生物炭调控植物摄收重金属的机制及其与AM真菌互作效应

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随着城市化、工业化的快速发展,土壤重金属污染不断加剧。作为新型环境功能材料,生物炭能够吸附固定土壤中重金属,促进土壤微生物活动,而丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌是土壤中广泛存在的有益微生物,其能够与植物形成共生体,保护宿主植物免受重金属的毒害,增强植物对重金属的耐性。研究表明,生物炭能够促进AM真菌孢子的萌发和生长。但是,在重金属胁迫条件下生物炭和AM真菌相互作用的效果及其对植物生长和吸收重金属的影响,目前研究仍缺乏。本研究以烟草和玉米为研究对象,分别开展了土壤灭菌试验、镉胁迫试验、重金属复合污染胁迫试验,研究生物炭和AM真菌对植物生长、生理特性、重金属吸收和土壤重金属形态变化,为土壤重金属污染修复提供理论依据,同时还探讨了生物炭和AM真菌对矿区退化土壤的改良效果。  结果表明:  生物炭和土壤AM真菌均能够增加Cd胁迫下烟草的生物量,降低烟草各部位Cd含量、土壤有效态Cd含量;生物炭对促进Cd胁迫下烟草生长和降低各部位Cd含量具有菌根效应。在6 mg·kg-1 Cd污染水平下,生物炭提高地上部和根系干重菌根效应为18.17%、23.17%,降低根、茎、叶镉含量的菌根效应分别为5.34%、14.08%、5.56%。  Cd胁迫下施用生物炭和接种AM真菌单独或复合处理均能提高玉米的株高、生物量、光合色素含量、光合特性和抗氧化酶活性;施用生物炭和接种AM真菌单独或复合处理均能降低玉米根、茎、叶、穗中重金属 Cd 含量,也能够有效降低土壤有效态Cd含量;接种AM真菌促进玉米生长效果优于生物炭,而生物炭更有利于促进土壤中Cd向活性低的形态转化,施用生物炭和接种AM真菌复合处理对促进 Cd 胁迫下玉米生长、改善玉米生理生化特性和降低重金属含量效果最佳。在6 mg·Cd kg-1水平下,施用生物炭和接种AM真菌复合处理使玉米叶片的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性、过氧化物酶(peroxidase, POD)活性、过氧化氢酶(catalase, CAT)活性分别提高51.42%、82.91%、43.96%,使玉米根、茎、叶和穗Cd含量分别降低50.06%、67.19%、58.04%、76.19%。  重金属复合污染条件下施用生物炭和AM真菌单独或复合处理均能够促进玉米生长,显著增加玉米植株氮磷钾累积量,提高玉米叶片SPAD值、光合特性和抗氧化酶活性;施用生物炭和AM真菌单独或复合处理均显著降低玉米植株重金属Pb、Cd、Cu、Zn含量和土壤有效态重金属含量;施用生物炭和AM真菌单独或复合处理均显著增加玉米根际土壤总球囊霉素和易提取球囊霉素,提高玉米菌根侵染率、根际土壤中菌丝密度和有机质含量。生物炭和丛枝菌根真菌结合更有利于玉米的生长,同时对降低植物重金属含量和土壤改良效应最佳。生物炭和AM 真菌复合处理土壤的总球囊霉素,易提取球囊霉素,菌丝密度和有机质含量分别较对照提高107.99%、101.01%、328.43%、24.29%。
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