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《湖南农业大学》 2011年
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南洞庭湖湿地土壤镉(Cd)污染与蒌蒿植物修复研究

董萌  
【摘要】:对南洞庭湖10个洲垸地点的土壤进行了4种重金属镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、锑(Sb)的含量测定与分析,并运用地积累指数法对每种重金属的污染状况进行评价,结果表明,Cd的平均含量为3.047mg·kg-1,污染普遍严重;Pb未达到明显的污染水平;Cu的污染程度虽较轻,但需控制其发展;Sb在某些地点污染较严重,其分布规律呈现较强的不均衡性。 针对南洞庭湖湿地土壤Cd污染严重的现状,对湖区滨岸带8种优势植物的Cd富集特征及其修复效果进行了分析评价。研究结果发现,蒌蒿(Artemisia selengensis)对Cd表现出显著的富集特征,对Cd污染的修复效果好,是洞庭湖土壤Cd污染的理想修复材料;南艾蒿(Artemisia verlotorum)对Cd污染具有较好的修复效果,可作为湿地土壤Cd污染修复的各选材料;芦苇(Phragmites australis)和南荻(Miscanthus lutarioriparius)植株的根部对Cd的积累量较高,具有良好的稳定修复效果,且由于二者地上部生物量大、被连续刈割的特点,对洞庭湖湿地Cd污染治理起到一定的促进作用。 以洞庭湖湿地新发现的Cd高富集植物蒌蒿为试材,采用盆栽方式,系统研究了蒌蒿在生长期内对Cd的性状反应及富集特征。结果表明,大于40 mg·kg-1的Cd胁迫对萎蒿叶片伤害明显,且导致生物量下降,但植株在100mg·kg-1胁迫下可完成生活史,对Cd有较强的耐受能力;土壤中有效态Cd的含量仅占土壤全Cd含量的15.3~37.1%,与蒌蒿对Cd的提取效果之间相关性显著;相同胁迫浓度下,各生长阶段的植株体内Cd含量差别不大,但由于生物量的原因,幼苗期对Cd的提取量显著小于其他时期,其中40-60mg·kg-1的Cd处理可使蒌蒿地上部分Cd含量达492~588mg·kg-1(成株期),且植株对该浓度范围的Cd污染去除效果最好;蒌蒿可作为对湿地土壤Cd污染较理想的修复植物加以研究和利用。 采用盆栽植株和外源Cd胁迫处理的方法,分别对不同生长期蒌蒿植株根、叶组织中的抗氧化酶活性、可溶性蛋白及MDA含量进行测定,以揭示蒌蒿在Cd胁迫下的抗氧化机理和耐受机制。研究结果表明,Cd胁迫对上述生理指标均有显著影响,≤20 mg·kg-1的Cd处理可使幼苗期植株器官中的可溶性蛋白含量增加16.5~19.1%, 100mg·kg-1的Cd浓度则导致其含量减少近30%;3种酶活性在0~10 mg·kg-1的Cd处理下未显示出变化,幼苗期植株CAT、POD酶活性在10~80mg·kg-1的Cd胁迫下增加明显,高于此浓度范围则使酶蛋白受到破坏而失活,中等浓度≤40mg·kg-1)的Cd处理经过长时间作用可使植株逐渐适应胁迫环境,胁迫强度较大的Cd处理可显著提高SOD酶的活性;Cd胁迫过程中植株MDA积累量不断增加,3种抗氧化酶活性的增强在蒌蒿植株耐受Cd胁迫方面能起到较好的防御作用。 采用亚细胞结构分级分离的方法,对蒌蒿根、叶中亚细胞水平的Cd分布状况进行研究,同时测定了Cd在蒌蒿不同器官中的富集效果。结果表明,30 mg·kg-1的Cd胁迫下,蒌蒿叶片中Cd的富集浓度是茎、根的2-3倍,但叶片所占植株的生物量比例较小,其对Cd的积累量远小于茎和根;低浓度Cd胁迫下,Cd在蒌蒿叶片细胞壁、胞液、细胞器中相对浓度比例为16:5:1,细胞壁固定是叶片对Cd的主要防御机制;Cd处理浓度的增加使细胞壁、胞液中的Cd含量大幅上升,但细胞器中Cd含量仍维持在较低水平,长时间、高浓度的Cd胁迫可使细胞壁解毒机制失活、细胞器Cd含量增加,导致植株死亡;根中液泡对Cd的贮存量较大、解毒效果显著。 以南洞庭湖湿地Cd污染土壤为栽培基质,分别在蒌蒿幼苗期、成株期添加EDTA等7种螯合剂和调控物质,研究了不同添加物对蒌蒿生长状况及Cd富集效果的影响。结果发现,HEDTA、EDTA、DTPA等3种螯合剂不同程度地降低了蒌蒿地上部分的生物量,但增加了土壤中有效态Cd的含量,使蒌蒿茎叶中Cd的富集浓度分别上升了35.5%、98.4%、42.1%,显著提高了蒌蒿的修复效果;生石灰的添加则使土壤有效态Cd明显减少,抑制了蒌蒿的富集;有机腐殖质和复合肥的施加虽促进了萎蒿生长,但未对其富集效果有显著影响;幼苗期施加调控物质,在植株生物量、Cd富集浓度及土壤有效态Cd含量等方面造成的影响均大于成株期。
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