间作系统中续断菊与作物Cd、Pb累积特征和根系分泌低分子有机酸机理
Accumulation Characteristics of Cd,Pb and the Root Secretion Mechanism of Low Molecular Organic Acids in Sonchus Asper and Crop Intercropping System

矿区周边农田土壤重金属污染日益严重,严重威胁着粮食安全.富集植物与农作物间作的植物修复技术,不需要停止种植土地进行植物修复,在正常开展农业生产的同时,开展重金属污染土壤治理,收获符合卫生标准的农产品,具有较强可行性与开发潜力.选择适当的植物种类,尽可能提高超富集植物对重金属的吸收,降低与之间作的农作物重金属含量,是植物修复途径的新思路.植物根系分泌的低分子量有机酸影响重金属离子在根-土界面上的吸附-解吸、配位-解离等反应,最终改变土壤中重金属的赋存形态和生物有效性,进而影响植物对重金属的吸收累积.在重金属污染土壤中富集植物与作物间作后,根际环境、植物体内低分子量有机酸和植物吸收累积重金属密切相关,但其作用机制并不清楚.因此,本文以云南会泽铅锌矿区筛选出的本土富集植物续断菊和玉米、蚕豆间作为研究对象,通过盆栽和水培试验,研究了间作对续断菊和作物Cd、Pb累积特征的影响,分析了间作植物根系分泌的低分子量有机酸对根际土壤Cd、Pb形态的影响、植物体内的低分子量有机酸与植物Cd、Pb的生物积累,着重探讨间作条件下植物根系分泌低分子量有机酸与Cd、Pb吸收的响应及机制.主要研究结果如下:(1)续断菊、蚕豆和玉米亚细胞Cd、Pb的含量分布为:细胞壁>可溶组分>细胞器,Cd、Pb主要贮存在植物细胞壁中,叶片中Cd以去离子水提取态为主,Pb以氯化钠提取态为主.与单作相比,(1)间作后续断菊细胞壁、细胞器和可溶部分Cd、Pb含量显著增加了15.7%38.6%,玉米各亚细胞组分Cd、Pb含量显著降低,蚕豆地上部各亚细胞组分Cd含量显著降低;间作增加了Cd、Pb在细胞壁中的比例.(2)间作后续断菊叶片各提取形态Cd、Pb含量显著增加,玉米叶片各提取形态Cd、Pb含量显著降低,蚕豆叶片各提取形态Cd含量显著降低.(3)盆栽试验中,间作续断菊体内Cd、Pb含量显著增加了30.6%144%,玉米Cd、Pb含量显著降低了23.1%和24.3%,蚕豆Pb含量显著降低了22.2%.结果表明,间作促进了续断菊对Cd、Pb的累积量,同时抑制了玉米、蚕豆各部位Cd、Pb的积累量,其中续断菊与玉米间作系统优于续断菊蚕豆间作系统.(2)续断菊、蚕豆和玉米地上部、根部和根系分泌低分子量有机酸都以草酸和柠檬酸为主,占总有机酸的80.3%99.2%.间作改变了根系分泌物中有机酸的种类和含量.土培条件下,间作续断菊根系分泌物中增加了乳酸,但却减少马来酸和琥珀酸;蚕豆根系分泌物中减少了乳酸和琥珀酸.间作续断菊和蚕豆根系分泌总有机酸含量显著增加了9.7%43.3%,水培条件下,间作续断菊、玉米根系分泌总有机酸含量比单作显著增加了22.6%102.5%.(3)植物根系分泌的有机酸可以活化根际土壤中的Cd、Pb,影响Cd、Pb在植物各部位的积累.在土培试验中,续断菊根系分泌草酸、柠檬酸显著增加了23.9%75.4%,土壤可交换态Cd、Pb含量显著增加,玉米根系分泌柠檬酸和草酸含量显著降低,土壤有效态Cd、Pb含量显著降低,根系分泌柠檬酸和草酸与根际土壤有效态Cd、Pb含量显著正相关,与植株各部分Cd、Pb含量显著正相关,土壤有效态Cd、Pb含量与植物体内Cd、Pb含量显著正相关.因此,根系分泌草酸、柠檬酸改变了续断菊、玉米根际土壤Cd、Pb的有效态含量,促进了续断菊对Cd、Pb的吸收累积,抑制了玉米体内Cd、Pb的累积量.间作续断菊与玉米Cd、Pb吸收与根系分泌的草酸和柠檬酸及其介导的土壤Cd、Pb生物有效性的变化有关.水培条件下,续断菊、玉米和蚕豆根系分泌草酸和柠檬酸与植物各亚细胞组分Cd、Pb含量间有较好的相关性,表明间作通过改变了植物根系分泌草酸和柠檬酸的量来影响了Cd、Pb在各亚细胞组分中的分布和贮存.(4)Cd、Pb胁迫下,间作续断菊、蚕豆和玉米地上部和根中的有机酸差异较大,续断菊、玉米和蚕豆根系分泌有机酸与地上部和根部有机酸含量显著正相关,植物地上部和根中6种有机酸显著正相关,可能是Cd、Pb影响植物根系分泌低分子量有机酸,导致有有机酸在植物体内的积累与贮存发生改变,影响Cd、Pb在植物体内的分布.续断菊、蚕豆和玉米地上部和根部草酸与植株Cd、Pb含量显著正相关,与地上部细胞壁中Cd、根部液泡中Cd含量极显著正相关,与根部细胞壁、细胞器和液泡中Pb含量显著正相关,表明草酸参与了植物体内Cd、Pb的积累与贮存,并把Cd、Pb最终贮存在细胞壁和液泡中.(5)外源有机酸试验结果表明:添加草酸和柠檬酸增加了根际土壤可交换态Cd、Pb含量,促进了续断菊地上部和根部Cd、Pb累积量.续断菊与玉米间作时根际土壤有效态Cd、Pb含量与植物Cd、Pb含量显著正相关,相关系数分别为0.910(P<0.05)和0.932(P<0.05),添加草酸、柠檬酸影响土壤Cd的形态转化而促进续断菊和玉米对Cd的吸收和积累.续断菊与蚕豆间作时,外源添加草酸和柠檬酸能够活化根际土壤中的Cd、Pb,10mg·kg-1草酸、12 mg·kg-1柠檬酸活化效果最好.柠檬酸添加能够促进间作系统中续断菊和蚕豆对Cd的累积,草酸添加促进了续断菊对Pb的积累而抑制了蚕豆体内的Pb积累量.(6)Cd、Pb胁迫下,通过喷施不用浓度比例的多菌灵,续断菊和蚕豆地上部、根部生物量显著提高,续断菊地上部和根部Pb、Cd含量显著增加,蚕豆地上部和根部Cd、Pb的含量增加,喷施适宜浓度的多菌灵,不仅有效的提高了超富集植物续断菊对重金属污染土壤的修复效率,而且还在一定程度上促进了蚕豆的生长.