土壤锌镉空间异质性对植物生长及金属富集的影响

摘要

当今土壤重金属污染日益加剧，环境危害日益加重，亟待治理。重金属空间异质性是污染土壤的重要特征，但其对植物生长和金属吸收的研究还很少。借鉴植物对大量必需元素(如氮和磷)空间异质性的响应策略研究，对污染土壤的植物修复及植物逆境适应性机制研究具有重要指导意义。因此，本文主要探讨：锌(Zn)和镉(Cd)空间异质性对植物生长和金属富集影响，以及不同植物的逆境响应策略——以超富集植物东南景天、普通农作物白菜和玉米为例。主要研究结果及结论如下： 一、室内盆栽证实，土壤Zn/Cd空间异质性显著影响东南景天的生长和金属富集。土壤Zn/Cd空间异质分布下，东南景天90％以上的根系分配在富Zn(1000和2000 mg Zn kg-1)或Cd斑块(100和200 mg Cd kg-1)；地上部Zn/Cd富集量及生长明显优于或类似于金属均质分布处理，证实了东南景天存在根系Zn/Cd觅食机制，这是其高效获取土壤Zn/Cd的重要策略。同时，根系金属觅食的内在机制源于东南景天对Zn/Cd存在内在高量需求：地上部Zn浓度高达2500 mg kg-1的植株表现出明显的缺Zn症状；当外源添加高量Zn(500和1000 mg Zn kg-1)或Cd(50和100 mg Cd kg-1)能显著改善植物生长和促进生物量积累。 二、室内盆栽证实，土壤Cd空间异质性显著影响白菜(直根系)、玉米(须根系)的生长和Cd富集。土壤Cd异质分布时，两作物生物量干重、地上部Cd浓度及Cd富集量均明显降低，空间异质性显著影响植物对Cd的提取效率；根据“染地暴露风险模型”分析，空间异质性也是影响人体Cd暴露风险的重要因素。不同的植物根系响应策略并非是“Cd空间分布形式影响植物生长”的根本原因：白菜60％的侧根系在无Cd土壤斑块生长，能主动避开富Cd区，玉米在富Cd斑块和无Cd斑块根系分配比例无差异，然而，积极的根系避Cd策略，并没有使得白菜在生长方面获得优势。 综上所述，重金属空间异质性在植物个体尺度上的变化能显著影响植物生长及金属富集，进而影响植物修复效率和人体重金属暴露风险。为最大程度地适应异质性土壤环境，超富集植物进化出根系金属觅食机制，而普通植物没有。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1土壤重金属污染

1.2植物修复技术概述

1.2.1植物修复技术发展简史

1.2.2植物修复技术优缺点

1.2.3植物修复技术分类

1.2.4植物提取技术与(超)富集植物

1.3影响植物修复的生物学过程

1.3.1重金属生物有效性

1.3.2重金属根系吸收过程

1.3.3重金属地上部转运过程

1.3.4植物重金属解毒和耐性机制

1.4土壤矿质元素空间异质性

1.5问题的提出

参考文献

第2章超富集植物东南景天对土壤Zn和Cd异质分布的响应

2.1研究对象与方法

2.1.1供试植物与土壤

2.1.2试验处理与设计

2.1.3植物培养与收获

2.1.4元素与数据分析

2.2结果与分析

2.2.1根系在不同Zn/Cd浓度斑块中分配比例

2.2.2金属空间异质性分布对植物Zn/Cd富集量影响

2.2.3金属空间异质性分布对植物生长及干物质累积影响

2.2.4地上部生物量与Zn、Cd浓度相关性

2.2.5地上部生物量与养分元素相关性

2.3讨论

2.4结论

参考文献

第3章富集作物白菜和玉米对土壤Cd空间异质性的响应

3.1研究对象与方法

3.1.1供试植物和土壤

3.1.2试验处理与设计

3.1.3植物培养与收获

3.1.4元素与数据分析

3.2结果与分析

3.2.1植物生长及干物质累积

3.2.2植物Cd浓度及富集量

3.2.3植物根系在不同Cd浓度斑块生长

3.2.4生物量与养分元素相关分析

3.2.5健康风险评估

3.3讨论

3.3.1土壤Cd空间异质分布下植物生长、根系响应

3.3.2土壤Cd空间异质分布对植物富集Cd影响

3.3.3土壤Cd空间异质分布对人体健康风险潜在影响

3.4结论

参考文献

第4章结论与展望

4.1本研究主要结论

4.2本研究创新点

4.3研究不足及展望

攻读硕士学位期间发表的论文

附录

致谢