植物多样性对铅污染土壤的响应及其生态学效应

【摘要】：保持农业生产区域内植物的多样性日益受到人们的关注，保持适宜的植物(作物与非栽培植物)多样性不仅有保护天敌、控制农业害虫，保持土壤和促进养分循环等生态学功能，在消除环境污染方面也有重要作用。本研究旨在利用植物多样性及植物多样性与菌根的复合作用吸收积累重金属铅，同时通过作物与田间常见的伴生杂草植物间作，筛选吸收积累铅比较高的伴生杂草植物，以减少铅对作物的危害。提出利用植物多样性消除或减少土壤重金属污染的新观念，为土壤重金属污染的生物修复提供新思路。通过土壤盆栽、小区模拟和砂培试验，探讨了单个植物物种、两个植物物种共存、植物多样性及砂培试验条件下植物及植物多样性对土壤中铅的积累与生态学效应，研究取得的主要结果如下： 1 单一植物物种在重金属铅污染土壤中的响应及其生态效应 在铅浓度为334.53mg／kg的土壤中，17种杂草(鸡眼草、苦荬菜、升马唐、无芒稗、早熟禾、黑麦草、野燕麦、野豌豆、婆婆纳、北美车前、鼠曲草、白三叶、酢浆草、皱果苋、牛筋草、刺苋和大画眉)及两种作物(大豆和陆稻)的生长无明显受阻，即334.53mg／kg浓度的铅污染对这些植物生长无明显影响。 17种植物中，除了刺苋和皱果苋外，其它铅处理的植物根系铅含量与对照之间均存在极显著的差异，地上部分除了鸡眼草、升马唐、早熟禾、婆婆纳、鼠曲草、白三叶和皱果苋外，其余均有显著差异，并且根系铅含量与地上部分含量之比在0.83—28.99之间，说明铅主要积累在根部。单位面积(以每盆计算)杂草的吸铅数量(吸铅量=植株含铅量×植物生物量)则以黑麦草、野燕麦、北美车前、鸡眼草、苦荬菜和刺苋较高。 在铅污染土壤中17种杂草和2种作物菌根的形成发生了显著变化，但不同物种的变化趋势明显不同。与无铅污染的对照土壤相比，苦荬菜、早熟禾、黑麦草、野燕麦、野豌豆、白三叶的菌根侵染率下降(P＜0.01)，而无芒稗、北美车前、鼠曲草、酢浆草和大画眉的菌根侵染率上升(P＜0.01)，鸡眼草、升马唐、婆婆纳、皱果苋、刺苋、牛筋草、大豆和陆稻的变化不大(差异不显著)。菌根泡囊的形成可反映AMF在宿主根系的定殖程度，早熟禾、黑麦草、野燕麦、野豌豆、皱果苋、牛筋草、刺苋、大画眉和陆稻的泡囊数没有明显变化， 摘要 而无芒稗、婆婆纳、北美车前、鼠曲草、白三叶、醉浆草的泡囊数在铅污染土壤中明显增加， 大豆根内泡囊数却降低。土壤中的抱子数量一定程度上可反映AMF的多样性和繁殖活性， 野豌豆、白三叶和醉浆草、皱果觅、牛筋草、无芒稗和陆稻的土壤抱子数与对照相比无显著 差异，其余物种在铅污染土壤中的抱子数量与对照相比明显下降(P0.01)。 铅处理中，除了苦卖菜和马唐的全磷含量极显著高于对照而无芒稗全氮含量显著低于对 照，其它均无显著差异外，铅污染对大多数供试植物吸收养分影响不显著。 2两种植物物种共存在重金属铅污染土壤中的响应及其生态效应 与单种比较，铅污染(浓度为334.53mg/吨)对两物种共存中植物生长无明显影响。 两物种共存中植物菌根侵染率除玉米和无芒稗显著升高外，其它均无显著差异。土壤中 的袍子数，与对照相比，大豆一刺觅土壤中的抱子数高于对照，玉米一鸡眼草土壤中的抱子数 低于对照，其它陆稻一无芒稗和玉米一苦卖菜组合与对照无显著差异。 在两物种共存组合中，除刺觅外，其它物种均是根部铅的含量高于地上部，对铅的积累 仍然是根部高于地上部。两物种共存与单种相比，地上部铅含量鸡眼草、苦卖菜和玉米与单 种基本相同，陆稻铅含量低于单种，无芒稗和刺觅高于单种，而根部铅含量除了陆稻和刺芡 外均是两物种共存高于单种。无芒稗是陆稻的伴生杂草，在铅污染土壤上保留适量稗草可减 少铅对陆稻的危害。而刺觅则是靠庞大的地上部分移去相当数量的铅，根系不易吸收积累铅。 铅在大豆各器官中的积累规律是茎、根叶英种子，两物种共存与单种相比，根、 叶和荚的铅含量有显著差异，大豆根、叶和英是对铅反应比较敏感的器官，与刺觅混作提高 了大豆根、叶和荚的浓度。刺觅是不易积累铅的杂草，因此，在田间不宜用来与作物混作以 企望吸收土壤中的铅，不能起到减少铅对作物的危害的效果。 3多个植物物种共存在重金属铅污染土壤中的响应及其生态效应 在玉米、马唐、鸡眼草组合试验中，铅处理(334.53mg/吨)对玉米及杂草的生长无显 著影响，但明显影响菌根的形成与抱子数量。铅污染土壤上，多个物种共存中植物的菌根 侵染率和泡囊数发生了明显变化。玉米各物种共存的根系菌根侵染率与泡囊数均极显著高于 对照，两个物种共存中马唐菌根侵染率和泡囊数低于对照，而三个物种共存中由于鸡眼草的 加入改变了根际环境，马唐的菌根侵染率显著高于对照，鸡眼草的菌根侵染率高于对照，泡 囊数则变化不大。冬季草除了早熟禾外，菌根侵染率均升高，说明杂草多样性对菌根有一种 保护作用。夏季植物土壤中的抱子数均显著低于对照，但多个物种共存的土壤中抱子数是3 个物种共存2个物种单个物种，冬季草土壤中的抱子数铅污染与对照相比没有明显变 摘要 化，但物种共存对抱子数量有明显影响，无论