《Agronomy》：Metabolic and Ionomic Responses of Different Crops to Phosphorus Fertilizers Containing Potentially Toxic Elements Under Soil with and Without Liming
Mariana Rocha de Carvalho,
Valdelice Oliveira Lacerda,
Aline Aparecida Silva Pereira,
Thiago Adorno de Almeida,
Gustavo Avelar Zorgdrager Van Opbergen,
Paulo Eduardo Ribeiro Marchiori and
Luiz Roberto Guimar?es Guilherme
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本研究针对热带地区磷肥中潜在有毒元素（PTE）污染及其对农产品安全构成的风险，探究了在施用与不施用石灰的红黄壤条件下，马铃薯、烟草和水稻对三种不同产地和PTE含量的磷酸一铵（MAP 1, MAP 2, MAP 3）的生理、代谢及离子组学响应。结果发现，植物生理变化主要受石灰施用而非PTE影响，酸性土壤普遍抑制植物生长和糖含量，并诱发脯氨酸相关的代谢调整。镉（Cd）含量最高的MAP 3处理降低了植物地上部的锰（Mn）和锌（Zn）含量，增加了糖分。相比马铃薯和烟草，水稻的镉生物富集能力更低，对酸性土壤耐受性更高。研究表明，肥料中的As、Cd、Cr浓度未显著损害植物生长，但引发了代谢调整，为热带地区磷肥安全施用和土壤酸化管理提供了重要依据。
在热带农业系统中，磷肥是保障作物产量的关键投入。然而，一些磷矿石伴生的砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）等潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTE）可能随施肥进入土壤-作物系统，并通过食物链威胁人类健康。其中，镉因其对植物和动物较高的生物有效性而备受关注。与此同时，许多热带和亚热带地区土壤呈酸性，低pH值会显著增加PTE（尤其是Cd）的溶解度和生物有效性，进一步加剧食品安全风险。为了在保障粮食安全的同时控制健康风险，明确不同作物如何响应含PTE的磷肥，以及土壤酸化调节（如施用石灰）如何影响这一过程，成为亟待解决的科学问题。为此，由Mariana Rocha de Carvalho、Valdelice Oliveira Lacerda、Aline Aparecida Silva Pereira、Thiago Adorno de Almeida、Gustavo Avelar Zorgdrager Van Opbergen、Paulo Eduardo Ribeiro Marchiori和Luiz Roberto Guimar?es Guilherme组成的研究团队，在《Agronomy》期刊上发表了他们的研究成果。他们以马铃薯、烟草和水稻三种具有不同经济价值和饮食暴露风险的作物为对象，系统评估了它们对三种不同地理来源、PTE含量各异的磷酸一铵（Monoammonium Phosphate, MAP）肥料的生长、代谢物和离子组学响应，并重点考察了石灰施用对土壤pH及PTE生物有效性的调节作用。
为回答上述问题，研究人员开展了一系列设计严谨的实验。他们选用了一种红黄壤（Red-Yellow Latosol），并设置了不施用石灰（pH 5.1，酸性）和施用石灰（pH 6.3）两种土壤处理。研究使用了三种PTE含量不同的磷酸一铵肥料（MAP 1, MAP 2, MAP 3），其中MAP 3的镉浓度最高，分别是MAP 2的14倍和MAP 1的20倍。实验在温室中进行，分别完成了马铃薯、烟草和水稻的整个生命周期培养。研究团队对植物进行了系统的农艺性状测量、生化代谢物（如氨基酸、脯氨酸、蛋白质、各类糖分）分析，并使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定了植物地上部的必需元素（如B, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, P, S, Zn）和非必需/有毒元素（As, Cd, Cr）含量，即离子组学（Ionomics）分析。此外，还计算了镉的地上部生物富集因子（Bioconcentration Factor, BCF）。数据通过双因素方差分析、相关性分析和主成分分析等方法进行了统计处理。
3.1. 马铃薯、烟草和水稻植物的农艺参数
研究结果显示，三种MAP肥料中的PTE含量差异并未对三种作物的生长和发育产生显著影响。相反，石灰施用（提高土壤pH）是影响生长的关键因素。在施用石灰的条件下，马铃薯植株的小叶数量、块茎数量和生物量均有所增加；烟草植株的株高、茎粗和叶片数量也显著提高。然而，石灰施用并未对水稻的生长参数产生明显影响。在所有实验中，未施肥的对照组植物生长均受到抑制，各项参数均低于施用任一种MAP肥料的处理组。这表明，在本研究条件下，土壤酸度是限制植物生长的主要非生物胁迫，而肥料中的PTE浓度并未达到直接毒害生长的水平。
3.2. 代谢物含量
代谢物分析揭示了作物在应对土壤酸度和PTE暴露时的生理策略差异。在烟草中，石灰施用降低了地上部总氨基酸和脯氨酸的含量，但增加了蛋白质含量。脯氨酸是一种重要的渗透调节物质和抗氧化剂，其在酸性土壤（未施用石灰）条件下的积累，暗示烟草可能通过合成脯氨酸来应对酸胁迫。对于水稻，石灰施用和MAP处理对氨基酸含量无显著影响，但影响了脯氨酸和蛋白质。仅在对照组中，石灰施用增加了脯氨酸含量。此外，在施用石灰的条件下，MAP 3处理的水稻蛋白质含量最高，而在未施用石灰的条件下，同一处理的蛋白质含量却最低，显示了土壤pH与肥料PTE互作对水稻氮代谢的复杂影响。
在糖代谢方面，石灰施用普遍增加了马铃薯地上部的可溶性总糖（Total Soluble Sugars, TSS）含量，并增加了MAP 1处理下的蔗糖含量。在烟草中，石灰施用增加了淀粉和蔗糖的积累。对于水稻，不同MAP处理间的糖分差异更为显著，MAP 3处理（镉含量最高）导致了地上部糖含量的显著升高。糖分不仅是能量物质，也是重要的信号分子和渗透调节物。这些变化表明，作物可能通过调整碳水化合物代谢来适应由土壤酸度和/或镉暴露引起的代谢扰动。
3.3. 离子组学特征
离子组学分析揭示了土壤pH和肥料镉含量对作物矿质营养吸收的深刻影响。对于马铃薯，石灰施用增加了地上部钙（Ca）和镁（Mg）的含量，但降低了铜（Cu）、锰（Mn）和锌（Zn）的含量。尤其是在施用石灰的条件下，MAP 3处理导致了锌含量的显著下降。在烟草中，石灰施用增加了硼（B）、硫（S）和锰（Mn）的含量，但降低了铜、钾（K）和锌的含量。MAP 3处理降低了烟草地上部的铜、铁（Fe）和锰含量。对于水稻，石灰施用降低了地上部铜、铁、锰和锌的含量。这些结果表明，提高土壤pH改变了多种微量元素的生物有效性，而高镉肥料（MAP 3）可能与某些必需元素（如Zn、Mn）产生吸收竞争，从而干扰了作物的正常矿质营养平衡。
3.4. 马铃薯、烟草和水稻对镉的生物富集与转运
镉的生物富集因子（BCF）分析证实了镉是三种PTE中最易被植物吸收和转运的元素。在马铃薯和烟草的地上部，所有处理的BCF均大于1，表明这两种作物具有镉积累潜力。在酸性土壤（未施用石灰）中，MAP 3处理的马铃薯和烟草地上部镉BCF高达30以上，显著高于MAP 1处理。石灰施用显著降低了两种作物地上部的镉含量。相比之下，水稻在所有处理中的镉BCF均低于1.5，且在酸性土壤中不同MAP处理间无差异，仅在施用石灰的土壤中，MAP 3处理的镉BCF高于其他处理。这清晰地表明，水稻将镉向地上部转运的能力远低于马铃薯和烟草，且土壤pH对镉生物有效性的调控作用在水稻上因石灰施用而显现。
3.5. 皮尔逊相关性与主成分分析
相关性分析（针对MAP 3处理）显示，镉与钙、钾、镁、锰呈显著正相关，而与锌呈负相关。主成分分析（PCA）结果将三种作物清晰地区分开来，并表明马铃薯具有更高的镉、铬及与其相关的矿物质（如Mn、Fe、K、Ca、Mg、B）的生物富集能力，同时伴随着锌含量的降低。这进一步印证了不同作物种类在应对相同土壤-肥料-镉系统时，其离子吸收和积累策略存在根本性差异。
本研究的结论与讨论部分强调了作物对磷肥中镉的响应强烈依赖于土壤酸度，且具有显著的物种特异性。首先，尽管肥料中含有不同浓度的砷、镉、铬，但这些PTE并未直接损害三种作物的完整生命周期生长，这或许意味着在本实验浓度下，作物启动的耐受机制足以维持基本生长。然而，观察到的代谢物（如脯氨酸、糖类）和离子组（如Zn、Mn）的调整，明确揭示了作物内部发生了应对PTE和/或酸胁迫的生理生化响应。其次，土壤pH是调控镉生物有效性和作物响应的核心环境因子。酸性土壤显著促进了镉在马铃薯和烟草中的吸收与积累，而石灰施用通过提高pH有效降低了镉的生物有效性。最后，不同作物对镉的积累能力差异巨大。同为茄科的马铃薯和烟草表现出较高的镉积累潜力，而水稻则通过限制镉向地上部转运表现出较低的生物富集能力。这一发现对于基于作物种类进行风险管理和农田安全利用具有重要实践意义。研究表明，在热带酸性土壤地区，联合采用低镉磷肥和土壤改良（如施用石灰）是降低镉进入食物链风险、实现农业可持续生产的关键策略。该研究不仅深化了对“土壤-肥料-作物”系统中PTE归趋的理解，也为制定差异化的作物安全生产技术提供了重要的科学依据。
