镉（Cd）是一种高毒性的重金属元素。稻米是膳食Cd暴露的主要来源。水稻根从土壤中吸收Cd被认为是水稻Cd的主要来源。然而，植物有效态Cd，即土壤中可以被植物吸收并随后在植物中累积的组分，目前并没有准确的指示或表征方法。在毒性金属环境转化及循环研究组之前的研究中，观察到盆栽条件下的稻米Cd含量与土壤上覆水Cd含量间的相关性优于其与土壤酸溶态间的相关性。这一结果暗示，水溶态Cd组分可能是土壤中的植物有效态Cd的直接来源。然而，这一假设仍然需要得到严格的验证。此外，大气沉降中的Cd也可能是大气沉降高Cd地区水稻的重要Cd来源。然而，土壤中植物有效态Cd和大气沉降Cd对水稻Cd累积的定量贡献尚不清楚。
因此，毒性金属环境转化及循环研究组与江汉大学梁勇教授团队合作，首先通过温室盆栽试验（无大气沉降），基于多种化学提取组分的总Cd及稳定同位素组成分析，辨别土壤中植物有效态Cd的来源；之后在盆栽试验用土采样区采集大气沉降、土壤及水稻成熟植株样品，利用同位素混合模型，量化土壤植物有效态Cd和大气沉降对水稻植株Cd累积的具体贡献。
在温室盆栽试验中，模拟了无大气沉降且土壤Cd为水稻植株Cd唯一来源的条件（如图1所示）。土壤水溶态和Ca(NO3)2可提取态Cd的浓度均与水稻植株中的Cd浓度有良好的正相关关系，而土壤酸溶态Cd与水稻植株中的Cd浓度并无相关，表明土壤水溶态和Ca(NO3)2可提取态Cd均可作为土壤Cd植物有效性的指标。通过Cd稳定同位素组成分析，发现土壤水溶态Cd的同位素组成在不同处理间有明显的差异，酸溶态和Ca(NO3)2可提取态Cd在不同处理间并无变化。进一步，发现不同处理下整株水稻Cd同位素组成与对应的水溶态Cd同位素组成相近[∆114/110Cdplant−water ≈ 0 (−0.06 to −0.03‰)]，而与Ca(NO3)2可提取态、酸溶态Cd存在显著差异。这一结果为“水溶态Cd是稻田土壤植物有效态Cd的来源”提供了直接证据。此外，由于水稻具有较强的Cd吸收能力，这一结果也表明，土壤Cd向水溶态组分的释放是影响水稻Cd累积的限速步骤。
在田间试验中，发现整株水稻的Cd同位素组成比水溶态组分的同位素更轻（Δ114/110Cdplant-water=−0.39±0.05‰），同时采集的大气沉降中含有高浓度Cd（2.74 mg/kg），且其同位素组成偏轻，表明土壤水溶态Cd和大气沉降中的Cd均为水稻植株Cd累积的来源。利用同位素混合模型，计算了土壤水溶态Cd和大气沉降Cd对水稻植株Cd累积的贡献比例，分别为58%和42%。上述结果表明，除土壤水溶态组分外，大气沉降中的Cd也是田间条件下水稻植株中Cd的潜在甚至不可忽视的来源。
图1 同位素组成揭示土壤中水溶态镉是根部吸收镉的主要来源
研究的相关结果发表于ACS Environmental Au（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenvironau.3c00067）。论文的第一作者为毕业博士生董强，通讯作者为阴永光研究员和江汉大学梁勇教授。该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院青促会优秀会员项目等资助。