近日，中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队朱齐超副教授课题组在国际顶级期刊《自然-食品》（Nature Food）在线发表了研究论文《养分管理调控酸化对水稻产量和镉含量的风险》（Nutrient management modulates acidification-induced risks to yield and cadmium contents in paddy rice）。该研究通过耦合土壤酸化模型VSD+与镉（Cd）动态迁移模型，系统解析了县域酸性稻田镉污染演变特征，并从空间尺度揭示了未来不同养分管理策略对稻米安全的影响，为酸性耕地可持续利用提供理论支撑。
我国南方农田面临土壤酸化的严峻挑战。酸化不仅直接导致作物减产，更显著提高重金属镉的生物有效性。利用畜禽粪肥还田替代化肥被认为是缓解农田土壤酸化、促进资源循环的关键解决方案。然而，由于粪肥中通常含有较高水平的重金属，盲目增加粪肥投入可能在治理酸化的同时，引入农产品安全风险。过去研究多聚焦于单一目标，缺乏在不同环境政策背景下，将土壤酸化治理与重金属风险协同防控的耦合研究。
图1 不同养分管理措施对土壤pH值及稻米镉含量的影响趋势
本研究基于动态模型预测发现，不同养分管理情景对土壤pH值和稻米镉含量的影响差异显著。在常规情景（BAU）下，持续土壤酸化导致镉活性激增，稻米镉含量风险明显增加。在基于平衡施肥的粪肥和秸秆还田情景（BNPR）下，土壤pH值的提升在短期内抑制了水稻对镉的积累，然而，由于施用粪肥增加土壤镉累积，到2050年，其通过缓解酸化带来的正面效益将被土壤镉含量增加所抵消，稻米镉含量依然处于高风险水平。只有采取施用石灰保持pH值、同时配合大幅削减镉输入的优化管理（BNPRLopt），才能确保区域内非钙质土壤的稻米长期安全生产，并减缓钙质土壤中镉含量的升高趋势（图1）。
图2 不同优化情景下粪肥与大气沉降镉输入的空间变化
此外，研究强调，粪肥回田比例的上限受环境镉输入空间差异的制约。在BNPRLopt情景下，若优先降低粪肥还田量而不削减大气沉降，区域稻田的平均粪肥回田率将受限（图2）。若优先降低大气镉沉降（即BNPRLopt(dep)情景），则超过80%的粪肥可以实现安全回田，在缓解酸化的同时显著减少石灰施用量。这表明，在酸性农田粪肥还田利用与外部环境镉输入量呈明显权衡关系。
该研究表明，在酸性镉污染农田风险区域，单纯依靠农田管理无法同时解决土壤酸化导致的粮食减产和重金属污染风险，必须依靠环境政策（工业减排）与农业管理（饲料源头管控）的协同治理，从源头削减环境输入，才能在发挥粪肥治理酸化潜力的同时，守住农产品安全底线。
中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）2024届毕业生徐东昊博士为论文第一作者，朱齐超副教授为论文的共同通讯作者。合作者包括张福锁院士、荷兰瓦赫宁根大学Wim de Vries教授、Gerard H. Ros研究员。该研究得到国家重点研发项目（2022YFD1900601）、国家留学基金委和海南大学的资助。
