栎树(Quercus L.)与龙葵(Solanum nigrum)共植对土壤Cd、Zn修复效果的影响及植物间相互作用

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共植是加强植物修复重金属污染土壤的一种有前景的策略和可行的方法。为了评价不同共植模式对土壤重金属的修复效果、筛选修复效果好的共植模式以及探究不同共植模式下共植植物间的相互作用变化,本研究在Cd、Zn为主要污染物的重金属污染土壤上设计了150天的共植实验,共植处理分别为纳塔栎+龙葵(NS)、樱皮栎+龙葵(PS)和三者共植(NPS)处理,分别以纳塔栎(N)、樱皮栎(P)和龙葵(S)单作处理为对照。1.通过测定不同共植模式中植物的生物量、植物不同组织重金属浓度、重金属的单株积累量、各处理总积累量、植物对重金属的富集转运系数变化,结合不同共植模式的隶属函数值大小评价各处理的修复潜力,筛选效果好的共植模式。结果表明:(1)与单作相比,NS和PS处理促进了共植植物的生长,显著提高了纳塔栎和樱皮栎中重金属的平均浓度。其中,NS处理中纳塔栎植株Cd、Cu和Pb的平均浓度分别显著提高了44.58%,15.45%和15.60%,PS处理中樱皮栎植株Cd、Zn和Pb的平均浓度分别显著提高了42.23%,31.18%和41.90%。(2)进一步综合生物量和植物中的重金属浓度计算了植物的单株积累量和各处理植物的积累总量。NS处理和PS处理中纳塔栎里和樱皮栎植株重金属的单株积累量以及各处理的重金属积累总量均要高于单作处理。与单作相比,NS共植处理中纳塔栎对Cd的单株积累量显著提高了48.32%;PS共植处理中樱皮栎对Cd、Zn和Pb的单株积累量显著作提高了27.17%,59.26%和22.42%。PS处理对Cd、Zn、Cu和Pb总积累量和NS处理对Zn和Cu的总积累量显著高于纳塔栎和樱皮栎单作处理。PS和NPS处理虽然降低了龙葵植株中Cd和Zn的浓度,但对龙葵的单株积累量无显著影响,即NS和PS处理中龙葵促进了栎树对重金属积累的同时并保持了自身对重金属积累的稳定性。(3)共植处理影响了共植植物对重金属的富集和转运能力,进而改变了植物对重金属的吸收和转运。最后根据隶属函数排序结果,表明PS和NS处理在重金属污染土壤中的适应能力和修复能力更优。综上,龙葵与纳塔栎和樱皮栎共植,特别是两者共植处理,是一种很有潜力的土壤重金属植物修复的共植模式。2.探究了不同共植模式中共植植物的光合参数、光合色素含量的变化;叶片光谱参数的变化;植物不同部位矿质元素含量的变化以及土壤酶活性的变化来探究重金属胁迫下不同共植模式下共植植物间的相互作用变化。结果表明:(1)共植可以产生生态位的互补性。与单作相比,NS和PS处理分别显著提高了各处理中纳塔栎和樱皮栎的净CO2同化量,分别提高了21.44%和8.61%。所有共植处理均显著提高了纳塔栎(NS、NPS)和龙葵(NS、PS、NPS)的光合色素含量。(2)共植可以改变植物冠层的竞争互补关系,植物可以产生适应性变化。所有共植处理的植物间均存在一定的种间竞争胁迫,共植处理均增加了纳塔栎(NS、NPS)和龙葵(NS、PS、NPS)的冠层胁迫,而对樱皮栎的冠层胁迫性较小。PS处理显著增加了樱皮栎和龙葵的冠层水分含量。在所有共植体系中,龙葵(NS、PS、NPS)和纳塔栎(NS、NPS)叶片对光的利用率均高于单作。(3)共植也可以改变植物对营养元素的吸收。其中NS和NPS处理显著降低了纳塔栎中Ca的含量,这种变化主要是由于Cd元素含量的升高的毒性作用造成纳塔栎叶片和根中Ca含量的降低。在NS处理和PS处理中,共植增加了纳塔栎和樱皮栎中Mn元素的浓度,并且植株中Mn的平均含量均与相应组织的生物量成正相关,Mn元素在纳塔栎和樱皮栎生长过程中起到了必要的协助作用。Ca、K、P、S是龙葵中变化显著的营养元素,根据相关性分析发现Ca和K在龙葵地上部与Cd和Zn呈负相关,可能存在相互拮抗作用,相反的地上部P和S与Cd和Zn呈正相关并与植物对于Cd和Zn解毒作用有关。(4)共植可以对植物根际环境产生影响。与单作处理,NS处理显著降低了纳塔栎根际土壤过氧化氢酶的活性,PS处理显著提高了樱皮栎根际土壤碱性磷酸酶的活性,NPS处理显著提高了纳塔栎根际土壤淀粉酶的活性。综上,共植植物间存在不同相互作用机制,共植植物间胁迫竞争与互补作用会受到土壤重金属、植物种类和配置模式的共同影响。进一步探究其相互作用机制有利于我们认识共植系统植物修复潜力变化的内在规律。
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