原位小麦秸秆还田方式对土壤-水稻系统镉(Cd)行为的影响

《Foods》：Impacts of In Situ Wheat Straw Incorporation Methods on Cadmium Behavior in Soil–Rice Systems

　　

摘要：稻田土壤镉(Cd)污染对食品安全构成严重威胁。尽管秸秆还田是可持续农业的关键措施，但其在Cd污染农田中调控水稻安全生产的作用机制尚不清楚。本研究于两个Cd污染点位开展田间试验，选用两个Cd积累特性不同的水稻品种——低Cd积累品种珍两优8612(ZLY8612)和高Cd积累品种宜香优2115(YXY2115)，评估了五种小麦秸秆管理模式：秸秆移除(CK)、秸秆覆盖(SM)、秸秆翻压还田(SI)、秸秆配施有机肥还田(SOI)及秸秆源生物炭(Biochar)还田(SBI)。主要结果表明，SOI和SBI可有效降低Cd生物有效性并促进Cd向残渣态(Res-Cd)转化，其中SBI钝化效果更优。SBI还富集了有益菌属（芽孢杆菌属 Bacillus、鞘氨醇单胞菌属 Sphingomonas 和 Flavisolibacter），提高了变形菌门(Proteobacteria)相对丰度，降低了绿弯菌门(Chloroflexi)和酸杆菌门(Acidobacteriota)。所有处理均提高水稻产量，但仅SBI在高Cd土壤下将高Cd积累品种籽粒Cd降至＜0.2 mg/kg。综上，秸秆源生物炭还田结合低Cd积累水稻品种是Cd污染稻麦轮作区安全产粮与秸秆资源化利用的可靠推荐农艺措施。

论文解读：原位小麦秸秆还田方式对土壤-水稻系统镉(Cd)行为的影响

该研究发表于《Foods》期刊。我国稻田土壤镉(Cd)污染日趋严峻，威胁稻米安全（国标限值0.2 mg/kg）。秸秆还田可培肥地力，但其对土壤Cd生物有效性的影响存在争议——既可能因释放溶解性有机碳(DOC)活化Cd，也可能因提升pH和阳离子交换量(CEC)钝化Cd。现有研究多局限于室内盆钵或单一还田模式，缺乏田间尺度下秸秆还田方式与不同Cd积累基因型水稻互作的系统探讨。研究人员以四川盆地典型稻麦轮作Cd污染农田为对象，通过田间小区试验比较五种小麦秸秆处理方式对土壤理化性质、Cd形态分级、根际微生物群落及水稻Cd积累和产量的影响，旨在明确秸秆还田调控Cd行为的途径，为Cd污染区秸秆利用与安全稻米生产提供理论依据和技术支撑。

研究人员于崇州（CZ，高Cd）和绵竹（MZ，低Cd）两地开展随机区组田间试验，采用裂区设计，主区为两个水稻品种（低Cd积累型Zhenliangyou 8612/ZLY8612和高Cd积累型Yixiangyou 2115/YXY2115），副区为五种小麦秸秆处理——秸秆全移除(CK)、秸秆地表覆盖(SM)、秸秆翻压还田至0~20 cm土层(SI)、秸秆翻压配施藻碳汇有机肥(SOI)、500 ℃热解小麦秸秆生物炭(Biochar)还田(SBI，折合秸秆当量)。测定根际土壤pH、土壤有机碳(SOC)/溶解性有机碳(DOC)、CEC、DTPA提取态Cd（表征生物有效Cd）、BCR连续提取Cd形态分级；水稻各部位及精米Cd含量经HNO₃-H₂O₂微波消解后用原子吸收分光光度计定量；土壤细菌16S rRNA基因V3–V4区扩增测序分析α/β多样性及菌群结构；数据经单因素方差分析(ANOVA/Duncan法)及冗余分析(RDA)、Mantel检验进行统计学处理。

3.1. 水稻各部位Cd含量（Cd Contents of Various Rice Tissues）

研究人员测定并比较各处理水稻根、茎、叶、谷壳及精米Cd含量。结果显示SM和SI较CK升高植株Cd含量，SOI和SBI显著降低精米Cd，其中SBI降幅最大；CZ点高Cd品种YXY2115经SBI处理后精米Cd降至＜0.2 mg/kg安全阈值，ZLY8612各处理及MZ两点位各品种精米Cd均低于阈值。表明常规秸秆还田(SM/SI)在高Cd土壤中可能加剧稻米Cd超标风险，而SBI可实现降Cd与稳产兼顾。

3.2. 土壤总Cd与DTPA-Cd含量（Soil Cd and DTPA-Cd Contents）

CZ点秸秆处理使土壤总Cd小幅上升（源自秸秆携带Cd），MZ点无显著影响。SI显著提高DTPA-Cd（生物有效Cd），SOI和SBI较SI显著降低DTPA-Cd，SBI降幅最大，且整个生育期呈此趋势。说明SI活化土壤Cd，SOI与SBI抑制Cd生物有效性。

3.3. 土壤SOM、DOC和CEC含量（Soil SOM, DOC, and CEC Contents）

所有秸秆处理提升土壤有机质(SOM)，SOI和SBI增幅最显著。DOC含量排序为CK＜SBI＜SM＜SI＜SOI，呈先升后降动态。SBI显著提高土壤CEC。表明SBI通过提升SOM和CEC增强土壤对Cd的吸附固定能力。

3.4. 土壤pH与Cd形态分级（Soil pH and Cd Fractions）

SM和SI有酸化趋势，SOI和SBI升高土壤pH（SBI平均升0.17~0.22）。SM和SI提高酸提取态Cd(Aci-Cd)比例，SOI和SBI降低Aci-Cd比例并提高残渣态Cd(Res-Cd)占比，SBI促Cd向稳定态转化效果最强。说明pH升高与有机质改良协同驱动Cd由可迁移态向稳定态转变。

3.5. 水稻产量及产量构成（The Rice Yield and Yield Components）

所有秸秆处理较CK增产（增4.09%~15.24%），SBI增产效应最明显，主要源于每穗颖花数增加。低Cd品种ZLY8612整体产量高于YXY2115。表明秸秆合理利用在降Cd或保底前提下仍可获产量增益。

3.6. 土壤微生物群落多样性与结构（Diversity and Structure of Soil Microbial Communities）

SOI和SBI提高细菌α-多样性(ACE/Chao/Shannon指数)，NMDS显示SBI形成独立聚类。优势菌门为绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)；各秸秆处理降低Chloroflexi，SBI和SOI升高Proteobacteria、降低Acidobacteriota。属水平SBI和SOI富集芽孢杆菌属(Bacillus)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、Flavisolibacter，降低厌氧绳菌属(Anaerolinea, 即Anaerolinea)。RDA显示DTPA-Cd、pH、SOM是驱动菌群变化的主因。表明SBI通过改良微环境筛选Cd耐受/钝化功能微生物，协同物理化学途径固Cd。

3.7. 水稻产量构成与土壤性质的相关性（Correlation Analysis of Rice Yield Components and Soil Properties）

Mantel检验与Pearson相关显示精米Cd(RCd)与DTPA-Cd、DOC、Aci-Cd正相关，与pH、Res-Cd负相关；DTPA-Cd与pH、CEC、Res-Cd负相关，与Aci-Cd正相关。说明提升pH及稳定态Cd比例是抑制稻米Cd积累的关键。

讨论与结论总结（Conclusions）

讨论部分指出：①SM/SI因释放秸秆Cd及轻微酸化、升高DOC而活化Cd；SOI/SBI通过含氧官能团络合、升pH沉淀、生物炭静电吸附与离子交换共沉淀实现Cd钝化。②SBI因其高pH、大比表面积及提升CEC能力，促使Cd向碳酸盐/磷酸盐沉淀及残渣态转化最优。③SBI改变根际微生态，富集Proteobacteria及Cd-钝化功能菌属，参与Cd固定。④高Cd背景区常规还田可致精米Cd超标，须配低Cd品种；轻污染区SM/SI可安全应用；重污染区推荐SBI+低Cd品种组合。

结论：SM和SI降低土壤pH、升高DOC使Cd溶出增加致精米Cd升高；SOI和SBI通过提升SOM、pH和CEC促进Cd向残渣态转化，降低稻米Cd积累，SBI钝化效果最强。SOI和SBI提高微生物α-多样性，升高Proteobacteria、降低Chloroflexi和Acidobacteriota，富集Bacillus、Sphingomonas和Flavisolibacter协同Cd固定。低Cd积累品种ZLY8612表现优于YXY2115；重污染区仅SBI使高Cd品种精米Cd＜0.2 mg/kg，轻污染区各处理均达标。推荐依污染程度选用差异化的秸秆管理模式，重污染稻麦轮作田宜采用秸秆源生物炭还田结合低Cd积累水稻品种以保障产量与稻米安全。