摘要
我国是世界上小麦种植面积和产量最大的国家之一，且由于适宜的土壤类型和气候条件，北方地区是我国小麦的主要产区，但由于长期的污水灌溉和工矿废气、废渣的排放等人为活动的影响，导致我国北方部分地区土壤和小麦籽粒中镉（Cd）含量超标。Cd是一种有毒重金属，对土壤环境和粮食安全构成巨大威胁。作为一种新型钝化材料，巯基改性坡缕石（MP）近年来在中国南方酸性稻田 Cd 污染修复中表现出了良好的钝化性能，且能有效降低土壤中 Cd 的有效性和籽粒中Cd的含量，目前在我国北方受Cd污染的碱性土壤进行的试验研究还相对较少，尤其是MP在大田中的应用效果、具体钝化机制如 Cd 形态转化的过程、对小麦降低 Cd 的微观作用机制、对Cd在小麦系统转运过程的影响、对小麦灌浆过程关键器官对Cd的阻控作用等方面仍不清楚。因此，本文采用大田试验与盆栽试验相结合的方式，针对以上问题展开了相关研究，旨在为我国北方Cd污染碱性麦田的污染防控提供一定的理论和技术支撑，主要研究结果如下： （1）在 0-20 cm 深度的土壤中，MP 显著降低了整个土体中的有效态Cd 含量，降低率约为60.7%，并增加了团聚体几何平均直径（GWD）和粒径大于 0.25 mm团聚体的质量分数（R0.25），土壤团聚体中有效态Cd的含量也显著下降了40.2-63.6%。MP对土壤土壤团聚体重量分布、pH值，CEC值和酶活性无显著影响。土壤团聚体的OM、DOC、有效Fe、Mn和S含量分别显著增加了15.0-19.1%、19.2-41.7%、24.7-41.2%和12.5-35.1%。团聚体的可交换态Cd（EXC-Cd）与Fe-Mn 氧化物结合态的 Cd（OX-Cd）含量分别显著降低了 5.4-28.1%和增加了 22.3-50.4%。此外， MP 对土壤团聚体的重金属 Cd 负载值（GSF）有不同的影响，但在 0-20 cm土壤深度处重金属分布因子（AFx）有下降的趋势。在20-40 cm和 40-60 cm的土壤深度中，MP对个别团聚体中的Cd含量、GSF 和 AFX值略有影响。较小粒径的团聚体（＜1 mm）和较大粒径的大团聚体（＞1 mm）对整个土体中有效态Cd的减少贡献了59.1%和22.00%。偏最小二乘结构方程模型（PL-SEM）表明，S促进了有效Fe、有效Mn、OM和DOC的产生，而DOC的含量的增加抑制了EXC-Cd形态的形成，有效Fe和有效Mn含量的增加导致了促进了OX-Cd含量的升高。 （2）在非根际土中，即仅有MP的钝化作用下，不同粒径团聚体土壤的有效态Cd含量被显著降低58.15-61.77%，土壤中Cd的形态分布显著改变，主要表现为EXC-Cd含量显著降低，OX-Cd含量显著升高；在根际土中，即根际效应与MP钝化作用的联合作用下，有效态Cd含量被进一步降低，降低率达68.92-75.74%，Cd形态分布也被进一步改变，但土壤总Cd含量均无显著变化。无论是在根际土还是非根际土中，MP 均未干扰微生物群落结构稳定性，但在根际效应联合MP 钝化作用下，土壤微生物标记数量增加，细菌的微生物标记数量大于真菌，且微生物标记数与团聚体粒径大小成反比。根际效应与MP钝化作用协同影响下的不同形态Cd与微生物的共线网络更加复杂，但其复杂程度与团聚体颗粒大小没有显著关系，该联合效应促进了更多氧化还原、重金属螯合、Fe元素转化、腐植质生成等相关的细菌和真菌类群参与Cd的钝化过程。但无论是在哪一组中，真菌对Cd钝化过程的影响都大于细菌，并且该作用在根际效应与MP钝化的联合作用下进一步加强。 （3）施加MP后显著降低小麦根系和地上部的Cd含量，降低率分别为68.91-74.32%和70.68-77.2%，同时使巯基化合物谷胱甘肽（GSH）和植物螯合素（PCs）的含量分别显著增加15.40-21.26%和33.43-48.83%。与此同时，小麦Cd在细胞壁和细胞器的分配比例降低，可溶组分Cd分配比例升高，但所有组分中Cd的含量均被大幅度降低。MP使细胞壁变厚，细胞膜出现囊泡，几乎没有质壁分离现象再出现，细胞内的细胞器结构更加完整，叶绿体上类囊体排列更加整齐清晰。转录组分析进一步验证了以上结果；施加MP加强了细胞壁组分（木质素和纤维素）的转录过程，促进了细胞膜生成和调节蛋白的表达，使细胞内植物激素信号升高，抗氧化物合成的基因显著表达，且也进一步增强了小麦的光合作用，缓解了Cd对小麦的毒性。 （4）施加 MP 对碱性土壤 Cd 污染具有较强的钝化作用，可以在小麦整个生长季节发挥作用，但不会影响土壤的pH值。土壤有效态Cd和EXC-Cd含量在整个阶段分别降低了34.88-49.71%和49.36-84.81%，而OX-Cd含量则增加了34.61-43.60%。小麦收获期籽粒中的Cd含量从0.118 mg/kg 降至 0.069 mg/kg，低于我国国家标准限制值（0.1 mg/kg）。小麦的根和节点是 MP阻控籽粒中Cd积累的关键器官，且MP对其作用效果在扬花期和灌浆期对小麦的作用效果比其他时期相对较弱。MP可通过调节土壤共存元素（Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn）对Cd的拮抗或协同作用以降低Cd向籽粒的转运和积累。 （5）施加MP后，土壤中各个时期的DTPA-Cd和EXC-Cd含量分别显著降低36.50-55.81%和 63.41-83.87%，OX-Cd含量显著增加 67.84-106.63%，但并没有显著的周期变化，且微生物群落也没有较大时期性波动。收获期小麦籽粒中Cd 含量从 0.120 mg/kg降至0.073-0.095 mg/kg。通径模型分析表明，小麦根系是MP影响土壤Cd向籽粒转移的最关键器官，不同阶段MP对小麦根系Cd含量的降低率分别为27.51%-38.39%（灌浆前期，FS1）、0-7.78%（灌浆盛期，FS2）和27.76-42.07%（成熟期，MS），结合不同时期土壤Cd含量指标及土壤微生物指标的变化可知MP对小麦根系 Cd 含量的具有直接周期性的作用效果。MP 的施加改变了灌浆过程中小麦根系中的元素组成，同时增加了灌浆前期和成熟期的巯基化合物含量。施加MP对小麦根系的作用在灌浆盛期最弱，在灌浆前期和成熟期MP通过调节根系细胞膜代谢、氨基酸代谢、次生代谢、核苷酸代谢和维生素代谢以减少Cd的积累。
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