东北地区镉污染农田土壤植物修复的主要根际机理研究

镉是我国东北地区农田土壤主要污染物之一。在利用超富集植物修复污染土壤的同时,采取适当方式种植低积累作物,既能改善土壤质量,又能保证食物安全,这种对污染土壤"边修复边生产"技术无疑具有实践意义,由此产生的生态效益和社会效益也是无法估量的。球果蔊菜(Rorppa globosa)是新近发现的镉超富集植物,修复潜力很高。又由于其适于东北地区生长,生育期较短,根系深且分布广,株型紧凑,非常适合作为上述技术的修复植物。本项目将重点研究球果蔊菜修复镉污染土壤的主要根际机理,内容主要有:(1)植物根系对镉的耐性与富集解毒机制；（2）镉污染条件下植物根际主要环境特征；(3)强化修复措施对根际环境的影响。其中第一个方面是重点。利用HPLC-MS、EXAFS、PCR-DGGE、Biolog等现代分析技术,深入揭示植物修复镉污染土壤主要的根际机理,为形成较成熟的污染土壤"边修复边生产"技术打下科学基础。

根据研究计划书的研究计划，已完成全部研究任务， 获得预期研究成果。发表论文20篇，其中SCI收录9篇，EI收录1篇，CSCD收录10篇。获授权发明专利2项，申报发明专利4项。揭示了球果蔊菜修复镉污染土壤的主要根际机理，主要结论如下：1).植物根系对镉的耐性与富集解毒机制：营养液试验条件下, 镉对球果蔊菜和风花菜的根系形态产生显著影响。但球果蔊菜根系对镉的耐性强于风花菜。植物根系形态特征可能是超富集植物耐性较强的一个重要表现; 镉对球果蔊菜根系活力, 根系相对电导率和MDA含量的影响小于风花菜。细胞膜透性变化较小可能是球果蔊菜对镉耐性较强的另一重要根系特征; 镉处理对球果蔊菜植物根系分泌物中草酸和酒石酸有一定的诱导作用; 镉在球果蔊菜根系中以活性较弱形态贮存可能是其对镉富集解毒的主要机理之一。2).镉污染条件下植物根际主要环境特征：土壤盆栽试验条件下, 球果蔊菜根际pH值较低，对镉的吸收能力较强; 球果蔊菜根际DOC含量高于风花菜，表明球果蔊菜根际土壤中镉的迁移性和生物有效性高于风花菜; 随着镉浓度的升高，球果蔊菜根际镉从活性较高的形态向活性较低的形态转化，从而减轻高浓度镉对植物的毒害作用，这可能是球果蔊菜对镉的一种耐性机制; 球果蔊菜根际的2种酶活性均大于风花菜。表明其对镉的活化和吸收能力更强; 球果蔊菜根际微生物数量大于风花菜，这可能促进了球果蔊菜根系对镉的吸收。3).强化修复措施对根际环境的影响：球果蔊菜摘除花序后，其根茎叶中镉含量均不同程度的增加，但根际的pH、DOC含量、4种酶的活性变化不大，说明摘除花序后，植物各部分镉含量的增加可能是其对镉富集再分配的结果; 土壤中施加外源氨基酸会不同程度的提高球果蔊菜根及地上部的镉含量，其中以移栽后第30天施加时提高的幅度最大。施加外源氨基酸后，会使植物根际pH降低，这可能是其促进植物富集镉的原因之一; 土壤中施加外源GSH后，会不同程度地提高球果蔊菜根茎叶及花序中的镉含量，其中以苗期施入0.8mM的GSH提高的幅度最大。施加外源GSH后，植物叶中GSH含量也不同程度的提高，这可能是其促进植物富集镉的原因之一; 11种氮肥对球果蔊菜镉含量均产生不同影响, 但生物量对其镉积累量的影响更大一些, 其中碳酸氢铵对球果蔊菜镉富集量的促进作用最大。根际pH值降低和镉有效态含量升高可能是氮肥促进其含量提高的主要原因。