大气沉降镉等重金属水稻多界面吸收与稻米富集机制获系列进展

大气沉降是农田生态系统镉（Cd）输入的重要途径，且新沉降Cd活性高、易被作物吸收。传统认知长期以根系吸收为稻米Cd污染的核心路径，但近年研究表明，水稻叶片和穗部也可直接吸收大气沉降Cd并向籽粒转运。然而，大气沉降Cd在“大气‒叶片/穗部‒土壤‒根系‒籽粒”多界面间的分配过程、调控因素及关键生长期仍缺乏系统定量。针对这一问题，中国科学院南京土壤研究所研究员周俊团队以稳定同位素示踪为核心手段，从方法框架构建、土壤性质调控、农艺措施再评估到多界面贡献解析，取得了以下系列进展。

（1）Cd同位素揭示大气沉降是农田系统Cd的重要主导路径。团队通过两年连续田间开顶式气室（OTC）试验与温室模拟相结合，系统解析了干、湿大气沉降Cd在土壤‒作物系统中的老化过程、生物有效性与同位素分馏特征。研究发现，新沉降Cd进入土壤后快速老化，其生物有效性取决于沉降类型；土壤生物有效态Cd和作物可食部位Cd的同位素特征主要由干沉降主导，说明干、湿沉降在环境归趋上具有一致性。并通过同位素混合模型估算出污染点源附近大气沉降对土壤生物有效态Cd库的贡献达29–65%；叶面吸收的大气Cd对稻米和小白菜可食部位的贡献超过50%。该工作建立了区分大气沉降与土壤遗留Cd、根吸收与叶吸收的同位素定量框架，为后续多界面研究提供了方法基础。

（2）土壤性质决定沉降金属的形态与稻米累积。 团队进一步利用中国六大稻区六种典型水稻土的土壤移植实验，揭示了土壤性质对沉降金属行为的调控规律。南方来源的酸性土壤中，Cu、Pb、Zn的土壤生物有效性和籽粒累积更高；As则相反，在北方高pH、高有机质土壤中活性更强、水稻累积更突出。沉降金属可通过叶面直接吸收和根系吸收两条途径进入水稻，二者相对重要性因元素和土壤性质而异；叶面暴露主导叶片和稻壳中金属的富集，而根系暴露对部分土壤中籽粒As的贡献更大。该工作说明，大气沉降的食品安全风险并非单一由沉降通量决定，土壤性质在“沉降输入‒生物有效‒籽粒累积”链条中起到了关键的缓冲作用。

（3）叶面喷施硒/硅在高沉降区可能“适得其反”。 叶面喷施硒（Se）、硅（Si）被广泛用于降低作物Cd积累，但其在高大气沉降条件下的效果尚不明确。团队通过田间土壤‒大气全因子暴露结合Cd稳定同位素实验，在背景沉降区，叶面Se/Si显著降低了水稻各组织Cd浓度，但在高沉降区，Se/Si反而使水稻籽粒、叶片和茎Cd浓度分别增加5–33%、6–25%和7–14%。机制上，Se/Si喷施提高了气孔导度和蒸腾速率，延长了颗粒物在叶面的滞留时间，从而增强了叶片对大气Cd的直接吸收。在高沉降区，叶面喷Se使叶片吸收的大气Cd对籽粒的贡献从47%升至78%。这一结果直接挑战了“喷施有益元素即可降Cd”的通用性，指出在高沉降区应审慎甚至避免该类措施。

（4）双同位素示踪揭示多界面贡献与花后关键时期。在田间条件下，叶面、穗部和根系暴露同时存在，各自贡献难以区分。团队采用¹¹²Cd、¹¹³Cd双同位素标记的水培控制实验，单独或同时实施根、叶、穗暴露，实现了对花前与花后、地下与地上来源的同步拆分。三重暴露下，籽粒Cd的叶面、穗部和根系来源分别占40%、24%和36%。LA-ICP-MS多同位素成像进一步显示，叶面来源Cd在节Ⅰ中富集于韧皮部相关维管区域和薄壁细胞桥附近；这与根系来源Cd主要经木质部运输、并在节Ⅰ进行木质部卸载—韧皮部再装载的路径形成对比。根系暴露下花后吸收贡献籽粒Cd的80%，而叶面暴露下花后输入贡献高达90%，说明水稻开花后是籽粒Cd累积的关键时期。该工作为“何处拦截、何时管控”提供了直接依据。

以上系列研究成果均发表在Environmental Science & Technology上，第一作者分别为夏睿智、何煜然，通讯作者为周俊研究员等。研究工作得到国家自然科学基金（U24A20622、42377032、42507324等）、江苏省自然科学基金、江西省自然科学基金、中国博士后科学基金及中国科学院南京土壤研究所基础前沿项目等资助。

论文链接：1，2，3，4

研究示意图