孔雀草和低积累油菜间作体系对镉污染土壤的修复作用

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重金属镉(Cd)污染问题越来越严重,土壤中的Cd通过植物进入食物链对人类健康造成严重威胁。蔬菜是人体膳食Cd的主要来源之一,而叶菜类蔬菜对Cd的累积能力高于其他蔬菜,因此在Cd污染菜地中叶菜类蔬菜的安全生产问题引起高度关注。本研究通过Cd超富集植物孔雀草与叶用油菜间作种植,旨在筛选对Cd污染土壤修复效果较好的间作组合;在此基础上,提出适合强化间作修复效果的较好调控措施;并通过根箱实验阐明间作处理下植物根际互作影响二者吸收Cd的作用机制。本研究可以为我国轻度Cd污染菜地的安全利用和污染修复提供技术支持。本研究的主要结果如下:为揭示Cd低积累作物与超富集植物间作对Cd污染土壤安全利用和提取修复的作用,通过盆栽试验,将两种Cd累积能力不同的叶用油菜(Brassica chinenesis L.,低积累油菜华骏和普通油菜寒绿)与四种孔雀草(Tagetes patula L.,矮杆红花、矮杆黄花、高杆红花、高杆黄花)间作,研究间作措施对两类植物生长、光合作用参数、Cd累积以及土壤有效态Cd和可溶性有机碳(DOC)含量的影响。结果表明:与单作相比,间作后油菜生物量显著降低,孔雀草生物量显著升高。间作处理中油菜叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率较单作均显著降低。华骏与矮杆红花间作时,华骏地上部Cd含量较单作显著降低14.5%,矮秆红花地上部Cd含量显著增加36.5%;其余间作处理下油菜地上部Cd含量均显著升高或无显著变化,而孔雀草地上部Cd含量无显著变化。间作处理下,油菜地上部Cd累积量较单作处理显著降低,孔雀草地上部Cd累积量显著升高。间作处理下土壤Cd提取率与孔雀草单作处理无显著差异。油菜地上部Cd含量与土壤有效态Cd以及DOC含量分别呈极显著和显著的正相关关系。总之,Cd低积累油菜华骏与孔雀草矮杆红花间作组合表现最佳,在Cd污染菜地土壤的修复和安全利用中有较好的应用价值。通过盆栽实验,研究添加巯基坡缕石,硫酸钾以及叶面喷施硫酸锰对单作和间作模式下植物生长与Cd累积以及土壤Cd形态的影响。结果表明:施用巯基坡缕石显著降低油菜和孔雀草地上部Cd含量、油菜Cd累积量、植物Cd提取率以及土壤有效态Cd含量,明显降低土壤可交换态Cd比例,提高土壤铁锰结合态Cd的比例。施用0.4 g·kg-1的硫酸钾显著增加孔雀草Cd累积量,降低间作油菜地上部Cd含量,施用硫酸钾在单作模式下增加土壤可交换Cd比例,降低残渣态Cd比例,而在间作模式降低油菜根际侧土壤可交换态Cd比例,提高其残渣态Cd比例。在单作模式下喷施0.6 g·L-1的硫酸锰使油菜地上部Cd含量和Cd累积量显著降低。从降低油菜地上部Cd含量保障安全生产,同时不影响植物Cd提取修复角度综合考虑,在间作模式下,施用0.4 g·kg-1的硫酸钾处理调控效果较好。通过根箱实验,研究在单作和间作模式下两种植物根系以及土壤pH、有效态Cd与总Cd含量的空间分布特征。结果表明:孔雀草根系较油菜发达。种植油菜提高土壤pH值,降低近根区域土壤总Cd和有效态Cd含量;而种植孔雀草降低土壤pH值,提高近根区域土壤总Cd和有效态Cd含量。间作处理下,孔雀草降低土壤pH值和提高近根区域有效态Cd含量的作用占据主导地位;孔雀草近根土壤有效态Cd含量低于单作处理,而油菜近根土壤有效态Cd含量高于单作处理,这是间作处理下二者地上部Cd含量变化的重要原因。
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