《Journal of Natural Fibers》：Ramie Outperforms Golden Buckwheat in Cd-Contaminated Farmland Phytoremediation in Southern China: Core Microbes, Plant Traits and Soil Properties
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本研究通过两年田间试验系统比较苎麻（Ra）与金荞麦（Gb）对镉（Cd）污染农田的修复效能，发现苎麻具有更高Cd富集能力（2.07倍）和土壤Cd生物有效性调控作用。研究揭示锌（Zn）对Cd吸收的拮抗效应、磷（P）对Cd形态转化的影响，以及鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）等微生物通过促进Cd向地上部转运的协同机制，为南方Cd污染农田植物修复品种筛选提供理论依据。
引言
镉（Cd）污染作为重大环境挑战，对土壤、水体及生物体产生持续危害。中国南方地区作为传统矿业区域，农田土壤Cd污染治理需求迫切。苎麻（Ra）作为长江流域一年三收的经济作物，具有分布广、适应强、生物量大等核心优势，其纤维用途特性使其成为重金属植物修复的理想候选者。金荞麦（Gb）作为多年生蓼科草本植物，在南方广泛分布且对贫瘠土壤具有良好耐受性。现有研究尚未系统阐明两种植物在Cd污染农田修复效能差异及其机制联系，因此本研究通过两年田间试验，从土壤-植物-微生物系统角度评估其修复效能与作用机制。
材料与方法
试验于2021年9月至2023年10月在湖南长沙县北山镇（28.39718°N, 113.02700°E）开展，该区域土壤因长期采矿历史自然含Cd（0.72 mg/kg）。采用随机区组设计，设置苎麻与金荞麦交互种植的2×3矩阵核心区，每小区20 m2并设3次重复。基础施肥为每666.67 m2施复合肥30 kg（N:P:K=15:15:15）和尿素4 kg。苎麻于每年6月、8月、10月采收，金荞麦仅于10月同步采收。土壤样品于种植前及种植后第1、2年10月采集，植物样品于每次采收后立即采集。
土壤pH采用玻璃电极法测定，氮（N）磷（P）分别采用自动定氮仪和碱熔锑钼比色法分析。钾（K）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、镉（Cd）等元素浓度通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定。植物组织中元素采用苔藓连续提取法消化后通过ICP-AES测定。土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法，阳离子交换容量采用醋酸铵交换法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法，速效钾采用醋酸铵提取-火焰光度法。
微生物群落分析通过提取土壤总DNA，分别使用细菌16S rRNA V3-V4区和真菌ITS区引物进行扩增，利用Illumina MiSeq平台进行测序。采用QIIME2 2022.11进行生物信息学分析，通过DADA2算法去噪生成ASVs，使用Silva 132和UNITE v9.0数据库进行物种注释。细菌KEGG通路通过PICRUSt2预测，真菌功能群通过FUNGuild分类。植物内生菌分析采用16S rRNA V5-V7区引物对植物组织DNA进行扩增测序。
结果
植物修复对土壤理化性质的影响
与对照（CK）相比，苎麻和金荞麦均显著提高土壤pH、有机质、阳离子交换容量、碱解氮、有效磷和速效钾含量。其中苎麻在有机质、阳离子交换容量、碱解氮和速效钾的提升幅度显著高于金荞麦。对于Fe、Mn、Zn等微量元素，两种植物处理均显著降低其土壤含量，其中金荞麦处理的Zn含量最低。
植物修复对Cd吸收分配的影响
两种植物处理均显著降低土壤总Cd含量。Cd形态分析显示：金荞麦处理中铁锰氧化物结合态Cd和碳酸盐结合态Cd含量最高，苎麻处理中可交换态Cd含量最高。有机质结合态Cd和残留态Cd在对照中含量最高，金荞麦处理中最低。植物器官Cd分布显示：苎麻韧皮部Cd浓度最高（根>茎>叶），金荞麦Cd主要富集于叶片。苎麻因一年三收特性，两年累计Cd吸收量（84.36 mg）显著高于金荞麦（40.69 mg）。
微生物辅助修复在土壤-植物系统中的作用
细菌群落分析表明：第一年苎麻处理（Ra1）检测到27门418属，金荞麦处理（Gb1）为27门389属；第二年对照（CK）为33门291属，苎麻处理（Ra2）降至29门278属。变形菌门（Proteobacteria）在Cd富集器官（苎麻韧皮部和金荞麦叶片）中显著富集。鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）在苎麻茎秆、韧皮部和金荞麦茎秆中特异性富集，且土壤中该菌属在植物处理下显著增加。真菌群落中木霉属（Trichoderma）在两年土壤中均发生显著变化。
植物内生菌分析显示根部菌群多样性最高，PCA分析表明不同器官菌群结构差异显著（总方差解释率84%）。共有的10个门类中，地上部组织变形菌门丰度更高。多组学关联分析显示鞘氨醇单胞菌与总磷、碱解氮、有效磷、阳离子交换容量等指标呈正相关，与总Cd、可交换态Cd等呈负相关。
讨论
苎麻相较于金荞麦展现更强Cd修复潜力
金荞麦处理中高比例的铁锰氧化物结合态和碳酸盐结合态Cd表明其修复潜力较低，而苎麻通过提高可交换态Cd比例增强植物吸收效率。苎麻通过多次采收模式和生物量优势实现更高总量Cd提取，其器官特异性Cd富集特征（韧皮部>根>茎>叶）与金荞麦（叶片富集型）形成鲜明对比。
多组学视角解析变形菌门与鞘氨醇单胞菌在Cd修复中的作用
变形菌门作为环境广布菌群，在有机质分解和矿物溶解中发挥关键作用。其在Cd高富集器官的显著富集，以及鞘氨醇单胞菌与植物组织的特异性互作，提示微生物可能通过促进Cd向地上部转运的机制协同增强植物修复效率。
锌与磷在Cd修复中的调控角色
土壤Zn含量与总Cd、残留态Cd变化趋势一致，Zn-Cd拮抗效应直接调控Cd生物有效性。木霉属通过溶解磷提高其有效性，总磷在关联网络中展现最强连接度，表明磷不仅可能促进有机质结合态Cd转化，还通过微生物互作间接影响Cd形态转化。
结论
本研究通过两年田间系统试验证实苎麻在南方Cd污染农田修复中具有显著优势，其修复效能源于植物-元素-微生物多维度互作机制：苎麻通过高生物量和器官特异性富集特性实现2.07倍于金荞麦的Cd提取效率；土壤Zn通过拮抗效应调控Cd生物有效性，磷元素通过形态转化和微生物协同作用增强修复效能；变形菌门（特别是鞘氨醇单胞菌）通过促进Cd向上转运机制形成植物-微生物联合修复体系。研究成果为Cd污染农田修复品种筛选和机制解析提供理论支撑。
