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本文系统综述了生物炭（BC）在缓解土壤镉（Cd）污染及作物毒性中的多重机制，包括通过提升土壤pH值、吸附固定、调控基因表达（如NRAMP、HMA家族）、增强抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT、APX）及改善土壤微生物群落等途径降低Cd生物有效性，为农业安全生产与生态修复提供理论依据。
引言
镉（Cd）作为毒性最强的重金属之一，通过工业排放、化肥施用等途径进入环境，严重威胁农作物安全生产及人体健康。其在土壤中半衰期长达10–30年，易被作物吸收并累积于可食部位，进而通过食物链传递。生物炭（Biochar, BC）作为一种多孔碳材料，因具有高比表面积、丰富官能团及碱性特性，在修复Cd污染土壤方面展现出巨大潜力。
镉的环境行为与植物毒性
镉通过干湿沉降、灌溉等途径进入土壤后，其生物有效性受土壤pH、有机质（SOM）、阳离子交换量（CEC）等因素调控。植物根系吸收Cd2+后，经木质部运输至地上部，干扰叶绿素合成、抑制光合作用、诱导活性氧（ROS）爆发，导致膜脂过氧化（MDA升高）、细胞膜损伤（电解质泄漏率EL上升）及DNA损伤。长期Cd胁迫可造成作物减产甚至死亡，并通过累积效应引发人体肾损伤、骨质疏松等疾病。
生物炭的直接钝化机制
生物炭通过多种物理化学作用直接固定土壤中的Cd：
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吸附与表面络合：BC富含的羟基、羧基等官能团可与Cd形成稳定络合物。
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沉淀反应：BC提高土壤pH，促使Cd转化为碳酸盐或氢氧化物等难溶性形态。
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离子交换：BC的高CEC可竞争性吸附Cd2+，降低其迁移性。
研究显示，稻壳BC使土壤交换态Cd降低13–54%，铁改性BC对Cd的吸附量可达72.57 mg·g–1。
生理与分子调控途径
BC通过多重间接机制增强作物耐Cd性：
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抗氧化防御：BC诱导超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等活性上调，清除过量ROS。例如，在水稻中BC使SOD、POD、CAT活性分别提升14%、23%、15%。
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激素与渗透调节：BC降低脱落酸（ABA）含量，提升生长素（IAA）、茉莉酸（JA）水平，同时促进脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质积累，维持细胞水势。
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基因表达调控：BC下调Cd吸收基因（如OsNRAMP5、OsHMA2），上调金属转运蛋白（如MTP3、ZIP1）及抗氧化相关基因，减少Cd向地上部转运。
土壤生态系统改善
BC施入土壤后显著改善微生态环境：
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微生物群落重构：BC孔隙结构为有益微生物（如变形菌门Proteobacteria）提供栖息地，增强其丰度，促进Cd形态转化。
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养分循环促进：BC提升土壤有机碳（SOC）、氮磷有效性，改善作物营养状况，竞争性抑制Cd吸收。
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水分保持：BC的多孔结构提高土壤持水量，缓解Cd胁迫下的水分胁迫。
联合修复策略
BC与其他改良剂联用可发挥协同效应：
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BC-丛枝菌根真菌（AMF）：AMF菌丝扩展根际范围，与BC共同固定Cd，使水稻籽粒Cd含量降低42%。
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BC-沸石/堆肥：复合施用可进一步降低Cd淋溶量达70%，并提升土壤肥力。
挑战与展望
尽管BC应用前景广阔，仍面临改性成本、长期稳定性（老化可能导致Cd再活化）及田间规模化应用效果不确定性等挑战。未来需加强BC-微生物互作机制、纳米改性BC开发及长期生态风险评估研究，以推动其精准农业应用。
通过多维度机制解析，生物炭为Cd污染土壤的安全利用与农产品安全生产提供了可行路径，其协同植物-土壤-微生物系统的综合修复策略将成为未来研究重点。
