优化水稻生产中的水资源管理以减轻镉污染：一项全球性元分析及应用效果评估

水稻镉污染控制中水管理及协同添加剂策略的减排增效机制与经济健康风险评估。

　　

郝尚炎|马元哲|杨静|周新斌|吴富勇

西北农林科技大学自然资源与环境学院，中国陕西省杨陵市712100

摘要

水稻中的镉（Cd）污染对全球公共卫生构成威胁。水资源管理被认为是降低稻谷中镉浓度的一种高效且经济可行的策略。本研究进行了全球性元分析，以评估水资源管理对稻谷中镉浓度的影响及其作用机制，并进一步对其应用效果进行了评估。结果表明，仅在灌浆期进行淹水处理即可使稻谷中的镉浓度显著降低66.81%。分蘖期被认为是镉早期吸收和重新分布的关键时期。机制分析显示，淹水通过调节硫和铁的循环、促进铁质沉淀物的形成以及抑制水稻根系中镉转运基因（OsNRAMP1和OsNRAMP5）的表达来限制镉的吸收。此外，水资源管理与外源改良剂的结合使用形成了一种协同策略，既能降低稻谷中的镉浓度，又能提高稻谷产量。应用效果评估显示，吸附改良剂与拮抗性肥料的结合使用每公顷可产生8972元人民币和7990元人民币的经济效益。蒙特卡洛模拟表明，这种协同策略还能显著降低危害商数和致癌风险，从而减少饮食中镉暴露对人类健康的影响。总体而言，本研究阐明了水资源管理在土壤-水稻系统中镉迁移中的作用，并进一步评估了水资源管理与外源改良剂结合的应用效果，为全球水稻安全生产提供了指导。

引言

镉（Cd）是一种极具毒性和不可生物降解的金属，主要通过人为活动逐渐进入自然生态系统（Liang等人，2024年）。稻田土壤中的镉污染是一个严重的环境问题，会导致稻谷中镉浓度升高并降低稻谷产量（Ji等人，2025年）。鉴于镉通过食物链的持续生物放大作用及其不可逆的健康影响（Lin等人，2025年），迫切需要有效的策略来降低稻谷中的镉浓度并确保食品安全。

水资源管理，特别是在水稻种植过程中的淹水和排水循环，在通过氧化还原驱动的地球化学过程调节土壤中镉的可用性方面起着关键作用（Honma等人，2016年；Huang等人，2021年）。在淹水条件下，硫酸盐还原菌（SRB）在氧气耗尽时将硫（S）还原为硫化物（S2?），生成的S2?容易与Cd2?结合形成CdS，从而有效地将镉固定在土壤中（Pan等人，2023年）。此外，氧化铁溶解后重新沉淀为含有丰富–OH基团的非晶态赤铁矿，进一步稳定了镉（Liu等人，2022年；Wang等人，2019年）。然而，在排水后，土壤中固定的镉可能会重新活化，增加其在环境中的移动性。研究表明，铁-锰（氧氢）氧化物是再氧化过程中镉释放的主要贡献者（Qin等人，2023年；Wang等人，2019年）。因此，通过水资源管理调节土壤的氧化状态是控制稻田土壤中镉可用性和其环境归趋的有效策略。

水资源管理是一种经济且环保的策略，用于调节稻田土壤中镉的生物可利用性（Yang等人，2025年），通常包括连续淹水（CF）、间歇性淹水（IF）和湿润灌溉（MI）（Huang等人，2022年；Liu等人，2024b；Zeng等人，2022年）。连续淹水已被证明可以有效降低稻谷中的镉浓度。例如，Liu等人（2024b）报告称，在连续淹水条件下，稻谷中的镉浓度比湿润灌溉条件下低78%。Huang等人（2022年）观察到，在间歇性淹水条件下种植的稻谷中镉浓度是连续淹水条件下的172倍。然而，也有相反的研究结果，一些研究表明，在中等磷处理（0.2克/千克）下，连续淹水并不降低甚至可能增加稻谷中的镉浓度（Song等人，2021年）。在不同土壤中观察到类似的一致性差异，相同的水资源管理措施导致了不同的镉降低效果（Arao等人，2009年）。镉的活化与固定受到土壤pH值、土壤有机质（SOM）、铁-锰（氧氢）氧化物和硫可用性的强烈影响（Wang等人，2019年，2020年）。因此，具有不同物理化学性质的土壤在同一水资源管理条件下可能会表现出不同的氧化还原反应，从而导致水资源管理对稻谷中镉浓度的影响各异。此外，淹水对不同生长阶段稻谷中镉浓度的影响仍存在争议。根据Huang等人（2022年）的研究，在典型的水资源管理条件下，98%的稻谷中的镉来源于灌浆期的吸收，而营养生长期的贡献可以忽略不计。然而，Liu等人（2024b）报告称，稻谷中的镉积累主要来自灌浆期的根系吸收（36%）和早期生长阶段的内部再动员（64%），这与Rodda等人（2011年）报告的比例一致（40%和60%）。此外，水资源管理对稻谷产量的影响在受镉污染的土壤中也存在争议。一些研究表明连续淹水处理会降低稻谷产量，而间歇性淹水处理则会增加产量（Bo等人，2024年；Chen等人，2024年）。但也有研究表明，长期淹水可能不会影响稻谷产量，甚至可能增加产量（Yang等人，2024年）。总体而言，这些不一致性凸显了需要明确环境因素如何影响水资源管理对稻谷中镉浓度和产量的影响。

在实践中，特别是在人口密集的国家，很难完全避免在受镉污染的土地上进行农业活动（Ding等人，2024年）。仅依赖水资源管理措施无法完全控制镉污染，还可能引发其他环境问题，如温室气体排放增加（Bo等人，2024年；Chen等人，2024年；Zeng等人，2022年）。因此，需要添加外源改良剂。尽管许多土壤改良剂（如石灰、生物炭和含铁材料）可以固定镉，但其效果受到土壤pH值和氧化还原条件的强烈影响，而这些条件又直接受水资源管理的影响（Islam等人，2021年；Yuan等人，2021年）。因此，将改良剂与水资源管理相结合可以最大化淹水或干燥所产生的地球化学优势，从而增强镉的固定效果。例如，Qin等人（2023年）发现，添加赤铁矿可以在连续淹水条件下降低可提取镉并增加铁-锰（氧氢）氧化物结合的镉，从而使稻谷中的镉浓度显著降低。通过综合管理提高镉缓解效率具有重要的实际意义。控制水稻中的镉污染旨在降低污染损失率（PLR），从而减少稻谷损失和农民的经济损失。例如，消除镉污染后，农田每公顷可挽回2188元人民币的经济损失（Ma等人，2024年）。更重要的是，通过水稻消费摄入镉会带来致癌和非致癌的健康风险（Lin等人，2025年）。鉴于这些挑战，系统评估当前综合管理策略在减少水稻生产中镉污染的有效性至关重要。

元分析利用数据作为证据，实现了系统的定量分析（Gurevitch等人，2018年）。迄今为止，许多元分析系统地评估了水稻中镉的缓解策略，重点关注生物炭、拮抗元素和矿物添加剂的使用（Affholder等人，2019年；Duan等人，2023年；Ge等人，2024a；Huang等人，2024年；Wei等人，2024年）。尽管一些研究报告了连续淹水和间歇性淹水处理的不同效果，但全面的评估仍然缺乏（Affholder等人，2019年；Ge等人，2024a；Zhao等人，2023年）。

基于64篇论文描述的2039个观测数据，本研究通过元分析系统地研究了水资源管理及其与外源改良剂结合对稻谷中镉浓度的影响。还进行了可持续性评估，包括基于蒙特卡洛模拟的产量、农业价值恢复和健康风险评估。本研究旨在：（1）系统分析水资源管理对稻谷中镉浓度的整体影响和机制；（2）定量研究综合管理对稻谷中镉浓度和产量的影响；（3）全面评估综合管理的应用效果，结合农业经济影响和与镉相关的人类健康风险。

部分内容片段

文献计量分析

由于其直观的可视化能力，CiteSpace在文献计量分析中被广泛使用（Chen等人，2019年）。在本研究中，使用关键词“水资源管理”、“镉”、“土壤”和“水稻”从Web of Science（WoS）Core Collection数据库中检索了1992年至2025年的相关文献，共获得3074篇论文。CiteSpace用于进行可视化分析，探索了年度出版量等趋势。

不同淹水期稻谷中的镉浓度

在不同水资源管理条件下，盆栽实验和田间实验在稻谷中镉浓度、稻谷产量和土壤中可利用镉浓度方面没有显著差异（附录A图S7）。因此，将两组数据合并进行后续的元分析，不再进行区分。淹水处理显著降低了稻谷、稻壳、叶片、茎秆、稻草（稻茎和叶子的混合物）和根系中的镉浓度，分别降低了61.88%、66.82%、42.72%、67.70%、61.14%和49.18%

结论

本研究系统地揭示了水资源管理如何显著调节土壤-水稻系统中的镉行为。首先，水资源管理显著降低了稻谷中的镉浓度，分蘖期和灌浆期被确定为关键时期。值得注意的是，仅在灌浆期进行淹水处理即可使稻谷中的镉浓度降低66.81%。其次，淹水期间稻谷中镉浓度的降低受到土壤-根际-根系三重作用的影响

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可在在线版本中找到。

CRediT作者贡献声明

郝尚炎：撰写——原始草稿、可视化、软件使用、方法论、调查、数据分析、概念化。马元哲：方法论、调查、数据分析。杨静：撰写——审稿与编辑。周新斌：撰写——审稿与编辑。吴富勇：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了陕西省自然科学基础研究计划（编号2023-JC-ZD-17）和国家自然科学基金（编号42077325和41571456）的支持。