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成果简介

近日，中国科学院南京土壤研究所周静研究员团队周俊研究员和扬州大学环境学院刘海龙博士在环境领域知名期刊 Environmental Science & Technology 发表了题为 “Bioaccumulation of atmospherically deposited cadmium in soybean: three-year field experiment combined with cadmium isotopes” 的研究论文，采用野外全因子大气暴露试验与镉（ Cd ）稳定同位素技术相结合的方法，探究了大气沉降对大豆 Cd 富集的贡献以及大豆吸收大气沉降 Cd 的主要途径，为区域农田 Cd 污染防控和作物安全生产提供了新的认识 。

通过三年的野外全因子大气暴露实验，结合 Cd 稳定同位素技术，系统地研究了大气沉降 Cd 在土壤中的环境行为和在大豆中的生物富集效应。研究结果表明，作物生长季大气沉降输入农田生态系统的 Cd 只占土壤总库存的 1-13% ，然而这部分 Cd 对大豆植株中 Cd 积累的贡献却达到 11-72% 。随着土壤暴露于更长周期的大气沉降，土壤中生物有效性的 Cd 以及植株中 Cd 含量和 Cd 同位素比值均没有显著性变化，这些结果表明作物生育期大气新沉降 Cd 是大豆植株中 Cd 的重要源。利用一级指数衰减模型揭示的大气生物有效性的 Cd 输入土壤后发生的快速老化效应进一步支持了我们上述的观点。大气沉降中 Cd 同位素偏轻，因此导致了植物暴露于沉降点位大豆植株中 Cd 同位素比值出现明显地负向偏移。通过优化的 Cd 同位素端元混合模型以及联合质量平衡的方法，量化了叶面吸收方式对大豆植株 Cd 积累的贡献，对于茎、叶和籽粒其贡献值分别达到了 13-51% 、 16-45% 、 21-56% 。本研究的意义在于揭示了叶面吸收大气沉降 Cd 对大豆 Cd 积累的重要作用。未来在农田 Cd 污染防控研究工作中，控制叶面吸收可能是一种有效的策略 。

近几十年来，人类活动向大气中排放了大量的重金属 Cd 。这些 Cd 通过大气沉降进入农田生态系统以后，可通过根系和叶面两种吸收方式在作物体内积累。然而，目前有关这两种吸收方式对作物 Cd 积累的贡献并没有量化，相应的作物特别是其可食部位富集大气沉降 Cd 的主要吸收途径尚未明晰。准确识别作物吸收大气沉降 Cd 的主要途径，有助于针对性从根系或叶面吸收角度采取措施阻控作物对大气沉降 Cd 的积累。近年来， Cd 稳定同位素示踪技术已经成为农田系统 Cd 污染研究的一种有效手段。然而，植物在吸收以及转运过程中明显的 Cd 同位素分馏效应给同位素示踪植物体内 Cd 来源带来了困难。基于 Cd 同位素分馏效应，优化同位素端元混合模型有助于准确识别植物体内的 Cd 的来源和 Cd 的吸收途径。大豆作为一种重要的农作物，也是植物性蛋白质的重要来源之一。与此同时，大豆也倾向于富集重金属 Cd ，高 Cd 大豆给亚洲居民和世界素食主义者带来了严重的健康威胁。准确识别大豆中 Cd 的来源是有效控制 Cd 污染的必要条件 。

图文导读

图 1. 野外三年全因子大气暴露实验设计

为了区分土壤 - 大豆系统中通过大气沉降输入的 Cd 和土壤中原有的 Cd 以及探究大气沉降 Cd 在土壤中的动态环境行为，在我国最大的铜冶炼厂周边，选择了大气沉降梯度区域，包括大气高沉降区、中沉降区和背景区，进行了连续三年的野外全因子土壤和大气暴露实验（图 1 ） 。

图 2. 不同处理下大豆叶片和籽粒中 Cd 浓度