钙基膨润土-生物炭复合物提升小麦在镉与干旱复合胁迫下的生产力与恢复力

《Environmental Technology & Innovation》：Hybrid Calcium Bentonite–Biochar Composite Enhances Wheat Productivity and Resilience Under Combined Cadmium and Drought Stress

本研究针对半干旱农业生态系统中普遍共存的镉污染与干旱胁迫严重制约小麦生产与粮食安全的问题，研究人员通过开展钙基膨润土、小麦秸秆生物炭及其杂化复合物对小麦镉毒性与水分亏缺胁迫缓解效果的评估研究，发现杂化膨润土-生物炭复合物在两种水分条件下均表现最优，能显著提升小麦生长、产量及营养品质，同时有效降低植株各部位镉积累并缓解氧化胁迫，为协同治理重金属污染与干旱胁迫提供了有效的土壤改良剂策略。

　　

在全球土壤退化与污染加剧的背景下，重金属污染物如镉因其高毒性、高移动性和环境持久性，对全球食品安全构成显著威胁。与此同时，气候变化导致的高蒸发散、降水模式改变等因素引发的干旱胁迫，已成为影响农业、环境和社会经济的全球性问题，在世界的干旱和半干旱地区影响尤为显著。小麦作为全球重要的主粮作物，其生产在干旱半干旱地区日益受到干旱和镉毒害等非生物胁迫的制约。镉作为一种非必需金属，会破坏营养吸收、干扰光合作用过程并诱导氧化应激，从而抑制植物生长和产量。当干旱胁迫与镉污染共同发生时，它们往往会相互叠加其负面效应，进一步放大对小麦作物的毒性严重程度。这些相互作用的胁迫因子凸显了原位应用土壤改良剂以恢复土壤健康和固定镉的必要性，而粘土矿物（如膨润土）和生物炭是这方面的突出改良剂。

为了探究协同解决方案，研究人员在《Environmental Technology》上发表了一项研究，评估了钙基膨润土、小麦秸秆生物炭以及膨润土-小麦秸秆杂化生物炭复合物在缓解小麦镉毒性和水分亏缺胁迫方面的有效性。该研究旨在为开发能够同时应对多重胁迫的工程化土壤改良剂提供实证依据。

研究人员在温室条件下进行了盆栽实验。关键技术方法包括：对土壤进行基本理化性质分析并人工添加镉污染；制备钙基膨润土、小麦秸秆生物炭以及两者按8:2比例在300°C下共热解制备的杂化膨润土-生物炭复合物；设置不同的镉浓度和水分梯度（充分灌水与干旱胁迫）组合，采用完全随机设计；使用便携式红外气体分析仪测定小麦生理参数；通过分光光度法测量抗氧化酶活性（如SOD、POD、CAT、APX）和氧化应激指标（如MDA、H₂O₂）；采用原子吸收光谱法测定土壤和植株各部位的镉含量；并计算了镉的转运因子和收获指数。

3.1. 小麦农艺性状

镉胁迫和有限土壤水分显著降低了小麦的所有生长和产量指标。在充分灌水条件下，镉胁迫使小麦根干重、茎干重、籽粒产量、株高、分蘖数和穗长分别显著降低。所有改良剂的施用均逆转了这种毒性，其中HBBC效果最佳。单独干旱胁迫也导致所有生长和产量参数显著下降，HBBC的添加使其显著增加。镉与干旱复合胁迫对植物生长的危害最大，而HBBC能最大程度地逆转这种下降趋势。总体而言，所有测试改良剂均显著改善了植物生长和产量，且HBBC在镉、干旱及其复合胁迫下均优于单一改良剂。

3.2. 小麦生理与生化特性

镉和干旱胁迫显著降低了小麦的生理活性，对光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、水分利用效率和相对含水量产生破坏性影响。改良剂的施用，特别是HBBC，在胁迫条件下显著改善了这些生理参数。小麦根和茎在镉、干旱及其复合胁迫下经历了严重的氧化应激，表现为MDA和H₂O₂含量增加，以及抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX）活性升高。HBBC的施用能最有效地抑制氧化应激指标并调节抗氧化酶活性，表现出最强的胁迫缓解效果。

3.3. 小麦元素响应

胁迫显著降低了小麦根、茎和籽粒中的氮、磷、钾含量。改良剂的施用增加了这些营养元素的含量，HBBC的效果最显著。在镉与干旱复合胁迫下，各组织营养元素含量降至最低，而HBBC处理使其显著回升。

3.4. 镉相关响应

土壤中添加镉导致土壤有效态镉含量显著升高。HBBC的施用使土壤有效态镉含量降低幅度最大。在充分灌水条件下，HBBC能最大程度地降低根、茎和籽粒中的镉浓度。在干旱条件下，HBBC同样表现出最强的降低植株镉积累的能力。此外，HBBC还能调节镉从土壤向根、根向茎、茎向籽粒的转运因子，但对镉收获指数无显著影响。

该研究结果表明，杂化膨润土-小麦秸秆生物炭复合物是一种能够改善小麦在镉和水分亏缺胁迫下生长、产量和营养表现的多功能土壤改良剂。HBBC整合了生物炭的营养缓冲和镉固定能力，以及膨润土的持水性和高阳离子交换量优势，因此在镉和干旱单独及复合胁迫下，其农学响应均优于其单一组分。这些发现支持了复合HBBC土壤改良剂在促进沙特阿拉伯王国和联合国可持续发展目标方面的应用潜力。未来研究应侧重于该改良剂在不同耕作系统中的商业化规模生产与应用，以及其长期稳定性和发挥有益效应的分子机制。