外源硅促进镉污染土壤的作物安全生产
外源硅促进镉污染土壤的作物安全生产
镉污染对食品安全构成巨大挑战，外源硅的施用为解决这一问题提供了新的思路。本文通过meta分析，系统评估了外源硅对三种主要谷类作物（小麦、玉米和水稻）镉积累的影响，并探讨了其作用机制。研究发现，施用硅可以显著降低作物中镉的积累，同时提高作物产量，为镉污染土壤的修复提供了新的解决方案。
成果简介：
本文对105项研究进行了综合meta分析，以评估外源Si对三种主要谷类作物（小麦、玉米和水稻）Cd积累的影响，并阐明了控制Si效应的关键因素。研究发现，添加Si显著减轻了作物中的Cd毒性，玉米、水稻和小麦的Cd累积量分别减少了37%、30%和45%，且作物籽粒中最为明显（减少幅度达到40-51%）。施用四种不同形式的Si都能提高作物产量，其中纳米硅的产量平均提高了19%，超过了硅酸盐、硅基肥料和其他硅基材料。Si的施用效果主要受施用量和施用方式、土壤pH、Cd浓度以及叶面和田间施用效果的影响。基于Cd抑制水平和整体经济效益，建议Si的施用量≤250 mg/kg，最好使用纳米硅或硅酸盐。总的来说，本研究为外源Si的选择和应用提供了有价值的指导，从而确保Cd污染土壤中更安全和更高的作物产量。
研究背景：
Cd污染对食品安全构成巨大挑战，主要是由于广泛的采矿活动、废水排放和肥料使用。Cd在作物组织中具有显著的积累和转移能力，显著抑制它们的生长发育。这种积累通过食物链对人类健康构成潜在风险。Si对减轻Cd胁迫的积极作用的潜在机制被认为包括促进养分吸收、改善光合作用和调节抗氧化系统。Si在土壤中与Cd离子形成络合物，降低了土壤-作物系统中Cd的有效性。Si还具有提高土壤pH值、增加有机质、促进速效磷含量等改善土壤质量的能力。这为Cd在根际的固定提供了有利条件。此外，Si可以通过根系关联和木质化作用减少作物对Cd的吸收，而不会对土壤健康和植物生长产生负面影响。添加Si还促进了作物中与Cd响应相关的各种转录因子和转运基因的差异表达。尽管许多研究都强调了Si降低土壤中Cd有效性和减轻作物中Cd毒性的潜力，但仍然缺乏Si在确保作物安全生产方面的影响及其主要影响因子的效应大小的定量信息。这一限制阻碍了外源Si在Cd污染土壤修复中的实际应用。因此，全面探讨土壤和作物中Cd对Si添加的响应至关重要。
本分析的主要目的是：（1）量化添加Si对作物Cd积累的总体影响；（2）解析影响Si效应的控制因素；（3）探讨Si在作物中减轻Cd毒性的潜力及其潜在的生理机制。本meta分析旨在定量评价Si在Cd污染土壤中促进作物安全生产的效率，并进一步为可持续农业提供环境友好型策略。
研究结果：
- Si促进了作物生长
添加Si显著提高了作物的氧化胁迫指数（图2a）。SOD、POD和CAT活性分别显著提高27%、25%和20%。说明添加Si能增强作物抗氧化系统活性，有效降低氧化胁迫程度。此外，添加Si显著影响作物的光合作用和呼吸作用（图2b）。总叶绿素和类胡萝卜素含量分别提高27%和49%。Tr、Gs和Pn分别显著提高了30%、33%和26%。说明添加Si有利于提高光合效率和呼吸作用，从而促进作物生长发育。
图2. 作物抗氧化系统及生理指标对Si的响应。
施Si显著提高了作物生物量（图3a），增加了根长（32%）和茎长（10%）。根、茎和叶的干重分别显著提高了27%、23%和7.9%。Si对不同品种的作物产量也有显著的正影响（图3b）。小麦产量增幅最大（23%），显著高于水稻（10%）和玉米（17%）。不同Si类型对作物产量的正向影响差异显著（图3c）。纳米硅表现出最大的积极影响，显著提高了19%的产量，其次是硅基材料（13%）和硅酸盐（11%），其效果远高于硅肥（9.4%）。
图3. 作物生物量和产量对Si的响应。（a）生物量对Si的总体响应；（b）三种作物产量对Si的响应；（c）作物产量对四种Si的响应。
- 外源Si降低作物Cd浓度
外源Si能显著抑制不同形态和类型作物的Cd积累。总体而言，Cd积累在籽粒中分别减少了43%，在根中减少了23%（图4）。在籽粒中，纳米硅的抑制作用最为明显，达到了75%的显著降低。根施和叶施均能有效抑制Cd在根、芽、叶和籽粒中的积累，且根施效果更好。对于茎部和籽粒Cd积累，施用量在70-250 mg/kg剂量范围内的抑制效果最显著，分别减少了47%和64%。
图4. 作物籽粒和根系Cd浓度对不同Si管理的响应。（a）谷物中的Cd浓度；（b）根系Cd浓度。
- 施Si条件下作物Cd浓度对土壤性质和生长条件的响应
施Si显著降低了玉米、水稻和小麦籽粒中的Cd积累，分别降低了50%、40%和51%。试验类型对作物Cd浓度的影响存在显著差异，在大田试验条件下，外源Si使作物Cd浓度降低了36%，远高于盆栽试验（24%）。另外，Si抑制Cd积累效应在人工Cd污染土壤中（40%）高于原位污染（31%）。在高pH条件下，Si对减缓作物Cd积累（46%）的影响最为显著。
图5. 施Si条件下作物籽粒和根系Cd含量对土壤性质和生长条件的响应（a）谷物中的Cd浓度；（b）根系Cd浓度。
结论：
施Si显著提高了作物Si含量，增强了作物的光合、呼吸和抗氧化能力，显著提高了小麦、玉米和水稻的产量，同时降低了籽粒中Cd的积累。根系施Si比叶面施Si更有效，且纳米Si对产量的正向影响最为显著。建议理想情况下，Si的施用量不超过250 mg/kg，优先考虑纳米Si或硅酸盐形式。
本文发表在国际期刊Journal of Hazardous Materials，影响因子12.2。第一作者为西北农林科技大学硕士研究生刘红洁，通讯作者为方临川教授。该研究得到国家自然科学区域联合重点项目（U21A20237）资助。