桑树(Morus alba L.)间作通过根际调控影响玉米镉累积：两种桑树品种的对比效应

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Intercropping with Morus alba L. affects Cd accumulation in maize via rhizosphere regulation: Contrasting effects of two Morus alba L. cultivars

　　

为阐明在镉(Cd)污染热带农田中桑树(Morus alba L.)–玉米(Zea mays L.)间作体系下玉米Cd累积的机制，本研究选用两种桑树品种（G62和G12）建立了单作和间作系统。研究人员评估了植株和根际特征，并采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）量化调控途径。与单作相比，桑树G62–玉米间作（CM1）使玉米根Cd浓度、生物富集系数（BCF_R）和根–茎转运系数（TF_RS）分别显著降低了88.15%、91.09%和90.63%。G62表现出竞争优势，通过提高土壤pH、有机质（OM）、有效磷（AP）和有效钾（AK）促进Cd稳定化。它重塑了土壤理化性质，释放了代谢物（如银杏内酯B和PC (22:1(13Z)/14:0)）以固定Cd，而玉米则通过根际代谢物调控（如藻蓝蛋白和落新妇苷）减少了Cd吸收。PLS-SEM确定了AP和AK为核心调节因子。相反，G12–玉米间作（CM2）使玉米Cd累积增加了77.32%（叶片）和83.48%（茎部），DTPA–Cd和总Cd（TCd）分别增加了34.20%和34.19%，这是由于代谢物诱导的Cd活化以及铁（Fe）/镁（Mg）的减少。氮（N）和磷（P）是CM2中的关键因素。具体而言，G62–玉米间作通过根际环境重塑和代谢物协同作用减少了玉米Cd吸收，提供了一种将植物稳定化植物与低Cd累积作物相结合的潜在植物修复模型。

**论文解读：桑树间作通过根际调控差异化影响玉米镉累积的机制研究**

**研究背景与问题**

全球土壤镉（Cd）污染严重威胁农业生态安全与人体健康。模型预测显示，热带季风气候区因土壤形成条件与农业活动的共同作用，成为Cd超标高风险区。中国海南岛作为典型热带农业区，局部Cd污染突出，且2000至2024年间农业土壤Cd浓度总体上升，超标率从约1%升至20.93%。该区域土壤高度酸化、阳离子交换量低，增强了Cd的生物有效性，对农产品质量安全构成威胁。因此，亟需科学治理与安全利用措施。间作因其经济与环境效益，在轻度至中度污染土壤安全利用中显示出潜力。“植物稳定化植物+低累积作物”模式旨在提高资源效率、改善土壤质量、降低重金属吸收、保障作物安全。桑树（Morus alba L.）作为典型木本经济树种，具有强Cd耐受性与根系固定能力，其深根系可稳定深层土壤Cd。玉米（Zea mays L.）作为低累积作物，在Cd污染土壤中具有较高安全裕度。桑树-玉米（木本-草本）间作系统为热带Cd污染农田安全利用提供了有前景的模式。然而，不同桑树品种的种内差异是否会对间作玉米的Cd累积产生对比效应，以及其根际调控机制，尚不清楚。这一知识空白严重限制了桑树品种的合理选择。因此，研究人员假设两个热带桑树品种（G62、G12）会通过不同的根际调控途径对间作玉米的Cd吸收与转运产生不同影响，旨在识别品种特异性间作效应，阐明根际驱动因子，建立优化的“根际稳定化木本植物+低Cd累积作物”模型。

**关键技术方法**

本研究在海南定安县Cd污染农田（土壤Cd平均浓度2.26±0.03 mg·kg^-1，pH 5.85）进行田间试验，采用单因素随机区组设计，设置5种种植模式：桑树G62单作（M1）、G12单作（M2）、玉米单作（C）、玉米-G62间作（CM1）和玉米-G12间作（CM2），每种模式3个重复。于玉米成熟期采集植株与根际土壤样品。主要技术方法包括：①土壤理化性质分析（pH、有机质（OM）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）、有效钾（AK）、全量氮磷钾、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe））；②土壤Cd形态分析（修正Tessier连续提取法）与Cd浓度测定（电感耦合等离子体质谱，ICP-MS）；③植物Cd浓度测定（ICP-MS）；④根际土壤代谢组学分析（超高效液相色谱-高分辨质谱联用，UPLC-QTOF-MS）与差异代谢物筛选；⑤偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）量化调控途径。

**研究结果**

**3.1 植株生长与Cd累积特征**

与单作相比，间作显著提高了桑树总生物量，尤其是CM1系统中桑树G62的叶片和茎生物量分别增加45.49%和44.96%，但对玉米生物量无显著影响。CM1系统使玉米根Cd浓度和累积分别降低88.15%和94.58%，BCF_R、TF_RS和TFS_L分别降低91.09%、90.63%和56.10%且TF_RS<1，表明强烈抑制Cd向地上部转运。相比之下，CM2系统使玉米茎和根Cd浓度分别增加83.55%和87.97%，叶片和茎Cd累积分别增加77.32%和83.48%，BCF_R、BCF_L和BCF_S分别增加37.70%、76.37%和83.83%，TF_RS>1表明促进Cd向茎转运。两种间作模式下玉米籽粒Cd浓度均低于0.2 mg·kg^-1，满足欧盟谷物Cd限值和我国饲料玉米卫生标准。

**3.2 间作效应差异**

CM1系统中，桑树G62的Cd响应系数（R-PEEC、L/S/R-PAEC）均>1且显著高于玉米（<1），表明G62占竞争优势，增强自身Cd累积并抑制玉米Cd吸收。CM2系统中，玉米的S-PAEC、S/L-PEEC和RS-PTEC均>1且显著高于桑树G12，同时G12根PAEC>1，表明间作协同促进了玉米地上部Cd富集与转运以及G12根Cd累积。

**3.3 根际土壤养分与Cd分布**

CM1系统中，桑树G62根际pH、OM、AN、AP、TP和AK分别比单作增加0.20单位、10.93%、28.94%、27.69%、51.49%和62.65%，而TN和Mg降低。玉米根际pH增加0.16单位，AP增加34.86%，TP降低59.20%。种间比较发现，G62根际OM、AN、TP、AK显著高于玉米，表明养分竞争优势。Cd方面，CM1-G62根际DTPA-Cd和TCd无显著变化，但玉米根际TCd增加25.43%，而DTPA-Cd未显著增加。CM2系统中，G12根际OM、AP、TP、AK增加，玉米根际pH、AP增加，TP降低，Fe降低5.28%。Cd方面，G12根际DTPA-Cd和AR（活性系数）分别增加45.88%和47.53%，玉米根际DTPA-Cd和TCd分别增加34.20%和34.19%。种间比较显示，CM1中G62根际DTPA-Cd、TCd和AR显著高于玉米；CM2中玉米根际TCd显著高于G12。

**3.4 土壤-植物系统Cd累积机制**

PLS-SEM分析揭示：CM1-M1/M1模式中，种植方式通过调控土壤性质间接负向影响Cd富集能力进而抑制Cd累积，并通过矿物元素直接调控；关键因子为pH、OM、NPK。CM1-C/C模式中，种植方式通过土壤性质负向调控Cd富集和累积（总效应-0.93），P和K为核心因子。CM2-M2/M2模式中，种植方式通过土壤性质正向促进Cd累积（总效应0.7），OM、N、P为关键因子。CM2-C/C模式中，种植方式通过土壤性质和矿物元素双重途径正向促进Cd富集和累积（总效应0.93），N和P为关键因子。

**讨论与结论**

讨论部分指出，不同桑树品种与玉米间作产生相反Cd累积效应的核心在于根际竞争关系与微环境调控。CM1系统中，桑树G62通过提高根际pH和AP、分泌银杏内酯B和磷脂酰胆碱PC (22:1(13Z)/14:0)固定Cd，同时玉米根际积累藻蓝蛋白和落新妇苷减少Cd吸收，形成“根际稳定化”模式。CM2系统中，桑树G12根际活化Cd，玉米根际OM和AN增加但Fe/Mg降低，黄酮类代谢物（如柚皮苷、脱落醛）可能促进Cd活化，形成“活化-吸收”协同效应。PLS-SEM验证了不同品种间核心驱动因子（P、K vs. N、P）的差异。研究局限性包括仅单一土壤类型、品种筛选范围窄、机制验证不足等。

结论：研究发现桑树-玉米间作模式对玉米Cd累积的影响存在显著品种差异。G62-玉米间作（CM1）通过优化土壤性质实现根际化学钝化，玉米通过根际代谢物调控减少Cd吸收，形成“根际稳定化植物+低累积作物”安全利用模式。G12-玉米间作（CM2）通过改变土壤性质和矿物元素活化根际Cd，促进玉米Cd富集与转运。该研究为热带Cd污染农田生态修复与安全生产提供了实用技术路径和品种选择科学依据。