南京土壤研究所在稳定镉同位素示踪水稻叶片和根系吸收大气沉降镉方面取得研究进展

人类活动向大气中排放了大量镉等重金属营养盐。在大的区域尺度上，大气沉降已然成为农田生态系统重金属Cd输入的重要来源。其沉降至农田生态系统后，既可以增加土壤总镉和有效态镉含量，促进作物根系吸收，也可沉降至作物叶面被叶片直接吸收并在体内富集和转运至农作物可食部分。然而，有关这两种途径的相对贡献份额并没有量化，相应的关键的富集途径尚未明晰。Cd稳定同位素为追踪环境中镉的生物地球化学循环提供了新的技术手段，但由于Cd同位素在生物地球化学循环过程中发生明显的质量分馏，严重制约了直接利用Cd同位素的混合模型估算植物组织中Cd的来源。

针对该科学问题，南京土壤研究所研究员周静团队通过模拟试验，研究了水稻在根部暴露和叶面暴露这两种暴露途径下的吸附和转运过程所发生的Cd同位素分馏，结果表明，不同暴露剂量虽然改变了水稻不同组织的Cd浓度，却没有改变不同组织的Cd同位素比值，由此可以计算得到大气沉降被水稻吸收并在体内转运所发生的Cd同位素分馏值，其结果优化了Cd同位素混合模型参数，优化的模型并可用于计算大田水稻组织中Cd的来源贡献份额。

此外，通过开顶式气室（OTC）暴露试验和Cd稳定同位素示踪技术，为水稻可以通过叶面吸收并向其他组织转运Cd的猜想提供了证据。并且使用上述优化后的Cd同位素混合模型，在考虑吸附和生物过程会发生Cd同位素质量分馏的情况下，实现了使用Cd同位素比值对野外样品进行不同污染来源通过叶面和根系吸收对水稻各组织贡献率的准确计算。研究结果表明：（1）水稻叶片可以直接吸收大气沉降中的Cd，并在水稻植株中向其他组织转运，其对籽粒中Cd的贡献达52-70%，超过了根部暴露对Cd的贡献（30-48%）；（2）水稻根部优先吸收大气湿沉降中的Cd，而叶片更倾向于吸收干沉降中的Cd，叶片对Cd的吸收可以通过水稻的节点进行重新分配，并可向上转运至籽粒，但不能向下转运至根；（3）水稻的叶片和根部优先吸收大气沉降中的偏重同位素，保留轻同位素，并进一步向籽粒转运重同位素；以上研究成果均强调了大气沉降对水稻的贡献以及Cd同位素可以作为定量植物污染来源的示踪剂，为使用Cd同位素在环境中的示踪提供了重要信息，并为区域稻田Cd污染精准防治提供新的认知。

以上研究成果发表在Environmental Science & Technology和Environmental Science & Technology Letters上。该成果得到了国家自然科学基金(42177234)和江西省重大科技研发专项课题(20194ABC28010)的资助。

论文链接：1，2

图1. 温室模拟实验研究水稻叶面和根系吸收大气沉降镉同位素分馏特征

图2. 开顶式气室（OTC）实验研究水稻吸收大气干湿沉降镉的同位素分馏特征