联合有机改良剂通过重塑土壤细菌群落减少双季稻镉积累

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Combined organic amendments reduce Cd accumulation in double-cropping rice by restructuring soil bacterial communities

　　

农田土壤镉（Cd)污染对稻米安全及人体健康构成严重威胁。紫云英、水稻秸秆和田菁生物炭(MRFB)联合施用已显示出缓解稻田Cd污染的潜力，但其相关细菌机制尚不充分明晰。基于长期田间试验，本研究系统评估了MRFB对双季稻系统土壤理化性质、Cd生物有效性、细菌群落结构及其对Cd积累的影响。结果表明，与常规施肥(CF)相比，MRFB处理显著提高了双季稻田土壤pH、养分有效性（铵态氮、硝态氮、有效磷和有效钾）及土壤酶活性（脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶）。同时，MRFB处理显著降低了早稻季土壤有效态Cd和稻米Cd浓度（分别降低67.19%和52.51%），以及晚稻季土壤有效态Cd和稻米Cd浓度（分别降低55.66%和57.50%）。高通量测序揭示MRFB重塑了土壤细菌群落并富集了关键类群包括硫杆菌属(Thiobacillus)和SC-I-84，其与土壤有效态Cd呈显著负相关（P<0.05）。网络分析进一步表明MRFB增强了土壤细菌互作网络的复杂性和稳定性。随机森林和偏最小二乘路径模型识别出硫杆菌属(Thiobacillus)为关键功能属，并证实土壤养分状况是抑制水稻Cd吸收的主要驱动因素。总体而言，紫云英、水稻秸秆和田菁生物炭的联合施用通过改善土壤性质、调控细菌群落结构及增强细菌介导的Cd固定化，减少了稻米Cd积累。此外，通过增强细菌网络稳定性，Cd固定化效率在两个稻季均得以维持，为Cd污染稻田的可持续修复提供了理论基础。

本文发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》。研究背景方面，水稻安全生产日益受到农田土壤镉污染的威胁，镉通过食物链传递对人体健康构成重大风险。传统修复方法如土壤置换和化学固定化虽能部分缓解Cd污染，但高昂成本及二次污染风险限制了其大规模应用。利用农业废弃物、增值产品及绿肥进行Cd修复具有经济可行性和环境友好性，然而以往研究多集中于非生物因素，细菌过程的作用尚不清楚。土壤细菌群落作为关键土壤生态过程的核心驱动者，参与重金属形态转化及其植物有效性调控，但田间尺度下生物炭、绿肥和秸秆协同重塑土壤细菌群落并调控铁、硫、磷循环微生物以稳定Cd形态的机制尚未充分阐明。

研究人员于2023年在湖南省益阳市赫山区开展了长期田间小区试验，设置常规施肥(CF)和紫云英+水稻秸秆+常规施肥+田菁生物炭(MRFB)两个处理，采用完全随机区组设计，每个处理3次重复。所有改良剂仅在早稻季施用，包括紫云英22,500 kg·ha^-1（鲜重）、水稻秸秆6,000 kg·ha^-1（风干重）和田菁生物炭3,000 kg·ha^-1。研究的早稻品种为'湘早籼45'，晚稻品种为'泰优金华占'。试验田土壤总Cd含量为0.9 mg·kg^-1，有效态Cd为0.4 mg·kg^-1。

**研究结果**部分依原文结构总结如下：

**土壤化学性质、酶活性及水稻Cd吸收**：MRFB处理显著提高了两个稻季的土壤溶解性有机碳(DOC)、铵态氮(NH₄⁺-N)、有效磷(AP)、有效钾(AK)、pH及脲酶(UE)、酸性磷酸酶(ACP)、过氧化氢酶(CAT)活性，显著降低了土壤氧化还原电位(Eh)。土壤有效态Cd在早稻季降低67.19%，晚稻季降低55.66%，而总Cd无显著变化。水稻各组织（根、茎叶、籽粒）Cd浓度均显著降低，籽粒Cd浓度早稻季降低57.50%，晚稻季降低52.51%。MRFB还显著提高了理论产量，主要通过增加每穗实粒数和千粒重实现。

**土壤细菌群落的整体变化**：MRFB处理在两个稻季均显著改变了土壤细菌群落结构，但α多样性指数(Chao1和Shannon)与CF无显著差异。晚稻季α多样性显著高于早稻季。在门水平上，MRFB显著增加了变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度，降低了绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)和甲基硝化菌门(Methylomirabilota，早稻季)或酸杆菌门(Acidobacteriota，晚稻季)的丰度。在属水平上，MRFB显著富集了SC-I-84、Subgroup_7和硫杆菌属(Thiobacillus)，降低了Rokubacteriales、芽单胞菌属(Gemmatimonas)等类群的丰度。线性判别分析效应大小(LEfSe)进一步鉴定了处理特异性细菌类群，MRFB相关类群主要归属于变形菌门和酸杆菌门。

**土壤细菌群落的网络拓扑特性**：MRFB处理的细菌共现网络表现出更多的节点数和连接数，以及更高的平均度(avgK)和平均聚类系数(avgCC)，表明网络复杂性更高。基于随机矩阵理论的网络分析识别了关键物种(keystone taxa)，MRFB网络中的关键物种主要与酸杆菌门和变形菌门相关，晚稻季还包括脱硫杆菌门(Desulfobacterota)。特别地，SC-I-84被鉴定为MRFB相关网络中的关键物种。

**关键土壤细菌类群、环境因素与水稻相关指标的关联**：斯皮尔曼相关和Mantel检验显示，硫杆菌属(Thiobacillus)丰度与DOC、NH₄⁺-N、NO₃^--N、AP、AK、UE、ACP、CAT及pH、有效态Cd等显著相关。土壤有效态Cd与上述养分因子和酶活性显著正相关，与Eh显著负相关。皮尔逊相关分析表明，两个稻季水稻各组织Cd浓度均与土壤有效态Cd显著正相关。

**土壤Cd转化和水稻Cd吸收的驱动因素**：随机森林模型显示，早稻季硫杆菌属(Thiobacillus)和Subgroup_7对土壤有效态Cd和籽粒Cd积累的重要性最高；环境变量中UE、pH、AK和DOC对土壤有效态Cd解释力最大，而籽粒Cd积累主要受有效态Cd、NH₄⁺-N、Eh、AP和AK影响。晚稻季硫杆菌属(Thiobacillus)在调控Cd转化迁移中起重要作用。

偏最小二乘路径模型(PLS-PM)进一步揭示了作用路径：早稻季土壤养分状况对关键细菌类群有显著正路径系数(0.97)，对土壤有效态Cd有显著负路径系数(-0.55)；土壤pH和关键细菌类群均与土壤有效态Cd呈显著负相关；土壤有效态Cd与水稻Cd含量呈显著正相关(0.66)。标准化效应分析表明土壤养分状况对降低水稻Cd积累的贡献最大(总效应=0.98)。晚稻季土壤养分状况对关键细菌类群和土壤酶活性均有显著正路径系数，土壤酶活性对关键细菌类群有显著正路径系数(1.21)，关键细菌类群对土壤有效态Cd有显著负路径系数(-0.63)。土壤养分状况对降低水稻Cd积累的总效应最强(-0.97)。

**讨论部分总结**：MRFB联合施用同时实现了缓解Cd污染、改善土壤肥力和提高水稻产量三个目标。Cd固定化机制包括：pH升高促进Cd²⁺转化为Cd(OH)₂和CdCO₃等难溶形态；有机物料提供丰富吸附位点；养分有效性增加通过离子竞争和稀释效应降低Cd吸收；有效磷促进难溶Cd-磷酸盐沉淀形成。细菌驱动机制方面，变形菌门(Proteobacteria)的富集可能通过生物沉淀促进Cd去除。SC-I-84作为部分反硝化菌，可通过有机酸分泌和三羧酸循环增强促进Cd向碳酸盐结合态和有机结合态转化。硫杆菌属(Thiobacillus)通过化能自养硫氧化作用将还原态硫化合物氧化为SO₄^2-，促进CdS沉淀形成，同时参与硝酸盐依赖性铁氧化促进Fe-N耦合循环。网络复杂性的增加可能有助于维持MRFB修复的持续效果，增强的网络稳定性保护了关键功能类群，解释了早稻季施用改良剂后Cd降低效益持续至晚稻季的 Carry-over效应。整合分析确认土壤养分状况是降低Cd积累的主导因素，早稻季通过直接促进功能细菌增殖和抑制有效态Cd发挥作用，晚稻季则通过"养分→土壤酶活性→微生物→有效态Cd"的级联调控路径实现。

**研究结论翻译**：在早稻季将紫云英和水稻秸秆还田并结合田菁生物炭施用，有效降低了双季稻田的Cd生物有效性，同时改善了土壤养分有效性和酶活性。该处理还使水稻Cd浓度降低了52.5%-57.5%，并提高了水稻产量。这些效应与土壤细菌群落的重塑密切相关，特别是硫杆菌属(Thiobacillus)和SC-I-84的持续富集，二者与Cd生物有效性呈负相关。细菌网络复杂性和稳定性的增加可能进一步支持了晚稻季微生物Cd固定化的持续性。路径分析进一步表明，土壤养分和功能微生物是降低水稻Cd吸收的主要驱动因素。这些发现为利用农业废弃物衍生土壤改良剂进行可持续Cd修复提供了机制基础，并为重金属污染农田的绿色管理提供了实践指导。