本研究通过对陕西凤县铅锌污染矿区多种林木富集重金属元素的特征,以及不同树种根系丛枝菌根真菌(Arbuscular myc or rhiza l fungi,AMF)定殖情况的调查研究,选出适合当地环境并具有土壤重金属修复开发潜力的候选树种。对候选树种采用随机片段长度多态性分析技术(RFLP)测定了其根系和根际的AMF群落结构及其多样性特征,确定出铅锌污染矿区AMF的优势菌种和重金属抗性菌种。将优势菌种接种候选树种进行室内盆栽试验,研究重金属Pb胁迫条件下,优势AMF对候选树种生长、Pb富集特征、光合系统和抗氧化酶系统的综合影响,阐明AMF增强宿主植物重金属抗性和植物修复效率的机制,探讨优势AMF在植物竞争关系以及重金属修复效率中的作用。取得的主要结果如下:1.铅锌矿区林木对重金属的富集特征及根系AMF的定殖特征对陕西凤县铅锌矿区15种林木根系AMF定殖及重金属富集特征的调查研究表明,所调查的15种林木均可以与AM F形成共生结构—丛枝菌根(AM),且随着重金属Pb和Zn浓度的升高,林木根系的菌根侵染率(MC)、菌根侵染强度(M%)以及孢子密度(SD)逐渐降低,而其丛枝密度(A%)与土壤重金属Pb总浓度和二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取态Pb浓度显著正相关。15种林木中Pb、Zn、Cu和Cd的平均浓度分别为168.24 mg/kg、96.61 mg/kg、41.06 mg/kg和0.79 mg/kg,其中太白杨(Populus purdomii Rehd.)叶片中所积累的Zn和Cu浓度最高,分别为432.08 mg/kg和140.85 mg/kg,而Pb和Cd浓度的最大值分别发现于刺槐(Robinia pseudoacaci a Linn.)和小叶杨(Popul us simonii Carr.)的根系中。冗余分析(RDA)表明,丛枝菌根能够增强林木的重金属修复效率,且土壤pH、Pb、Zn和Cd的浓度对林木重金属富集特征具有显著影响。通过对15种林木中重金属浓度的统计分析发现,林木对重金属具有选择吸收性,能够将大量的Zn和Cu元素积累在植物地上部分而将大量的Pb和Cd元素优先固定在根系部位,这可能是植物能够在重金属污染土壤中定殖并正常生长的重要机制之一。根据植物重金属转移系数(TF)、富集系数(BCF)、生长速度以及生物量积累等评价标准,最终确定刺槐(R.pseudoac acia)、臭椿(Ailanthus altissima(M ill.)Swi ngle)、黄栌(Coti nus coggygria Scop.)、小叶杨(P.simonii)和太白杨(P.purdomii)这5种林木具有修复土壤重金属污染的潜在应用价值。2.铅锌矿区刺槐根系和根际土壤AMF群落多样性对铅锌污染矿区具有重金属污染修复潜在价值的豆科植物刺槐根系以及根际的amf群落结构及其多样性进行分析,结果表明,在重金属污染区域,刺槐根系能够与amf建立良好的共生关系,其平均侵染率变化范围为21.7%~39.3%,且随着土壤重金属浓度的增加而逐渐降低。对根系、土壤和孢子样品分别以amf特异引物(ns31/am1)扩增ssu区域的rrna片段,并通过rflp技术的筛选,最终得到58条amf基因序列,分为28个amf类群。其中涵盖amf的glomeraceae、claroideoglomeraceae、diversisporaceae、acaulosporaceae、pacisporaceae和gigasporaceae6个科,其中21%的基因序列来自于孢子单克隆,14%的基因序列来自于根系样品,18%的基因序列来自于根系、土壤和孢子样品。通过对所有克隆子的统计分析发现,glo9(与rhizophagusintraradices具有很高的相似性)、glo17(与funneliformismosseae具有很高的相似性)和acau3(与acaulosporasp.具有很高的相似性)为铅锌矿区刺槐根系和根际土壤的优势amf菌群。rda分析表明,土壤pb浓度、zn浓度、ph、有机质含量以及p水平能够显著影响amf群落结构及其多样性。在刺槐根系中,除glo6、glo7、glo8、glo9、glo17和dive1以外,其余amf种类受到土壤pb、zn含量、有机质以及p水平的显著抑制,而与土壤ph显著正相关;在根际土壤的amf群落结构中,只有glo4、glo17和acau3对重金属pb和zn具有较强的抗性,而其他amf种类受到土壤pb、zn含量的强烈抑制。非重金属污染区域比重金属污染区域具有更加丰富的amf多样性,非污染样地中amf物种数目和margalef丰富度指数分别是污染样地的1.43倍和1.49倍。3.amf增强刺槐抗pb性的作用机制利用条件可控的室内盆栽试验,研究了4个pb浓度(0、500、1000和2000mg/kgpb)胁迫水平下,2种amf(f.mosseae和r.intraradices)接种对宿主植物刺槐(r.pseudoacacia)生长、pb富集特征、气体交换参数、叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的影响。结果表明,amf接种显著降低了刺槐叶片中的pb浓度,并促进了其生物量的积累以及光合色素含量的增加。与对照相比,f.mosseae接种显著提高了pb胁迫条件下刺槐总生物量积累(26.17%~37.11%)、净光合速率(7.94%~49.86%)、叶绿素a(5.84%~41.27%)和叶绿素b(8.31%~18.06%)的含量;而接种r.intraradices对pb胁迫条件下刺槐幼苗的总生物量、净光合速率、叶绿素a和叶绿素含量分别提高了27.59%~56.02%、6.50%~74.59%、9.85%~34.95%和12.15%~15.11%。此外,amf接种明显增强了pb胁迫条件下刺槐幼苗叶片中超氧化物歧化酶(sod)、抗坏血酸过氧化物酶(apx)、谷胱甘肽过氧化物酶(gpx)活性。与对照相比,f.mosseae接种处理的刺槐幼苗叶片中的过氧化氢(h2o2)和丙二醛(mda)含量分别减少了15.67%~29.53%和27.92%~34.59%;而r.intraradices接种处理的幼苗其叶片中的h2o2和mda含量分别降低了20.47%~30.95%和33.04%~36.75%。并且,刺槐幼苗的菌根依赖度随着土壤重金属pb浓度的提高而逐渐增加,两者显著正相关(f.mosseae:f=0.643,P=0.001;R.intraradices:F=0.815,P=0.000)。然而,AMF接种未对刺槐叶片的过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(C AT)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性造成影响,这可能是由于不同种类的抗氧化酶对重金属Pb的耐受性不同所造成的。本研究进一步阐明了维持植物叶片光合系统以及自由基清除系统的效率可能是AMF缓解宿主植物免受重金属Pb毒害的重要机制。因此,菌根真菌F.mosseae和R.intraradices与刺槐联合修复土壤重金属Pb污染具有广阔的应用前景。4.Pb胁迫下AMF对重金属修复以及植物竞争关系的影响利用可控制条件的室内盆栽试验,研究了重金属Pb胁迫下AMF(R.intraradices)接种对植物重金属修复效率和林木-草本植物竞争关系的影响。结果表明,在单独种植模式下,豆科植物(刺槐、红三叶、紫花苜蓿)的菌根依赖度(MD)(0.13~0.27)显著高于黑麦草(-0.03~0.03),且豆科植物的MD随着土壤重金属Pb浓度的升高而逐渐增加(刺槐:F=0.832,P=0.001;红三叶:F=0.696,P=0.012;紫花苜蓿:F=0.749,P=0.005),而黑麦草的MD与重金属Pb浓度呈不显著的负相关关系(F=-0.261,P=0.412)。接种R.intraradices的豆科植物(刺槐、红三叶和紫花苜蓿)与对照相比,其总生物量分别增加了18.04%~28.21%、20.42%~32.48%和15.37%~27.82%;而AMF接种处理未对黑麦草的生物量积累造成显著影响。在共同种植模式下,豆科草本能够显著提高邻近植物的菌根侵染率(MC),而黑麦草却对邻近植物的MC有很强的抑制作用。AMF接种能够促进豆科植物对N、P、S和Mg元素的吸收和积累,但是未对植物体内Na、K和Ca的含量造成影响。豆科植物的出现显著降低了土壤pH(5.00%~8.64%),增加了土壤中Pb的有效性,使得土壤中DTPA-Pb浓度提高了13.55%~45.25%,从而增强了植物对重金属Pb的吸收和积累(8.45%~40.75%)。重金属Pb胁迫下的植物互作关系依然满足胁迫梯度假说(SGH),即随着外界环境胁迫程度的增加,植物间由竞争关系逐渐转变为相互合作关系。然而,本研究发现植物间的互作强度(RII)随着土壤Pb浓度的增加呈现出非线性关系:在豆科草本-刺槐的种植模式中,RII与Pb胁迫浓度呈现单峰型趋势线,而在黑麦草-刺槐的种植模式中,RII与Pb胁迫浓度呈现山谷型趋势线,这种非线性的变化关系可能是由于不同植物在Pb耐受性、AMF依赖度以及竞争能力等方面存在差异所造成的。在无重金属胁迫下,AMF接种扩大了豆科草本-刺槐间的竞争关系,而随着Pb胁迫程度的提高(500和1500 mg/kg Pb),AMF接种对植物间的互作关系影响不显著。本研究认为,AMF能够通过直接途径(影响生物量积累)和间接途径(影响营养元素吸收以及光合作用参数)影响植物间的互作关系;AMF接种处理下,刺槐周围配置豆科草本(红三叶和紫花苜蓿)作为地面覆盖植物能够在一定程度上提高土壤重金属Pb污染的修复效率。