硫肥对水稻根际中镉的生物有效性与微生物群落结构的影响

摘要

近年来我国土壤镉(Cd)超标现象污染状况日益严重，因土壤镉超标导致的粮食安全问题已引起了国家重视。如何采用有效方法控制农田镉污染，切实保障粮食安全生产已成为当今植物营养研究热点之一。硫是农作物生长发育所必需的大量元素之一，我国多省份农田土壤处于缺硫状态。硫元素形态转化直接或间接的影响土壤中重金属的生物有效性。因此，调控土壤中硫素营养对保障农业生产方面和阻控农产品重金属过量积累均具有重要的现实意义。土壤中的硫素营养影响作物吸收镉的作用机制尚不清楚。同时，土壤和根际微生物在土壤硫形态转化和重金属的根系吸收等方面起到至关重要的调控作用。但目前国际上有关添加硫肥是否/如何通过影响根际微生物的组成来调控作物对镉的吸收尚少见报道。综上，研究硫肥对水稻根际中镉的生物有效性与微生物群落结构的影响对指导中轻度镉污染农田的粮食安全生产具有重要的指导意义。本论文以镉低积累水稻品种为研究对象，采用温室培养模拟实验，利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、扫描电镜X射线能谱仪(SEM-EDAX)以及16S rRNA基因扩增子测序技术等技术手段结合传统的化学分析方法，研究了在两种培养模式（长期淹水和干湿交替）下，两种形态的硫肥（S0和Na2SO4）施加对镉(Cd)在水稻根际中生物有效性与微生物群落结构的影响，主要研究结果如下:
　　(1)通过土壤培养实验，采用ICP-MS等传统化学分析方法分析了硫肥调控下硫镉的分布特征及硫肥施用效果。土壤硫肥的施加可显著增加根际微域及非根际土壤有效态硫，且干湿交替较持续淹水效果更佳。土壤中外源施加硫肥明显提高了水稻的生物量及产量，施加S0的水稻生长促进效率大于Na2SO4形态硫肥，且以淹水培养模式条件下，施用S0形态硫肥，水稻的生长和籽粒产量最佳。两种培养模式条件下，两种形态的硫肥均可降低水稻根际土中有效态镉含量，从而降低水稻籽粒中镉的含量，且淹水条件下水稻籽粒中镉的积累量相对较少。从上述结果可知，镉污染稻田土壤中适量增施硫肥（尤其是S0），并适当延长淹水时间可有效降低土壤镉的生物有效性，是阻控水稻籽粒积累镉的有效措施。
　　(2)采用SEM-EDAX和ICP-MS等技术分析了硫肥施加如何影响水稻根表胶膜的形成。稻田土壤中施加硫肥（100mg/kg S0和100mg/kg Na2SO4）均可促进水稻根表胶膜的形成。相同硫含量的S0比Na2SO4形态硫肥胶膜促进效应更大。而在相同的处理组中，淹水条件下培养的水稻根表胶膜含量远高于干湿交替条件下培养的水稻根表胶膜含量。水稻根表胶膜主要附着在根外表皮上，由Fe、O、S、Al等元素组成。附着在外表皮上的胶膜可吸附一定量的镉，水稻根表胶膜的阻隔和土壤中镉的生物有效性降低共同导致水稻根、茎、叶和籽粒中镉含量的降低。可见，外源添加硫肥促进水稻根表胶膜的形成来吸附根土界面中的镉离子是其有效阻控水稻根系吸收与积累镉的机制之一。
　　(3)采用土壤根袋的培养方式，基于16S rRNA基因扩增子测序技术分析了在不同模式下施用硫肥水稻根际细菌群落结构差异。淹水条件下硫肥的施加提高了细菌群落的α-多样性，改变了土壤细菌的群落结构。在两种培养模式下、不同形态的硫处理条件下，水稻根际特异性群落的组成不尽相同。但在各个处理中均发现，Gammaproteobacteria菌门的丰度最高，特别是在干湿交替条件下，外源添加100mg/kgNa2SO4，水稻根际的互营杆菌属Syntrophobacteraceae尤为丰富。推测Syntrophobacteraceae菌属在施用硫肥缓解镉胁迫方面可能扮演重要角色。而在淹水条件下，S0和Na2SO4处理组的根际特异性细菌多是厚壁菌门Firmicutes的类芽孢杆菌Paenibacillus以及芽孢杆菌属Bacillus以及红螺菌Rhodospirillaceae，这些细菌都是具有金属耐性和促生作用的。上述研究结果表明，淹水处理和添加硫肥均会明显影响水稻根际微生物的群落组成，形成丰富的特异根际微生物（如Syntrophobacteraceae、Paenibacillus、Bacillus等），从而影响根际土壤硫素营养和镉的生物有效性，是其影响水稻籽粒镉积累的另一潜在原因。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

主要缩略词表

第一章 文献综述

1．1 农田土壤铺污染

1．1．2 农田土壤镉污染现状

1．1．3 镉对动植物的作用及毒性

1．1．4 我国稻米镉污染现状

1．2 硫肥效应与对镉形态转化的影响

1．2．1 我国土壤硫素情况与硫肥农业效应

1．2．2 土壤硫形态转化

1．2．3 硫对稻田土壤镉形态转化的影响

1．3 施用硫肥对土壤微生物生态的影响

1．3．1 硫循环过程中微生物的作用

1．3．2 SOB和SRB的氧化还原机制及生态学意义

1．3．3 微生物群落多样性的研究方法

1．4 研究内容与意义

1．5 研究技术路线

第二章 水稻根际中镉的生物有效性及其硫肥调控作用

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 供试土壤

2．2．2 水稻植株培养与试验设计

2．2．3 样品采集

2．2．4 样品分析

2．2．5 数据分析

2．3 结果与分析

2．3．1 水稻长势及生物量

2．3．2 水稻株高

2．3．3 水稻不同组织镉和硫含量

2．3．4 水稻根中和地上部积累量

2．3．5 土壤镉总量及有效态含量分析

2．3．6 土壤总硫及有效硫分析

2．3．7 水稻根表胶膜元素组成及含量

2．4 讨论

第三章 硫肥作用下镉污染土壤水稻根际土壤细菌群落结构特征

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 植物与土壤材料准备

3．2．2 盆栽试验

3．2．5 16S测序数据分析和处理

3．3 结果与分析

3．3．1 细菌群落α-多样性

3．3．2 细菌群落结构

3．3．3 水稻根际特异细菌群落组成

3．3．4 干湿交替条件下施加硫肥水稻根际关键特异细菌

3．4 讨论

第四章 综合结论与研究展望

4．1 综合结论

4．2 主要创新点

4．3 研究展望

参考文献

硕士期间研究成果