近年来,土壤普遍存在“镉污染、氮富集”等问题,有关镉对氮循环的影响,以镉对植物氮素的吸收和代谢的研究较多,而镉对土壤氮循环相关酶和微生物的影响研究相对较少,未能阐明土壤镉影响氮循环的微生物学机制,也不能解释“镉污染”与“氮富集”之间的联系。因此,以本实验室筛选出的硝酸盐低、高积累小白菜[Brassica campestris L.ssp.Chinensis(L.)](品种L和品种H)为实验材料,采用盆栽和根箱培养的方法,运用稳定同位素示踪技术,探究不同水平土壤镉污染对两个品种小白菜的生长、氮素吸收与利用,以及土壤氮素转化的影响;采用现代分子技术q PCR和高通量测序技术(Illumina Miseq),研究土壤氮素转化过程中(硝化作用和反硝化作用)相关微生物数量与功能基因多样性,对比不同水平土壤镉污染条件下,根际土与非根际土之间、不同小白菜品种之间的差异,揭示镉污染水平影响植物-土壤系统中氮素吸收、利用与转化的微生物学机制,探究土壤镉污染与氮富集之间的联系,明确何等镉水平可导致菜地氮循环“链断裂”和“氮滞留”,为保障重金属污染土壤安全利用与生态安全提供理论依据。获得主要结果如下:(1)镉污染水平对植物生长和氮素利用率的影响研究表明,小白菜的生长对低浓度镉(0~0.5 mg/kg)具有一定耐受性,当施加镉浓度为10 mg/kg时,小白菜的生物量显著降低,品种H降幅较大;影响硝酸盐低、高积累品种小白菜(L和H)干重的土壤临界镉浓度分别为4.22和1.00 mg/kg;通过分析小白菜根系的生长发现,镉污染抑制了小白菜的主根长,显著降低了品种L小白菜的根系总长、总表面积、总体积和根尖数;两个品种小白菜对不同浓度镉胁迫表现出一定的差异,品种L的根系形态指标显著高于品种H,对镉的吸收积累能力较强,而受高浓度镉的抑制程度较低。植物氮素积累和利用对较低浓度镉污染具有一定耐性,在0~1.0 mg/kg土壤镉处理下,保持较稳定的水平,且在0.5 mg/kg镉处理时有略微增加。随着土壤镉污染水平的升高,两个品种小白菜对氮素的积累和利用均出现显著下降,硝酸盐高积累品种小白菜H降低幅度更大。在氮素含量较高的土壤中,影响硝酸盐低、高积累品种小白菜(L和H)氮素利用率的临界镉浓度分别为6.64和5.02 mg/kg。硝酸盐低积累品种L对氮素的吸收利用能力显著高于品种H,品种H受镉影响的变幅较大,镉阈值较低,表明其对镉胁迫更为敏感。(2)镉污染水平对植物吸收来自土壤和肥料氮素总量以及土壤氮素残留的影响在氮素含量较高的土壤中,随着土壤镉污染水平的升高,硝酸盐低积累品种小白菜L吸收来自土壤中氮素的总量(Nfs)逐渐降低,硝酸盐高积累品种小白菜H则表现为先升高后降低,影响品种L和品种H小白菜Nfs的土壤镉临界浓度分别为5.07和5.27 mg/kg;与Nfs变化趋势一致,随着土壤镉污染水平的升高,品种L吸收来自肥料中氮素总量(Nff)逐渐降低,品种H则先升高后降低,影响品种L和品种H小白菜Nff的临界镉浓度分别为5.83和6.03 mg/kg。硝酸盐低积累品种L吸收来自土壤和肥料中的氮素量均高于硝酸盐高积累品种H,这与其地上部氮素利用率较高的结果一致;随着土壤镉污染水平的增加,来自肥料中的氮素在土壤中的残留量逐渐增加,拟合结果表明,两个品种根际土的氮素残留量与镉浓度呈线性正相关关系,非根际土氮素残留量呈先增加后略有降低的趋势。(3)镉污染水平对土壤特性及氮组分的影响不同水平镉污染条件下,两个品种的土壤p H、有机质和全氮含量均无显著差异;根际土壤微生物氮无显著变化,而非根际土壤微生物氮随着镉污染水平的升高呈直线下降的趋势;土壤硝态氮含量随着镉浓度的升高逐渐增加,增加幅度逐渐减小,而铵态氮则随着镉浓度的升高逐渐降低,铵态氮所占比例较小,约为无机氮总量的14%,土壤无机氮总量随着镉污染水平的升高先增加后保持稳定,硝酸盐低、高积累品种小白菜L和H分别在镉浓度为7.11和7.13 mg/kg时,土壤无机氮总量达最大值。表明土壤镉污染条件下,氮素主要以硝态氮的形态残留在土壤中,使得土壤氮素富集和淋失风险增加。(4)镉污染水平对土壤氮素转化的影响随着镉污染水平的提高,土壤硝化微生物(AOB和AOA)丰度有所增加,促使了土壤铵态氮向硝态氮的转化,提高了土壤硝化酶活性,但其变化趋势与镉浓度之间没有相关性;本研究中,AOB对土壤硝化作用的贡献较大,AOA的贡献相对较小;镉胁迫降低了土壤反硝化微生物(nar G、nirS、nosZ)的丰度,进而抑制了土壤反硝化酶活性,种植小白菜品种H的土壤中反硝化微生物丰度受镉抑制程度较大,根际土与非根际土之间无显著差异。因此,土壤镉污染通过促进硝化作用,抑制反硝化作用,从而使土壤硝态氮含量升高,增加土壤氮富集风险。(5)土壤镉污染水平对土壤AOB群落组成多样性的影响土壤中AOB群落包含三类门水平:变形菌门Proteobacteria(71.9%)、Environmental_sample_k_norank(16.6%)和少量属于其他门类others(11.5%)。土壤镉污染并未改变土壤AOB优势种群,但较低浓度镉(1.0 mg/kg)对其群落组成多样性有一定程度的促进作用,并且改变了土壤中AOB群落组成的相对丰度,主要表现为,促进群落Environmental_samples_k__norank和Unclassified_k__norank_d__Bacteria生长,抑制群落Proteobacteria的生长,其中非根际土受影响程度较大,且达到显著水平。表明土壤镉污染一定程度上会改变AOB群落结构组成,进而影响其在硝化作用中的功能运用。(6)土壤镉污染水平对土壤nirS和nosZ群落组成多样性的影响土壤中nirS门水平的主要群落为(Unclassified_k_norank_d_Bacteria)(62.6%),Environmental_sample_k_norank(25.3%)和变形菌门(Proteobacteria)(12.0%),镉对根际土壤nirS微生物群落组成Alpha多样性指数和主要组成群落种类均没有显著影响,但Cd15降低两个品种根际土中特有OTU数,增加了非根际土壤中特有OTU数;Cd0和Cd1水平下,品种间、根际土与非根际土间Alpha多样性指数无显著差异,而Cd15水平下,非根际土多样性指数显著高于分根际土,品种H显著高于品种L。表明土壤镉污染对土壤nirS群落结构多样性无显著影响。土壤中nosZ在门水平上群落组成以变形菌门(Proteobacteria)占绝对优势,平均序列数占总序列的55.9%,其次是Unclassified_k_norank_d_Bacteria,占总序列的39.4%。土壤镉污染并未改变门水平种群种类,但是改变了其相对丰度,促进了群落Unclassified_k__norank_d__Bacteria的组成,而抑制Proteobacteria的组成。此外,Cd显著增加根际土中nosZ群落组成丰富度指数和多样性指数,提高了根际土中OTU多样性,高浓度镉促进作用较大;同时显著降低非根际土中丰富度指数,降低了非根际土中OTU多样性,低浓度镉处理抑制作用较大。种植小白菜品种H的土壤受镉污染影响程度较大;根际土丰富度指数和多样性指数均显著低于对照组,加镉处理下差异幅度有所降低。表明镉改变了土壤nosZ的群落组成结构,进而影响其在反硝化作用中的功能运用,种植小白菜品种H的土壤表现更敏感。