不同类型土壤镉锌的修复植物有效性及其固液与根际化学机制研究

As the influence of soil properties and pollution level, different metal polluted soils have different metal availability to hyperaccumulator and different remediation efficiency. Single extraction, diffusional gradients in thin-films (DGT) and stable isotope dilution technique will be employed to investigate soil cadmium and zinc availability of different soils with a range of soil properties and polluted level, and to figure out the relationships between soil total metal, metal availability and plant metal uptake by correlation analysis combining with soil properties and metal uptake by a Zn/Cd hyperaccumulator- Sedum plumbizincicola. Form the points of soil solution metal (concentration and speciation) and metal desorption from soil solid phase, the principle of soil metal controlling the availability to Sedum plumbizincicola will be investigated for different polluted soils. Based on the collection and analysis of root secretion and the technique of DGT-Probe and planar optodes, the specificity of root secretion when plant growing in different soil, and soil chemical changes (e.g. metal distribution and soil pH) in the micro-zones of the interface of soil and plant roots will be investigated. The main purposes of this project are to establish the evaluating methods of metal availability to Sedum plumbizincicola and predicating model of plant metal uptake, and to figure out the control principle of metal availability to Sedum plumbizincicola with the aspects of soil chemical and rhizosphere effect. The results based on this project will guide and accelerate the practical implication in the field using the hyperaccumulator for phytoremediation of metal contaminated soil.

不同污染土壤，由于土壤性质和污染程度差异，其重金属的超积累植物有效性及其修复效率大不相同。本项目以镉锌超积累植物-伴矿景天和不同程度、土壤类型的镉锌污染土壤为研究对象。利用单一提取、薄膜扩散梯度（DGT）和同位素稀释技术，对不同污染土壤进行镉锌有效性研究，结合土壤性质和伴矿景天镉锌吸收性进行相关性分析，探讨污染土壤-镉锌有效性-植物镉锌吸收性间相互关系；从土壤溶液镉锌与固相颗粒镉锌解吸角度，探讨不同污染土壤上镉锌伴矿景天有效性的土壤化学原理；研究伴矿景天在不同污染土壤上根系分泌物特异性，并利用平面光极和DGT探针技术，进一步研究不同污染土壤伴矿景天根-土界面微域镉锌及相关化学变化特征。以期建立不同污染土壤上镉锌超积累植物有效性表征方法和预测模型，揭示不同污染土壤上镉锌超积累植物有效性的土壤化学原理和根际控制机制，为超积累修复镉锌污染土壤的应用和推广提供理论依据。

超积累植物修复是目前金属污染土壤治理最为重要且可行的技术方法之一。但由于受污染的土壤类型多样，在不同土壤上超积累植物作用效应不同。探明不同土壤上超积累植物吸收重金属主控因子、重金属植物有效性表征方法、超积累植物根系作用机制，以及如何建立高效调控修复措施，对超积累植物修复技术推广应用具有重要意义。本项目针对我国典型镉污染土壤，开展了超积累植物伴矿景天吸取修复试验，研究土壤镉伴矿景天有效性与土壤性质的关系，影响伴矿景天吸收镉的主控因子和预测模型；利用pH-平面光敏电极技术，开展了典型污染土壤伴矿景天根际微域酸化效应研究，探讨了伴矿景天根系酸化的驱动机制；开展了伴矿景天修复中土壤重金属动力解吸试验、碱性土壤酸缓冲性与重金属释放/形态转化研究；开展了镉高污染土壤伴矿景天修复潜力和强化调控研究。结果表明，土壤总镉和土壤pH是伴矿景天吸收镉的两个主要因子，土壤总镉在0.3-10 mg kg-1伴矿景天体内镉浓度与土壤总镉呈正相关，土壤总镉高于10 mg kg-1时伴矿景天体内镉变化不大；土壤pH在5.5-7.5范围与伴矿景天体内镉浓度呈负相关，pH小于5.5或大于7.5时pH对植物吸收镉影响较小；基于pH进行分段DGT表征、氯化钙提取镉能很好预测伴矿景天吸收。伴矿景天在不同性质污染土壤上均表现根际土壤酸化特征，但酸化因土壤酸缓冲性、植物昼夜生理过程不同而异，过量阳离子吸收可能是伴矿景天根际土壤酸化的驱动力。伴矿景天能够活化土壤难解吸重金属被根系所吸收，其可能机制为根系转化土壤碳酸盐和铁锰氧化物，而释放重金属。不同碱性土壤酸缓冲性能差异显著，酸化能转化土壤碳酸盐和铁锰氧化物结合镉为可交换态和水溶态，但土壤钙大量释放可能限制伴矿景天生长。在高镉污染土壤上，伴矿景天对镉具有强的富集能力，生物质炭、秸秆、单质硫等材料能在适宜的高镉污染土壤上发挥作用，强化修复效率。以上结果对我国镉污染土壤伴矿景天修复研究和应用具有借鉴和指导意义。