特定作物中木质素生物炭在减少连续种植条件下镉积累方面的机制变化

《Journal of Hazardous Materials》：Crop-specific mechanistic shifts of lignin biochar in reducing cadmium accumulation over two continuous cropping

　　

吴芳芳|胡鹏|黄慧如|陶红林|龚金阳|张欣|谢云思|何艳英|米宝斌

湖南农业大学，中国湖南省长沙市410128

摘要

尽管生物炭被认为可以固定土壤中的镉（Cd），但其长期有效性以及在不同单一种植系统中固定镉的具体机制——尤其是在淹水系统和旱地系统之间的差异——仍然很大程度上未被探索。本研究系统地研究了木质素生物炭（LBC）在连续种植两个作物（水稻和白菜）过程中减少镉生物可利用性和积累的持久性和机制变化。结果表明，即使在第二个生长季，LBC的应用也持续抑制了可食用部分中的镉积累，水稻籽粒中的镉积累减少了21.01%–47.21%，白菜叶片中的镉积累减少了24.42%–55.40%。然而，这些机制显示出显著的作物和季节特异性。对于水稻而言，第一生长季的主要机制是土壤固定作用（显著增加了OM-Cd和OX-Cd组分）和根系截留作用；而在第二生长季，主要机制是形成了一个内部的“茎叶转运屏障”，有效阻止了镉向籽粒的转移。相比之下，对于白菜来说，土壤固定作用和根系截留作用在两个生长季中都是一致的。健康风险评估证实了LBC的实际效果，其目标危害商（THQ）最大减少了67.8%。这项研究强调了LBC作为确保受镉污染土壤食品安全的可持续且有效策略的潜力。

引言

农业土壤中的镉（Cd）污染是一个普遍且紧迫的全球性问题，对食品安全和人类健康构成严重威胁。作为一种高毒性重金属，镉容易被作物吸收并进入食物链。长期暴露于镉与人类严重的健康风险相关，包括肾功能障碍和致癌效应[1]。为了应对这一环境挑战，研究人员开发了多种修复策略。其中，使用土壤改良剂进行原位化学固定因其成本效益和实际可行性而受到广泛关注[2]、[3]、[4]、[5]。生物炭是一种通过生物质热解产生的富含碳的材料，已成为一种有前景的改良剂[6]、[7]。其显著的孔隙率、较大的比表面积和丰富的官能团使其具有很强的固定土壤中重金属的能力，从而降低这些重金属对植物的生物可利用性。

目前，已证明生物炭可以有效降低土壤中镉的生物可利用性，显著减少小麦、玉米、水稻和叶类蔬菜等作物中的镉积累。此外，它还能通过提高土壤pH值、增加有机质含量和促进微生物活性来改善土壤环境，从而提高作物产量和质量[8]、[9]、[11]。然而，这些研究通常只关注单一作物或单一生长季，难以全面反映多作物种植系统中的复杂动态变化。只有少数研究考察了生物炭在多作物轮作系统中的土壤镉固定作用。例如，在萝卜-大豆-苋菜轮作系统中，结合生物炭施用和土壤置换可以通过提高土壤pH值、减少可利用金属和增强土壤酶活性来改善土壤理化性质，从而降低植物可食用部分中的重金属含量[12]。与干旱周期相比，生物炭在水稻-小麦轮作的湿-干循环水管理策略下表现出更好的重金属固定效果。然而，干燥处理过程中生物炭的明显结构降解可能导致固定在其内部的重金属释放[13]。连续种植是农业生产中的常见模式[14]。不同作物（如喜水的水稻和需要 aerobic 环境生长的白菜）形成了截然不同的根际环境，在氧化还原电位、pH值和微生物群落方面存在显著差异。这些差异可能会从根本上改变镉的形态和生物可利用性。这意味着镉的固定机制可能具有作物特异性和时间动态性，使用通用模型难以预测。然而，生物炭在不同作物系统和连续种植条件下的动态演变机制仍不清楚，这严重限制了其在田间尺度上的精确应用和长期效果评估。在此背景下，提出了一个关键科学假设：存在一种生物炭，其应用可以促进受镉污染土壤的可持续修复策略。

在各种类型的生物炭中，木质素基生物炭（LBC）因其稳定的理化性质和良好的环境兼容性而具有独特优势。我们之前的研究发现，LBC可以在35天内通过沉淀、静电吸附、腐殖质络合和微生物调节等多种途径将72.80%的镉转化为残留物和铁锰氧化物结合形式，显著抑制水稻对镉的吸收[10]、[11]、[16]。此外，LBC还可以调节土壤微生物结构，减少植物病原菌的数量，促进腐殖化，并具有改善土壤和固碳的潜力[15]、[16]。

本研究选择水稻和白菜作为研究作物，旨在系统评估LBC在稻田和旱地连续种植系统中对镉生物可利用性和积累的长期影响，并深入揭示其动态机制。系统监测了土壤中镉组分的变化，以及对这两种作物中镉积累和迁移的全面分析，以揭示它们的迁移和分布模式。此外，通过将健康风险评估模型与蒙特卡洛模拟相结合，实验结果在降低人类健康风险方面得到了量化，从而在农田修复和食品安全之间建立了定量联系。这项研究不仅为在受镉污染的农田中精准、安全和可持续地应用木质素生物炭提供了理论基础，还为促进有针对性的土壤修复策略和确保粮食安全奠定了科学基础。

部分摘录

土壤和生物炭样本

土壤样本采集自中国湖南省长沙市湖南农业大学的田间温室（28°22′96″N, 112°93′89″E），深度为0-20厘米。干燥并去除杂质后，样品被研磨并通过60目筛子筛选以供后续使用。土壤的基本理化性质见表S1。生物炭制备的原材料——碱性木质素，由中国山东省的全林集团提供。样品已干燥

作物种植土壤中镉的长期钝化

图1显示了在不同镉污染水平（0.5, 2, 5毫克/千克）下，施用LBC对种植水稻和白菜的土壤中总镉含量、BTE和镉形态分布的长期影响。结果表明，在所有污染水平下，由于作物吸收、垂直迁移和与土壤有机质或氧化物的结合，土壤中的总镉含量随种植周期的延长（M0→M2）略有下降，但这种变化并不显著（图1a, b）。更多

结论

本研究表明，木质素基生物炭（LBC）是一种有效的、可持续的改良剂，可用于受镉污染土壤中的作物安全生产。在连续两个种植季节中，LBC的应用持续降低了土壤中镉的生物可利用性和其在可食用部分中的积累，水稻籽粒中的镉积累减少了21.01%–47.21%，白菜叶片中的镉积累减少了24.42%–55.40%。然而，这些机制表现出显著的作物和季节特异性。

环境影响

作物生产安全是农业可持续发展的关键基础。关于土壤镉污染问题，生物炭在连续种植和不同湿度条件下的修复效果仍不清楚。本研究使用两个代表性系统（水稻在淹水条件下，白菜在旱地条件下）进行了两个连续生长季的实验，系统评估了其持续控制效果

利益冲突声明

所有作者均未披露任何可能影响本文工作的相关利益关系。

资金支持

本工作得到了中国国家重点研发计划[项目编号2023YFD1600202]、湖南省教育厅优秀青年人才计划[项目编号24B0230]和湖南省自然科学基金一般项目的支持。

CRediT作者贡献声明

胡鹏：撰写——初稿，调查，数据管理。黄慧如：调查，数据管理。陶红林：调查，数据管理。龚金阳：调查，数据管理。张欣：调查，数据管理。谢云思：调查，数据管理。何艳英：监督，方法学，调查，数据管理。米宝斌：撰写——审稿与编辑，监督，资源协调，形式分析，概念化。吴芳芳：撰写——初稿，验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。