作物间作对重金属吸收的影响及其机制的研究

【摘要】：随着工业化的发展,大量的重金属被排入环境中,对土壤特别是耕地造成严重的污染。由于重金属可随食物链移动,最终积累在人体内,对人类健康造成危害,因此对重金属污染土壤的修复迫在眉睫。与传统的物理、化学修复手段相比,新型的植物修复方式具有成本低、对土壤扰动性小、不造成二次污染等优点,被誉为土壤重金属污染修复的最佳方法。但是由于常用于植物修复的高积累植物,往往生物量小、生长缓慢,修复效果并不理想。因此迫切需要寻找新方法来提高重金属污染土壤的修复效率,或者降低重金属在农作物中的积累,从而获得在污染土壤中也可实现安全食用的农产品的生产。 1.本研究选择了四种Cd吸收能力显著差异的作物(Cd相对高积累青菜(杭州油冬儿)和番茄(中蔬4号)；Cd相对低积累甘篮(京丰一号)和玉米(金珠蜜甜玉米)),在Cd污染土壤中进行间作试验。实验结果如下： 1)在Cd 2.62 mg kg-1的污染水平下,青菜和甘蓝间作条件与单作相比,Cd在青菜中的积累浓度提高(地上部分从6.55 mg kg-1升高至9.29 mg kg-1,地下部分从4.45 mg kg-1升高至7.65 mg kg-1),而在甘蓝中的积累浓度下降(地上部分从3.70 mg kg-1降低至0.54 mg kg-1,地下部分从3.32 mg kg-1降低至1.99 mg kg-1)。在Cd 3.70 mg kg-1的污染水平下,番茄和玉米间作和限制性间作条件与单作相比,Cd在番茄中的积累浓度提高(叶部从13.52 mg kg-1分别升高至24.94 mg kg-1和27.30 mg kg-1)。表明采用间作方式可以同时实现提重金属污染的植物修复效率和污染土壤中产出可安全食用农产品的目的。 2)与未种植作物的对照组相比,种植青菜和甘蓝后,土壤pH值有小量下降,酸性磷酸酶活性上升,脲酶活性下降,并且青菜单作组土壤pH值下降幅度最大,脲酶活性下降幅度最小；种植番茄和玉米后,番茄根围土壤pH值有所下降,酸性磷酸酶活性上升,脲酶活性下降,并且间作组土壤pH值下降幅度最大,酸性磷酸酶活性升高幅度最大,脲酶活性下降幅度最小。这些变化进一步影响到土壤中Cd的存在形式,最终导致作物对Cd的吸收能力发生变化。间作还能提高Cd高积累番茄根围土壤中,对重金属吸收有促进作用的微生物种群的丰度,而降低对重金属吸收有抑制作用的微生物种群的丰度,最终实现Cd高积累番茄对Cd的吸收能力提高。因此,不同作物间作影响其对重金属的吸收能力可能是通过改变土壤pH值、土壤酶活性、根围土中微生物种群分布而实现的。 2.本研究选用青菜、甘蓝、番茄、玉米和重金属高积累植物鸡眼草,在多种重金属(Cd、Pb、Cr、Cu和Fe)低浓度复合污染的大田中进行单作、间作试验,研究不同植物种类、不同种植方式下对不同重金属的吸收特性。结果表明,番茄对土壤中重金属尤其是Cd的吸收能力较高,当番茄和其他作物间作时,番茄对重金属的吸收能力还会提高,因此番茄是一种适合修复土壤重金属污染的植物；玉米对Cr、Cu和Fe的积累较高,当玉米和其他植物间作时,玉米对重金属的吸收能力还会降低,因此玉米适合在重金属污染土壤中间作种植来产出可安全食用的产品；鸡眼草的地下部分易吸收土壤中的Cd和Pb,当鸡眼草和其他作物间作时,鸡眼草对重金属的吸收能力下降；青菜和甘蓝既不适用于修复土壤的重金属污染,也不适用于作为食品产出而种植在重金属污染土壤中。 本研究为同时实现高效率的土壤重金属污染修复和在污染土壤中产出可安全食用的农产品提供了线索。