刺槐幼苗根际微环境对大气CO2浓度升高和土壤Cd、Pb污染耦合的响应机制

摘要

升高的大气CO2浓度已成为全球环境变化的首要议题，同时，土壤镉（Cd）、铅（Pb）污染等日益严重，亦成为困扰现代社会的环境问题之一。当前，大气 CO2浓度升高与土壤重金属污染同时存在，二者耦合会影响陆地生态系统的功能与稳定性。因而，近年来有关高浓度CO2和土壤重金属污染对植物影响的研究日益增多，而植物根际微环境是由植物-土壤-微生物共同作用的微生态系统，土壤养分及有害物质均经由这一界面环境影响植物生长发育。论文以刺槐幼苗为研究对象，利用CO2开顶箱控制系统结合盆栽法，研究了幼苗根际土壤有机化合物、微生物区系及活性、微生物群落结构和酶活性对高浓度CO2（500μmol/mol和700μmol/mol）与Cd、Pb耦合作用的响应特征，探讨了幼苗根际微环境对二者耦合作用的响应机制，主要研究结果如下：
　　（1）高浓度 CO2显著促进了刺槐幼苗根际土壤总糖、氨基酸和有机酸含量，500μmol/mol CO2处理下的酚酸含量大于700μmol/mol CO2处理；单独Cd、Pb污染下，总糖、氨基酸和有机酸含量显著增加，而酚酸含量降低；Cd、Pb复合污染下总糖、氨基酸和有机酸含量高于单独Cd、Pb处理；高浓度CO2+Cd、CO2+Pb及CO2+Cd+Pb条件下，污染土壤中有机化合物随CO2浓度升高而增加。
　　（2）土壤pH值在单独高浓度CO2、Cd或Pb处理下显著降低；Cd、Pb复合污染较单独污染降低土壤中Cd去除率而增加Pb去除率，土壤中Cd、Pb去除率随CO2浓度升高而增加。
　　（3）500μmol/mol CO2对幼苗根际土壤细菌和放线菌数量及总微生物活性（FDA）的促进作用大于700μmol/mol CO2，真菌数量仅在700μmol/mol CO2条件下增加，微生物代谢商（Cmic-to-Corg）与微生物量碳（MBC）随 CO2浓度升高而增加。单独 Cd、Pb及复合污染对细菌和放线菌数量、MBC、Cmic-to-Corg以及FDA均呈抑制作用，且随Cd浓度升高抑制作用增强，真菌数量在不同重金属处理下未见显著变化，表明土壤真菌对重金属的敏感性小于细菌和放线菌。高浓度CO2与Cd、Pb污染耦合作用下，土壤微生物数量及活性较重金属污染下显著增加。
　　（4）高浓度 CO2和土壤 Cd、Pb污染下，幼苗根际土壤细菌、真菌群落结构整体表现为新物种出现或原有物种数量被丰富以及原有物种消失或数量被消减，但主要建种群未变。高浓度 CO2处理下未出现细菌和真菌新物种，但原有物种数量明显被丰富。Cd、Pb及其复合污染下，细菌和真菌物种丰富度降低，而真菌在刺槐生长60天时出现新物种，但在幼苗生长90天时消失，说明Cd、Pb污染可刺激微生物新种群短暂出现。（5）幼苗根际土壤脱氢酶、转化酶及脲酶活性随大气 CO2浓度升高而增加，L-天门冬酰胺酶活性逐渐降低，700μmol/mol CO2较500μmol/mol CO2降低了对β-葡萄糖苷酶活性的促进作用。单独 Cd、Pb污染下，脱氢酶、转化酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性下降，L-天门冬酰胺酶活性则分别呈降低和增加趋势，复合污染增强了对土壤酶活性的抑制作用。高浓度 CO2促进了重金属污染土壤中脱氢酶、转化酶和脲酶活性，抑制了L-天门冬酰胺酶活性。
　　（6）不同处理条件下主成分分析表明，总糖、氨基酸、酚酸、细菌和放线菌数量、FDA和Cmic-to-Corg具有较高载荷，是刺槐幼苗根际土壤微环境的主要因子。
　　上述结果表明大气CO2浓度升高引起的根际土壤有机化合物含量增加是缓减Cd、Pb污染对刺槐幼苗根际微环境胁迫效应的主要因素。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 大气CO2浓度升高对植物的影响

1.2 大气CO2浓度升高对植物根际微环境的影响

1.3 土壤重金属污染对植物的影响

1.4 土壤重金属污染对植物根际土壤微环境的影响

1.5 研究的目的、意义和内容

第二章 高浓度CO2和土壤Cd、Pb污染下根际土壤有机化合物

2.1 引言

2.2 实验材料与处理

2.3 项目测定方法

2.4 数据统计与分析

2.5 结果与分析

2.6 讨论

2.7 本章小结

第三章 高浓度CO2和土壤Cd、Pb污染下根际pH值及高浓度CO2对根际土壤Cd和Pb去除率的影响

3.1 引言

3.2 实验材料与处理

3.3 项目测定方法

3.4 数据统计与分析

3.5 结果与分析

3.6 讨论

3.7 本章小结

第四章 高浓度CO2和土壤Cd、Pb污染下根际土壤微生物区系及活性

4.1 引言

4.2 实验材料与处理

4.3 项目测定方法

4.4 数据统计与分析

4.5 结果与分析

4.6 讨论

4.7 本章小结

5.1 引言

5.2 实验材料与处理

5.3 PCR-DGGE

5.4 数据统计与分析

5.5 结果与分析

5.6 讨论

5.7 本章小结

第六章 高浓度CO2和土壤Cd、Pb污染下根际土壤酶活性

6.1 引言

6.2 实验材料与处理

6.3 项目测定方法

6.4 数据统计与分析

6.5 结果分析

6.6 讨论

6.7 本章小结

第七章 不同处理下根际土壤各因子主成分分析

7.1 引言

7.2 数据统计与分析

7.3 结果分析

7.4 讨论

7.5 本章小结

第八章 结论及展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献

致谢

附录 1：博士期间发表论文情况