al., 2022; Wan et al., 2019）。此外，锰参与氧化还原过程和呼吸作用的调节，增加超氧化物歧化酶等抗氧化酶的活性，并缓解镉毒性（Wang et al., 2025）。然而，可食用组织中过量的锰积累可能会引起膳食锰暴露方面的担忧，突显了在评估基于锰的镉缓解策略时需要考虑籽粒锰积累的必要性。但是，在受镉污染的弱碱性土壤中，由于土壤 pH 值较高，锰的有效性通常较低，这显著削弱了锰减轻作物中镉积累的能力（Zheng et al., 2026）。施入 Mn²⁺ 可以快速提高土壤锰的有效性并增强根际锰与镉之间的拮抗作用（Wang et al., 2021）。值得注意的是，基于锰的镉缓解效果随土壤化学条件和锰改良剂伴随的阴离子而 considerably 变化（Yan et al., 2025; Zheng et al., 2026）。我们之前的研究表明，与锰改良相关的硝酸盐显著改变了土壤化学条件和土壤 - 小麦系统中的长期镉缓解性能（Zheng et al., 2026），突显了伴随阴离子在调节锰 - 镉相互作用中的重要作用。因此，应考虑在伴随阴离子的背景下看待锰改良剂的效果，但此类阴离子特异性调节仍未得到充分理解。

碳酸盐（CO₃^2?）是弱碱性旱地土壤中主要阴离子之一，在控制重金属形态和迁移性方面起着关键作用（Tang et al., 2026）。富含碳酸盐的土壤通常表现出较高的 pH 缓冲能力，这可促进镉与碳酸盐和氢氧化物相的结合，从而降低镉的生物有效性和迁移性（Tang et al., 2026）。一项连续提取研究表明，在中国北方弱碱性土壤中，碳酸盐结合态镉占镉总量的 38% 以上（Yong et al., 2024）。此外，碳酸盐可通过促进镉吸附和抑制镉解吸来增强土壤镉保持（Tang et al., 2026）。然而，碳酸盐也可能影响根际中的锰行为及锰 - 镉相互作用，从而影响作物中的镉吸收和运输。迄今为止，关于补充碳酸盐对土壤 - 小麦系统中基于锰的镉缓解和转化的影响尚鲜有报道，特别是在弱碱性条件下。因此，我们假设补充碳酸盐将通过促进土壤镉固化和改变土壤 - 植物界面处的锰 - 镉相互作用来增强锰介导的小麦镉积累缓解，从而减少镉的生物有效性及其在小麦中的后续吸收和转移。

本研究通过盆栽实验调查补充碳酸盐是否改变弱碱性土壤 - 小麦系统中 MnCO₃ 的镉缓解效应。具体而言，本研究旨在（1）阐明与 MnCO₃ 改良和补充碳酸盐相关的生理响应；（2）阐明补充碳酸盐如何影响锰 - 镉相互作用及小麦中的镉积累；以及（3）揭示土壤镉和锰形态及根际微生物群落的相关变化。这些发现将有助于阐明补充碳酸盐如何影响受镉污染弱碱性旱地土壤中 MnCO₃ 介导的镉缓解，特别侧重于土壤镉转化、锰 - 镉相互作用和小麦对镉的吸收，从而为减少小麦镉积累提供理论支持。

章节片段

实验材料

镉污染土壤采集自中国河南省新乡市（35°23′49″N, 113°59′53″E）旱地农田 0–20 cm 犁底层。采集的土壤在室温下风干，充分混合，破碎，并通过 2 mm 筛进行盆栽实验。一小部分土壤样品进一步通过 0.15 mm 筛以确定土壤理化性质。该土壤呈弱碱性，pH 为 8.01，总镉含量为 0.895 mg kg^?1

小麦植株的生理响应及锰 - 镉拮抗作用

单独添加 MnCO₃ 或配合碳酸盐显著改善了小麦植株的生长状况和生物量（图 1a 和 S1）。具体而言，与 CK 相比，MnC、Mn2C 和 Mn4C 处理分别显著增加了 16.6%、80.8% 和 70.9% 的籽粒生物量；在颖壳、穗轴、叶片和茎中也观察到类似效果，其生物量增强了 1.3%–61.0%。总体而言，与 MnC 相比，补充碳酸盐进一步促进了小麦生长

MnCO₃ 和补充碳酸盐减少小麦镉积累的效果

已证明将 MnCO₃ 施用于农田土壤可减少水稻中的镉积累（Yan et al., 2025）。在本研究中，添加 MnCO₃ 有效地抑制了小麦籽粒中的镉积累（图 2）。锰 - 镉拮抗作用可能代表了 MnCO₃ 降低镉效应的一个重要植物水平机制。Cd²⁺ 和 Mn²⁺ 在植物中共享一些运输途径，特别是涉及二价金属吸收和长距离转移的转运体（Huang et al.,

结论

本研究评估了 MnCO₃ 与补充碳酸盐对弱碱性旱地土壤 - 小麦系统中镉行为的影响。MnCO₃ 结合补充碳酸盐使小麦籽粒镉减少了 40.1%–57.2%，并改善了植物生物量和抗氧化能力。镉积累的减少主要反映了土壤镉固化和植物锰 - 镉相互作用，伴随着根际微生物群落的变化。在土壤中，补充碳酸盐与

CRediT 作者贡献声明

Tao Lu: 撰写 – 初稿，调查，形式分析。Shen Zheng: 撰写 – 审阅与编辑，调查，形式分析。Yujing Zhang: 撰写 – 审阅与编辑。Ziwei Wang: 撰写 – 审阅与编辑。Tao Min: 撰写 – 审阅与编辑。Hengliang Huang: 撰写 – 审阅与编辑。Guohong Qiu: 撰写 – 审阅与编辑，方法学，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到湖北省技术创新专项（2024BCA006）、国家自然科学基金委员会（项目编号 42477023 和 42077133）、湖北省科技计划项目（2025BCB098）、湖北省自然科学基金（2026AFA021）、国家重点研发计划（项目编号 2023YFC3709804-01）以及华中农业大学 - 塔里木大学合作基金（HNLH202505）资助。

Tao Lu|Shen Zheng|Yujing Zhang|Ziwei Wang|Tao Min|Hengliang Huang|Guohong Qiu

中国湖北省武汉市华中农业大学资源与环境学院，430070