矿物改良剂对酸性镉污染土壤中菠菜生长及镉累积的影响

Effects of mineral amendments on spinach growth and cadmium accumulation in acidic Cd-contaminated soil

摘要

为评估矿物改良剂对农田土壤酸度降低和植物生长的效果，解析改良剂阻控菠菜Cd累积的可能机制，采用白云石（CaMg（CO₃）₂）、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥开展盆栽试验，探究3种改良剂对酸性Cd污染土壤中菠菜生长和Cd累积的影响。结果表明：施用10 g/kg矿物改良剂均能显著提高土壤pH 1.44~2.40个单位（P<0.05），降低土壤交换性酸71.9%~82.8%、交换性Al³⁺82.9%~100%，有效缓解土壤铝毒害。施用改良剂均能显著降低土壤Cd有效性28.5%~47.5%、富集系数68.8%~78.1%（P<0.05），使菠菜植株Cd浓度降低68.4%~78.5%。除了改善土壤酸度和抑制Cd/Al毒性外，改良剂还能增加植株对Ca和Mg的累积。Pearson相关性和结构方程分析表明，土壤Cd有效性降低、植株Cd富集能力减弱和植株根系Ca²⁺/Mg²⁺与Cd²⁺的竞争吸收作用是菠菜植株Cd浓度显著降低的重要原因。白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥使菠菜鲜重和干重分别增加4.02~20.0倍和3.32~11.6倍。其中，钙硅镁钾肥处理效果最好，使菠菜鲜重和干重分别提高20.0倍和11.6倍。综上，白云石、牡蛎壳粉和钙硅镁钾肥均能改良酸性Cd污染土壤，促进菠菜生长并抑制菠菜对Cd的累积，其中钙硅镁钾肥被推荐为优选材料。在农业实践上，建议采用富钙镁的碱性矿物改良剂修复酸性Cd污染土壤，提高作物产量，促进酸性土壤的可持续利用。

Abstract

To evaluate the effect of mineral amendments on reducing soil acidity and plant growth in farmland， and to analyze the possible mechanisms by which amendments inhibit Cd accumulation in spinach， pot experiments were conducted using dolomite（DM） calcined oyster shell（COS） and calcium-silicon-magnesium-potassium fertilizer（CSMP） to explore the effects of three amendments on spinach growth and Cd contamination in acidic Cd polluted soil. The results showed that the application of 10 g/kg mineral amendments significantly increased soil pH （1.44-2.40 units）， decreased soil exchangeable acid （71.9%-82.8%） and exchangeable Al³⁺ （82.9%-100%）， thus effectively alleviating Al toxicity. The application of amendments significantly reduced available Cd （28.5%-47.5%） and BCF （68.8%-78.1%）， thus decreasing the plant Cd concentration by 68.4%-78.5%. Besides ameliorating soil acidity and inhibiting Cd/Al toxicities， mineral amendments all enhanced the Ca and Mg accumulation in spinach plants. Based on Pearson correlation analysis and structural equation modeling， the reduction of DTPA-Cd， the decrease of Cd uptake capacity by spinach（BCF） and the increased of ionic competition between Ca²⁺/Mg²⁺ and Cd²⁺ in plant roots were the important reasons for inhibiting Cd accumulation in spinach. Furthermore， DM， COS， and CSMP significantly promoted the fresh and dry weight of spinach by 4.02 to 20.0 folds and 3.32 to 11.6 folds， respectively. Among these， the fresh and dry weight of spinach was more effective， increasing by 20.0 and 11.6 times in CSMP treatment， respectively. In summary， DM， COS and CSMP can effectively remediate acidic Cd polluted soil， promote growth， and inhibit Cd accumulation in spinach. Amend them， CSMP is given priority for recommendation. In agricultural practice， it is suggested to use alkaline mineral amendments rich in calcium and magnesium to remediate acidic Cd-contaminated soil， increase crop yields and promote the sustainable use of acidic soil.

Graphical abstract

关键词

镉污染 / 土壤酸化 / 矿物改良剂 / 菠菜 / 污染修复

Key words

Cd pollution / soil acidification / mineral amendments / spinach / pollution remediation

重金属镉（Cd）具有高流动性和植物易吸收的特点，一直被认为是一种极其有害的土壤污染物^［1-2］。镉在农业土壤中的高流动性和在植物根系中的快速积累是抑制植物生长和降低农业生产力的重要因素^［3-4］。由于矿山开采、金属冶炼、大气沉降和污水灌溉等人为活动的影响，农田土壤Cd污染加剧，具有污染范围广和面积大的特点，已经引起全社会的关注^{［2，5-6］}。田间研究证明，大部分蔬菜和粮食作物对Cd具有较强的累积作用，特别是水稻和叶菜^［7-9］。如饮食摄入占普通人群总Cd暴露量的90%^［9］，食用叶菜类蔬菜和水稻占人体累积Cd总量的70%以上^［10］。因此，农田土壤Cd污染是一个亟待解决的关键问题。

作物对土壤Cd的吸收累积取决于Cd的生物有效性，与Cd有效性呈显著负相关^［9，11］。Luo等^［4］发现土壤DGT-Cd含量与糙米中Cd含量呈极显著相关（P<0.01）。其中，土壤pH是一个控制土壤Cd生物有效性和流动性的核心因素^［11-12］。在中国亚热带酸性土壤（pH 4.7~6.7）中，土壤pH降低1个单位会导致土壤Cd有效性增加0.35~0.37倍^［13］。基于多地田间试验，稻田土壤平均pH从5.54增加到6.04时，稻米Cd含量和土壤Cd有效性占比分别平均降低35.3%和40%以上^［14］。此外，土壤pH也能影响土壤对Cd的吸附-解吸的过程，进而影响Cd的有效性^{［12，15］}。因此，土壤pH降低是加剧土壤Cd污染的直接原因。

我国酸性土壤面积约占全国陆地总面积的22.7%，铝毒害是导致酸性土壤地区农作物减产的重要原因，影响农业的可持续发展^［16-17］。如过量施用化肥也加剧了农田土壤酸化，尤其是在土壤pH缓冲能力较低的热带和亚热带地区^{［12，16］}。当土壤pH<5.5时，大量土壤固相中不同形态的惰性铝会溶解成游离态Al³⁺释放进入土壤溶液，微摩尔Al³⁺即可限制植物生长，导致农作物减产^{［12，17］}。我国南方地区土壤普遍存在酸化问题，部分亚热带地区土壤降低了1.5~2.0个单位，且大量亚热带稻田存在重金属Cd污染^{［14，17］}。目前，江西省pH<5.5的耕地比例达到81.1%^［18］。

土壤pH的降低加剧了Cd的移动性和毒性。据预测，到2050年，氮肥投入每增加1%，土壤pH将平均下降1个单位，中国农作物相对产量将下降24%^［19］。然而，当土壤铝毒害与重金属胁迫相结合时，将加剧对作物生长的负面影响，从而降低农田生产力并增加食品安全问题。

施用碱性土壤改良剂是一种降低土壤酸度、Cd生物有效性及其在作物体内累积的有效途径^{［11，20］}。如生物炭和羟基磷灰石能有效地改善土壤酸化、降低土壤重金属有效性，并抑制作物对重金属的吸收^{［11，21］}。然而，由于生物炭和羟基磷灰石成本相对较高，限制其大规模应用。近年来，利用来源广泛的天然矿物和工农业废弃物修复酸性Cd污染土壤备受研究人员的关注^［21-22］。其中，白云石（CaMg（CO₃）₂）、牡蛎壳和硅酸盐材料等土壤改良剂展现出广泛的应用前景^［23-24］。冀建华等^［25］发现连续4年施用硅钙钾镁肥可以显著增加0~30 cm土壤交换性Ca²⁺、交换性Mg²⁺和盐基饱和度，有效改善稻田酸化。Fan等^［26］发现施用30 g/kg的白云石可使土壤交换性酸、交换性Al³⁺和DTPA-Cd分别降低80.0%、83.9%和28.6%。此外，富钙镁土壤改良剂释放的钙镁等离子也会对植物根系Cd吸收产生竞争作用，影响植株对Cd的富集累积。然而，这些研究大多没有评估这些改良剂对控制土壤Al和Cd毒性以及限制作物中Cd积累的影响，降低土壤酸度和作物Cd吸收的双重机制仍未得到充分探究。因此，本研究拟选用市场常见的白云石、牡蛎壳和钙硅镁钾肥作为酸性土壤改良剂，评估对比3种改良剂降低土壤酸度和Cd活性的效果，解析改良剂添加促进菠菜生长的途径和阻控菠菜Cd累积的可能机制，以期为酸性Cd污染农田修复和可持续利用提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　供试土壤及改良剂

试验土壤采用山东省烟台市某Cd污染农田0~20 cm的土壤（37°38′ N， 120°31′ E）^［26］。将采集的土壤在实验室自然风干，去除杂物，粉碎过筛（0.15 mm和2 mm），混匀备用。根据美国农业部（USDA）土壤分类，供试土壤的黏粒、粉粒和砂粒占比分别为0.50%、76.0%和23.5%，土壤田间持水量为20.4%。其中，土壤pH 4.86，土壤电导率248 μS/cm，土壤交换性酸1.25 cmol/kg，土壤交换性Al³⁺0.52 cmol/kg，土壤有机质16.8 g/kg，碱解氮148 mg/kg，速效磷49.1 mg/kg，速效钾230 mg/kg，有效态Cd（DTPA-Cd）1.23 mg/kg，总Cd含量4.42 mg/kg。白云石（CaO≥25%，MgO≥20%）、煅烧牡蛎壳（CaO≥50%）和钙硅镁钾肥（CaO≥40%，SiO₂≥20%，MgO≥2%）分别购买自灵寿县泓耀矿产品加工厂、安徽亳州市诚善堂中药材批发公司和金正大生态工程集团股份有限公司，pH分别为10.2、10.1和10.7，质子消耗容量（PCC）分别为2.30、20.40和1.60 mol/kg。

土壤改良剂的质子消耗容量指将1.00 g土壤改良剂溶于15 mL水中，用0.1 mol/L H₂SO₄滴定至pH=5.0，此时所消耗的酸量为质子消耗容量；氧化物组成（质量分数）采用X射线荧光光谱（氧化物模式）分析测定（XRF，Panalytical Axios， Netherlands）^［26］；土壤改良剂的pH采用酸度计测定，固液比为V（水）∶V（改良剂）=5∶1。

1.2　盆栽试验

盆栽试验采用完全随机设计，每个处理重复3次，于2021年4~6月在中国农业大学烟台培养基地进行。盆栽试验共设4个处理：不添加任何材料的对照（CK）、10 g/kg白云石处理（DM）、10 g/kg煅烧牡蛎壳处理（COS）、10 g/kg钙硅镁钾肥处理（CSMP）。其中，菠菜种子（Spinacia oleracea L.）购买自哈里姆种子（天津）有限公司，为无霜叶菠菜，适温8~28 ℃，在中国大部分地区可春夏秋冬四季播种，丰产性好。在本试验中，采用基质育苗移栽。

将土壤改良剂按照10 g/kg的比例添加到供试土壤（2 mm）中，并在塑料薄膜上充分混匀，然后将1 000 g混合土壤样品装入到规格统一塑料育苗盆（口径×底径×盆高=15 cm×10 cm×14 cm）。土壤样品装填过程中不断振动育苗盆使土壤填充充实，在室温下静置培养7 d。在第8天，将育苗盆的土壤破碎、平整，将3株长势相同的菠菜苗（3片真叶）定植到育苗盆的表层土中。菠菜生长期间通过定期检查育苗盆土壤湿度并结合重量法确定浇水频率和浇水量，保持土壤田间持水量的60%左右，生长25 d后收获，于2021-06-01采集盆栽试验土壤样品并收获菠菜植株。

1.3　测定项目和方法

土壤pH采用酸度计测定（雷磁pH500型），水土体积比为V（水）∶V（土）=2.5∶1.0；电导率值采用EC计测定（雷磁DDSJ-308A型），水土体积比V（水）∶V（土）=5∶1；采用标准方法检测土壤有机质和速效养分。土壤有效态Cd采用DTPA溶液（pH=7.3，0.1 mol/L TEA，0.01 mol/L CaCl₂，0.005 mol/L DTPA）提取，浸提液的Cd含量采用火焰原子吸收分光光度法测定（PinAAcle900T，美国铂金埃尔默）。

菠菜收获后，植物被分成地上部分和地下部分。植物样品在65 ℃条件下烘干至恒重。将植株地上部分和地下部分的干样充分混合、研磨，并通过0.15 mm的筛子，过筛的植物混合样用于植物金属元素含量分析。将充分混合的植物样品转移到消解管中，加入8 mL硝酸，采用微波消解仪（Mars Xpress，USA）消解，消解液的Cd、Ca、Mg和Al浓度采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES，Avio 200，PerkinElmer，USA）测定^［26］。每个试验处理取3个平行样品进行指标分析，试验数据以3次重复的平均值±标准差表示。

菠菜重金属富集系数（BCF）计算公式如下：

BCF=Cd_plant/Cd_soil 式（1）

式中：Cd_plant为菠菜植株Cd浓度，mg/kg；Cd_soil为试验盆栽土壤中总Cd含量，mg/kg。

根系金属元素（HM）吸收能力计算公式如下：

HM =HM_plant/（DW_root×1 000） 式（2）

式中：HM为金属元素（Cd、Ca、Mg和Al）；HM_plant为菠菜植株金属元素累积量，mg/株；DW_root为菠菜植株地下部干重，g/盆。

1.4　数据处理

试验数据取3次重复的平均值和标准差，利用Excel 2016和Origin 2022进行数据分析和作图，利用SPSS.22.0进行单因素方差分析，用Duncan法进行多重比较，显著性水平设置为P<0.05。采用Pearson方法评价植株Cd浓度、植株根系元素吸收和土壤理化性质之间的相关性，采用结构方程模型（R语言Lavaan包）描述根系Ca、Mg和Al吸收对植株Cd富集的影响途径。

2　结果与分析

2.1　施用矿物改良剂对菠菜生长和镉吸收的影响

施用3种改良剂均能显著促进菠菜的生长，提高菠菜的生物量（图1）。与对照（CK）处理相比，白云石（DM）、煅烧牡蛎壳（COS）和钙硅镁钾肥（CSMP）使菠菜的鲜重分别增加4.66、4.02和20.0倍，干重分别增加4.99、3.32和11.6倍。其中，CSMP处理的促生效果最好，使菠菜的生物量（鲜重和干重）均增加11.6倍以上。

如图2所示，改良剂施用均显著降低了菠菜对Cd的累积。在DM、COS和CSMP处理中，植株Cd浓度分别降低78.5%、72.5%和68.4%，与对照存在显著差异（P<0.05，图2（a））。此外，植株Cd累积能力、BCF和RAC_Cd也分别降低76.6%~84.1%、68.8%~78.1%和47.0%~67.6%。其中，DM处理效果最好，使植株Cd累积能力、根系Cd累积能力和Cd生物富集系数分别降低84.1%、67.6%和78.1%，并显著降低植株Cd浓度78.5%（P<0.05）。

2.2　施用矿物调理剂对植株铝、钙、镁和铝吸收的影响

在不同改良剂处理下，菠菜植株对Al、Ca和Mg的吸收表现出较大的差异（图3）。DM、COS和CSMP处理均促进了菠菜对Al的累积，使植株Al累积量和RAC_Al分别增加683%~748%和31.5%~321%（图3（b）和（c））。与对照相比，COS处理显著增加菠菜对Al的吸收，使RAC_Al和植株Al积累量分别增加321%和748%；仅CSMP处理使植株Al浓度降低47.1%。

此外，与对照相比，各处理均提高了钙和镁的吸收。DM、COS和CSMP处理使植株Ca和Mg积累量分别增加了3.22~10.9倍和4.28~13.8倍（图3（d））。其中，CSMP处理也使菠菜植株Ca和Mg累积量分别增加10.7倍和13.8倍（P<0.05）。

2.3　施用矿物调理剂对土壤理化性质和镉有效性的影响

施用改良剂均能显著提高土壤pH，降低土壤交换性酸度（表1）。与对照相比，DM、COS和CSMP使土壤pH分别增加1.44、2.40和1.63个单位。随着土壤pH的显著增加，DM、COS和SF使土壤交换性酸、交换性H⁺和交换Al³⁺分别降低71.9%~82.8%、49.2%~77.8%和82.9%~100%。在降低交换性Al³⁺方面，CSMP处理的效果优于DM和COS处理。此外，虽然各处理间土壤有机质质量分数无显著差异，但DM、COS和CSMP使有机质质量分数分别增加了17.1%、11.6%和22.5%。除CSMP处理显著降低土壤速效磷外，COS处理使土壤速效磷质量分数增加37.7%（P<0.05）。

施用改良剂均能降低土壤Cd的生物有效性（图4）。与对照相比，DM、COS和CSMP处理使土壤DTPA-Cd含量分别降低28.6%、42.1%和47.5%。其中，COS和CSMP处理的效果较好，降低率均>40.0%。

2.4　植株镉浓度与植株生物量、根系元素吸收能力和土壤理化性质的相关性

Person相关性分析结果表明（图5），植株Cd浓度与BCF（r²=1.00，P<0.001）、RAC_Cd（r²=0.85，P<0.001）、DTPA-Cd（r²=0.79，P<0.01）呈显著正相关，与RAC_Ca（r²=－0.765，P<0.05）、RAC_Mg（r²=－0.81，P<0.01）、土壤pH（r²=－0.89，P<0.001）和有机质（r²=－0.62，P<0.05）呈负相关。其中，BCF与RAC_Cd呈极显著正相关（P<0.001），与RAC_Ca和RAC_Mg呈显著负相关（P<0.05）。结构方程模型结果证明（图6），RAC_Ca和RAC_Mg直接或间接影响植株Cd浓度，RAC_Al间接影响植株Cd浓度。其中RAC_Mg直接或间接影响植株Cd浓度的标准化路径系数分别为－0.67和－0.48，呈显著负相关（P<0.05）。植株Cd浓度与RAC_Cd呈极显著正相关（P<0.001）。

3　讨论与结论

3.1　土壤改良剂施用对土壤酸度和Cd生物有效性降低的影响

土壤酸化加剧了Al和Cd的毒性，对植物生长和产量产生不利影响^{［11，14］}。如土壤pH从5.4降低到4.7时，花生和芝麻的产量可降低15%左右^［16］。本研究发现，施用白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥均能显著提高土壤pH，降低土壤交换性Al³⁺，缓解土壤铝毒性。其中，煅烧牡蛎壳的效果最优，这可能与煅烧牡蛎壳具有较高的质子消耗容量（20.4 mol/kg）和化学组成有关（CaO≥50%）。与对照相比，3种改良剂均能使土壤交换性Al³⁺降低82.1%以上，有效缓解铝毒性，钙硅镁钾肥的改良效果最好。这些改良剂（白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥）均为碱性材料，具有较高的pH（10），水解产生的OH^-、HCO₃^-能与H⁺、Al³⁺快速发生发应，进而提高土壤pH^{［23，25-26］}。同时，改良剂释放的Ca²⁺、Mg²⁺等能与土壤表面的交换性酸发生离子交换，增加土壤盐基饱和度，进而降低土壤酸度^{［11，23，25］}。煅烧牡蛎壳在增加pH方面比白云石和钙硅镁钾肥更有优势，因为它含有的CaO能快速水解释放大量的OH^-，中和H⁺并显著降低土壤酸度^［26］。此外，土壤pH的显著增加通过促进Al³⁺（如Al（OH）²⁺、Al（OH）₂⁺）的水解和有机结合Al的形成，从而导致可交换Al³⁺的急剧下降^［11］。钙硅镁钾肥水解释放的SiO₃^2-能与Al³⁺反应生成羟基铝硅酸盐沉淀，降低土壤交换性Al³⁺含量^{［24，27］}。

白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥施用到酸性土壤中也能降低土壤Cd的生物有效性。施用土壤改良剂能显著提高土壤pH，降低土壤胶体表面的正电荷密度，增强土壤胶体对Cd的静电吸附^{［11-12，20］}。同时，Cd²⁺也能与土壤中的OH^-、HCO₃^-和PO₄^3-形成稳定沉淀物，降低土壤Cd²⁺的含量，进而降低Cd的有效性^{［11，21，24］}。由于改良剂基本特性的差异，煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥在固定Cd方面的表现优于白云石。相比于白云石，牡蛎壳具有多孔结构，对Cd²⁺有良好的吸附能力^{［11，28］}。Lian等^［28］研究发现，900 ℃煅烧的牡蛎壳对Cd²⁺吸附量达到153.8 mg/kg，显著高于天然牡蛎壳粉对Cd的吸附量（14.5 mg/kg）。钙硅镁钾肥含有的SiO₃^2-能与弱酸溶解态Cd结合形成难溶性物质硅酸镉和偏硅酸镉，增强土壤Cd的固定^{［11，24，26］}。武成辉等^［24］发现施用5 g/kg硅酸盐钝化剂能使土壤弱酸提取态Cd含量降低42.9%，可还原态Cd含量增加42.8%，进而降低小白菜地上部Cd含量（59.2%）。其中，硅酸盐钝化剂释放的SiO₃^2-与弱酸溶解态Cd形成难溶性物质Si-Cd复合物是重要的原因。

3.2　土壤改良剂促进菠菜生长和抑制菠菜镉累积可能的机制

在Cd污染的强酸性土壤中，植物生长受到Cd和Al毒性的严重抑制^{［3，29-30］}。本研究发现，施用白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥均提高土壤pH，缓解土壤毒性Al和Cd对菠菜生长的毒害作用，促进菠菜生长。Fan等^［26］研究发现施用钙基矿物改进剂可使土壤交换性Al³⁺和DTPA-Cd分别降低83.9%~100%和28.6%~42.1%，进而使植物鲜生物量和干生物量积累分别提高5.4~8.7倍和5.80~6.11倍。此外，白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥对Ca、Mg的吸收也分别提高3.22~10.9倍和4.28~13.8倍，且菠菜鲜重增加4.02~20.0倍。这可能是菠菜对Ca和Mg的吸收累积缓解了土壤毒性Cd/Al对菠菜生长的不利影响。如外源补充Ca²⁺、Mg²⁺能与Al³⁺竞争根表面的交换位点，降低Al³⁺对根表面细胞膜的毒性，进而减轻Al³⁺对根伸长的抑制作用^［31-32］。张芬琴等^［33］发现，外源添加Ca²⁺可明显缓解Al³⁺处理下对植株根系伸长和干物质累积的抑制作用，提高植株的生物量。除根系离子竞争外，植物增强对Mg的累积有助于缓解铝毒害；拟南芥和水稻细胞中镁转运蛋白（AtMGT1和OsMGT1）的过量表达，显著提高了植株对Al的抗性^［34-35］。此外，Ca和Mg还能抑制植物Cd/Al毒性下的氧化损伤，增强抗氧化防御能力，从而促进植物生长^［36-37］。Kong等^［36］证明Mg²⁺能增强玉米根系编码超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶的基因活性与表达，缓解Al³⁺诱导的植物根系氧化应激反应，最终促进玉米根系生长。外源钙（40~100 mg/L）可降低Cd胁迫下茶树丙二醛的含量，并提高根系活力和叶绿素含量^［38］。

施用富钙镁型土壤改良剂能有效增加土壤交换性Ca²⁺和交换性Mg²⁺的含量，促进植株对Ca和Mg的吸收累积^{［26，39］}。研究也发现，Ca²⁺与Mg²⁺能竞争根系对Cd²⁺的吸收，进而抑制作物对Cd的累积^{［20，39-40］}。在本研究中，白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥能增加菠菜的RAC_Ca、RAC_Mg和植株Ca/Mg积累，降低菠菜的BCF和RAC_Cd，从而降低植株Cd浓度。植株Cd浓度与RAC_Ca（r²=－0.65，P<0.05）、RAC_Mg（r²=－0.81，P<0.01）呈极显著相关，且BCF、RAC_Cd与RAC_Ca、RAC_Mg呈负相关。这说明菠菜根系对钙镁的吸收能力的增强有助于降低植株Cd累积。陈星旺^［40］研究发现，Ca能有效抑制辣椒幼苗对Cd的累积，外源添加20 mmol/L Ca可使辣椒根和地上部Cd含量分别降低37.3%和7.9%。李娜等^［41］发现，施用360.4 mg/kg氯化钙可使三七不同部位中Cd含量降低17.5%~22.8%。添加Mg能提高植株Mg含量，降低西洋参根系Cd的转运和各部位Cd浓度^［42］。此外，结构方程模型（SEM）结果还表明，RAC_Ca和RAC_Mg的增加有效地抑制了植株Cd的摄取，这也解释了白云石处理在减少菠菜植株Cd摄取方面的效果优于煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥处理。

土壤Cd的生物有效性是影响作物根系吸收Cd的主要因素。施用3种矿物改良剂也会增加土壤pH和SOM，促进土壤可利用态Cd向难利用态或残渣态转化，使DTPA-Cd降低29.6~47.5%。本研究中，植株Cd浓度与DTPA-Cd呈极显著的正相关（P<0.01），表明Cd生物有效性降低抑制了菠菜Cd吸收。He等^［39］发现添加2.25 t/hm²凹凸棒土和牡蛎壳粉能有效降低土壤CaCl₂-Cd含量（40%~44%），使水稻籽粒Cd浓度（0.14~0.19 mg/kg）低于国家食品安全标准（0.2 mg/kg）。此外，Cd从土壤向植物的转移也是植物Cd积累的一个重要因素，植物Cd浓度与BCF、RAC_Cd呈正相关（P<0.001）。矿物改良剂处理的BCF和RAC_Cd显著低于对照处理，说明菠菜从土壤中累积Cd的过程受到限制。以上结果表明白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥也能通过降低土壤有效态Cd和菠菜富集能力进而抑制菠菜对Cd的累积。

在酸性Cd污染农田土壤中，白云石、煅烧牡蛎壳和钙硅镁钾肥均能高效缓解土壤铝毒性，降低土壤有效态Cd含量，并抑制菠菜对Cd的累积。随着土壤DTPA-Cd和交换性Al³⁺含量的降低，3种改良剂显著促进了菠菜的生长。其中，白云石处理在降低菠菜植株Cd含量、BCF和RAC_Cd方面效果最好；钙硅镁钾肥降酸促生效果最好。以上3种材料可为降酸阻Cd复合型酸性土壤改良剂的研发提供优良的原料。

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基金资助

井冈山农高区省级科技专项“揭榜挂帅”项目(20222-051261)

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2021TC117)