稻田土壤中的镉（Cd）污染对全球食品安全构成严重威胁。尽管锰（Mn）材料在降低土壤Cd生物有效性方面表现出潜力，但其实际效果仍需进一步评估。传统的异位采样方法往往忽略了金属解吸动力学和根际生物化学异质性，可能误判Mn对Cd动态的调控作用。本研究采用原位监测技术，包括薄膜扩散梯度技术（DGT）测量、DIFS（DGT诱导土壤通量）模型以及高分辨率DGT和平面光极（PO）成像，评估了两种锰氧化物（MnO₂和Mn₂O₃）对水稻根际Cd生物有效性的影响。

结果表明，MnO₂和Mn₂O₃的施用分别使生物有效态Cd降低了28.9%和15.3%，这归因于土壤中Mn和Fe含量的增加促进了Cd的固定化。DGT-DIFS分析显示，锰氧化物的施用延长了Cd的补充时间并降低了其从土壤固相的解吸速率。PO成像揭示了水稻根际pH的异质性，证实锰氧化物通过提高pH值介导了Cd生物有效性的降低。高分辨率DGT成像进一步展示了Cd、Mn和Fe通量的空间分布模式，明确了Mn对Cd生物有效性的抑制作用。这些发现凸显了锰氧化物在减少水稻对Cd吸收方面的潜力，为Cd污染土壤的治理提供了一种有前景的策略。

水稻种植后土壤pH变化特征：(a) 不同处理组(对照组、MnO₂处理组和Mn₂O₃处理组)土壤pH测定值；(b1-d1) 分别为对照组、Mn₂O₃处理组和MnO₂处理组水稻根系原始图像；(b2-d2) 对应处理组的根际pH空间分布图像。注：(a)中不同字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。

水稻根际Cd、Mn和Fe的高分辨率DGT成像分析：(a)对照组，(b)Mn₂O₃处理组，(c)MnO₂处理组。从左至右依次为：根系分布图及Cd、Mn、Fe元素通量分布图（单位：pg cm⁻² s⁻¹）；(d)和(e)分别为(c)图中沿h1-h2和h3-h4剖面的有效态Mn和Fe通量分布。

本研究通过四种机制展示了MnO₂和Mn₂O₃施用对水稻吸收Cd的抑制作用：（1）Cd直接吸附到锰氧化物表面；（2）降低Cd从土壤颗粒中的解吸速率；（3）Mn²⁺竞争性占据Cd²⁺转运蛋白位点，抑制根系吸收；（4）促进水稻根表铁锰氧化物膜的形成，从而在根际固定Cd。相较于Mn₂O₃，MnO₂表现出更显著的修复效果，不仅能显著降低Cd的生物有效性，还可提高根际Mn和Fe的生物有效性。通过高分辨率金属通量成像技术，明确了金属生物有效性的空间异质性特征，并揭示了锰氧化物施用后通过特定的空间分布模式抑制Cd生物有效性的过程。基于解吸动力学和原位成像的研究成果，深化了对锰氧化物修复Cd污染稻田机制的认识。未来研究需进一步探究不同锰基材料的特异性作用机制，并评估其在不同土壤类型中的长期修复效果。

Chao Zhang, Xing-Yue Li, Dong-Xing Guan, Jia-Lu Gao, Qiong Yang, Xiao-Lei Chen, Lena Q. Ma, Manganese oxide application reduces cadmium bioavailability in rice rhizosphere: Insights from desorption kinetics and high-resolution imaging,   Environmental Pollution, journal homepage: www.elsevier.com/locate/envpol, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2025.126110.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026974912500483X

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