不同种植物根际土壤微生态系统对大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染耦合作用的响应机制

Elevated atmosphere CO2 and soil lead and cadmium contamination, which are major environmental issues in the world at present, have the most direct impact on plant ecosystem. The stability and security of rhizosphere soil micro-ecosystem which is an important part of the plant ecosystem is signficantly related to the material recycling in plant ecosystem, plant ecosystem productivity, quality of plant products and human food safety. So it is important that the response of rhizosphere soil micro-ecosystem to the coupling effect of elevated CO2 and soil lead and cadmium pollution will be studied in the future. OTCs (Open-top chamber) will be used to study the coupling effect of elevated atmosphere CO2 and soil lead and cadmium pollution on different plants rhizosphere soil micro-ecosystem. Conventional methods, instrumental analysis, and molecular biology methods would be used to determine the selected indicators in the project. The response mechanics of different plants rhizosphere soil micro-ecosystem for the coupling effect of elevated CO2 and soil lead and cadmium pollution will be clarified through analyzing exudates, rhizosphere soil microorganism, and rhizosphere soil enzyme activity and the relationships between root exudates and rhizosphere soil microorganism and enzyme activity. Moreover, the differences of the response mechanics of different plants rhizosphere soil micro-ecosystem to coupling effect will be inverstigated. Finally, some scientific data got in the study would be provided for the evaluation of plant rhizosphere soil micro-ecosystem stability and security under the coupling effect of elevated CO2 and soil lead and cadmium pollution.

大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染是全球性环境问题，对植物生态系统的影响尤为直接，而根际土壤微生态系统是植物生态系统的重要组分，其稳定性和安全性事关植物生态系统物质循环、生产力、产品品质及人类饮食安全等，据此，研究根际土壤微生态系统对大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染耦合作用的响应机制意义重大。本项目采用开顶箱模拟大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染的耦合作用对不同种植物根际土壤微生态系统的影响，通过常规分析、仪器分析及分子生物学等方法测定所选指标，分析耦合作用对根系分泌物、根际土壤酶活性及根际土壤微生物(活性及群落结构)的影响特点，以及耦合作用对根系分泌物与根际土壤酶活性和根际土壤微生物之间关系的影响特征，阐明不同种植物根际土壤微生态系统对耦合作用的响应机制，进而探讨不同种植物根际土壤微生态系统对耦合作用响应机制的差异性，为评价耦合作用下植物根际土壤微生态系统的稳定性和安全性提供科学支持。

大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染是全球性环境问题，对植物生态系统的影响尤为直接，而根际土壤微生态系统是植物生态系统的重要组分，其稳定性和安全性事关植物生态系统物质循环、生产力、产品品质及人类饮食安全等，据此，研究根际土壤微生态系统对大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染耦合的响应机制意义重大。本项目采用了开顶箱模拟大气CO2浓度升高和土壤Pb、Cd污染耦合对小麦、刺槐和樟子松几种植物幼苗根际土壤微生态系统的影响，目前樟子松的研究工作继续进行中。结果表明：与土壤金属污染相比，1)大气CO2升高显著影响了小麦和刺槐幼苗次生代谢物和初生代谢物含量，且主要表现为增加；2)大气CO2升高显著降低小麦和刺槐幼苗根际土壤pH值； 3)大气CO2升高显著提高土壤Cd污染下小麦幼苗根系分泌可溶性糖(45.7%)、游离氨基酸(63.2%)、酚酸(40.0%)和总有机酸(89.5%)的量，而降低了土壤Cd、Pb污染下刺槐幼苗根系分泌酚酸的量；4)大气CO2升高显著影响土壤Cd、Pb污染下幼苗根际土壤酶活性：①小麦幼苗根际土壤淀粉酶、多酚氧化酶、尿酶、L-天冬酰胺酶、β-葡萄糖苷酶和中性磷酸酶活性增加，而纤维素酶分解酶和转化酶活性降低，②刺槐幼苗根际土壤脱氢酶、脲酶、转化酶和β-葡萄糖苷酶活性显著增加，而L-天冬酰胺酶活性却降低；5)大气CO2升高显著影响土壤Cd、Pb污染下幼苗根际土壤微生物数量和活性：①小麦幼苗根际土壤细菌数量在低浓度Cd(1.31~5.31 mg Cd kg-1干土)时增加，高浓度(10.31 mg Cd kg-1干土)时降低，FDA水解酶活性、微生物量C、N、微生物量C/N比及微生物量商都表现为增加；②刺槐幼苗根际土壤细菌、真菌和放线菌数量均增加，且FDA水解酶活性、微生物量C及微生物量商均增加；6)大气CO2升高显著改变了土壤Cd、Pb污染下刺槐幼苗根际土壤细菌和真菌群落结构。结论及科学意义：大气CO2浓度升高可缓减土壤Pb、Cd污染对植物根际土壤微生态系统的压力，主要通过影响根系分泌物的途径实现影响，且存在物种差异；大气CO2浓度升高提高了幼苗积累Pb、Cd的能力。探讨重金属污染下植物根际土壤微生态系统对大气CO2浓度升高的响应可为评价耦合作用下植物根际土壤微生态系统的稳定性和安全性提供支持，为全面评估土壤重金属污染的生态风险及合理减排CO2提供科学依据。