伴矿景天对典型污染土壤的根际酸化机制及光伏下农田镉的吸取修复作用研究

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土壤污染是目前人类面临的最严重的环境问题之一。重金属超积累植物吸取修复技术具有成本较低、环境友好等优点,适用于大范围的重金属中低污染农田的修复。根系是植物与土壤发生物质和能量交换的器官,受根系影响的土壤即根际土壤,受影响的过程被称为根际过程。超积累植物根际具有活化土壤重金属、促进其吸收的能力,其中根际过程导致的pH变化直接影响土壤重金属的生物有效性。因此,研究这些过程并了解其影响因素和作用机制,可为提高植物修复效率、在中国不同区域污染农田推广实施植物吸取修复技术提供理论依据。
  伴矿景天是一种原产于中国的镉锌超积累植物,与大部分十字花科的超积累植物不同,其在不同土壤上具有普遍的根际酸化效应。本文围绕伴矿景天根际酸化效应的驱动因素及对土壤的影响开展研究,通过观测其阴阳离子不平衡吸收现象,发现超量的阳离子吸收是伴矿景天根际酸化的主要驱动力;采用平面光极技术高分辨率表征伴矿景天在4种不同土壤的根际pH分布特性,并进行根系核密度与土壤pH定量关系的拟合,测定土壤溶液中镉浓度(简称“[Cd]”)分布,对根系核密度、土壤pH及[Cd]进行相关分析和基于自相关图空间格局分析;进行光伏板下伴矿景天种植的田间试验,探讨气象因素对其生长、镉锌吸收及土壤性质变化的影响;开展耐荫植物鹅掌柴-伴矿景天间作盆栽试验,研究二者根系相互作用及对土壤性质变化的影响。论文研究工作取得了如下主要结果:
  (1)通过平面光极技术高分辨率表征伴矿景天和东南景天在4种不同土壤的根际土壤pH分布特征,发现两种景天在4种土壤中均显现根际土壤酸化效应,可使土壤pH降低0.1-0.62个单位,土壤性质影响了酸化程度。超量的阳离子吸收是导致两种植物根际酸化的主要因素,其中钙的吸收为阳离子吸收做出了主要贡献。高分辨率的表征发现两种景天全部根际土壤均出现酸化,且土壤pH随根系密度的增加而降低。
  (2)对根系构型数据进行核密度分析,并对根系核密度和土壤pH的高分辨率进行指数曲线拟合,发现两种景天根际土壤pH与根系密度呈负相关关系,伴矿景天根系核密度解释了土壤pH的28.0%-43.8%变异。在韶关红壤和杭州水稻土两种土壤中伴矿景天根际土壤溶液镉浓度较非根际分别增加342%、296%,表明伴矿景天根系对镉具有显著的活化作用。自相关图分析表明根系密度与土壤pH间具有相似的空间格局。在镉具有显著活化作用的处理中,土壤溶液镉浓度的空间格局与根系核密度和土壤pH具有相似性,均表明其空间异质性具有因果联系:植物根际作用是细尺度上土壤性质空间异质性的主导因子之一。空间分析的方法具有从高分辨率土壤性质数据中进一步挖掘信息的潜力。
  (3)首次报道了污染耕地“板上光伏发电-板下植物修复”综合利用模式的一个案例。在光伏板下种植伴矿景天,其中光伏板下平均遮荫率较大,但未限制修复植物伴矿景天的生长,相反遮荫导致的温度下降促进了炎热季节伴矿景天的生长。伴矿景天在本研究的光伏体系中保持了较高的镉锌吸收能力,单季可通过地上部吸收土壤镉和锌分别达1.13-1.45kg ha-1、32.7-56.7kg ha-1,具有良好的修复应用潜力,是一种值得推广的污染耕地综合利用模式。
  (4)盆栽试验条件下,伴矿景天与另一耐荫花卉植物鹅掌柴间作,二者根系具有相互抑制的作用,并影响了伴矿景天地上部生长和镉锌吸收;间作系统较伴矿景天单作相比其镉、锌修复效率降低,降低量分别达30.0%、30.6%。两种植物根系使土壤养分性质发生变化,对土壤钾和磷分别具有竞争和互补利用的现象,但其有效态浓度并未降低到亏缺水平,养分竞争可能不是两种植物根系相互作用的主要因素。水培试验表明,鹅掌柴根系分泌物对伴矿景天的生长和镉吸收具有抑制作用。
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