（环境科学专业论文）根际微域重金属形态变化及其迁移转化研究.pdf

摘要 ( 3 ) 外源p b 胁迫下，在根际微域环境( 0 - - - , 4 5 m m ) 内，c u 元素各形态呈 现出：可氧化态含量 可还原态含量 弱酸提取态；f e 大致呈现出以下趋势：弱 酸提取态含量 可还原态含量 可氧化态含量。 外源c u 胁迫下，测得弱酸提取态在距中心根室1 5 - - 3l n l i l 处含量高于根尖 处，而可氧化态含量在距中心根室3 - 4 5n l i r l 处含量最高，可还原态含量在根 尖0 - - 4 5 m m 范围内变化不大。f e 元素在c u 胁迫下，根际微域层间弱酸提取态 含量 可还原态含量 可氧化态含量。 p b + c u 复合胁迫下，根际微域层间c u 大致呈现出弱酸提取态含量 可氧化 态含量 可还原态含量，并有波动和不稳定的现象。f e 大致呈现出弱酸提取态含 量 可还原态含量 可氧化态含量。 m n 元素在p b 、c u 、p b + c u 胁迫下，各微域层问均呈现出相同的趋势，即 弱酸提取态含量 可还原态含量 可氧化态含量。 p b 元素在p b 、c u 、p b + c u 胁迫下，均呈现出相同的趋势，即可氧化态含量 可还原态含量 弱酸提取态含量。 ( 4 ) 水位变化对根表铁锰氧化膜中c u 、f e 、m n 含量有一定的影响，在水 位2 3 c m 下，根表膜中c u 、f e 、m n 含量最高，说明铁膜能增加对c u 、f e 、 m n 的吸附，而水位对p b 的影响较小。 在水位2 - - 3 c m 下，根表铁膜中f e 含量与根表铁膜中c u 含量、c u 的弱酸 提取态含量和c u 的可氧化态含量有明显相关性，而与c u 的可还原态含量没有 相关性。根表铁膜中f e 元素的含量与f e 的可氧化态含量有明显的相关性，同 时铁的可氧化态与铁的可还原态有明显的相关性。根表铁膜中的f e 含量与根表 铁膜中的m n 含量、m n 的可还原态和m n 的可氧化态有明显的相关性。根表铁 膜中的p b 含量与p b 可还原态含量表现出一定的相关性。 关键字：湿地植物、根表铁锰膜、重金属、根箱法 a b s t r a c t a b s t r a c t r h i z o s p h e r es o i la n dd e p o s i t sn e a rt h es h o r ei si n f l u e n c e db yt h ep l a n tr o o t sa n d i t sa c t i v e m i c r o z o n e ，t h ea r e a si sp r o v i d e dw i t h s p e c i a lp h y s i c a l ，b i o l o g i c a l c h a r a c t e r s t h ed i s t r i b u t i o n ，a c c u m u l a t i o na n d b i o l o g i c a le f f e e t i v e n e s so fh e a v y m e t a l si nt h er h i z o s p h e r ee n v i r o n m e n ta r ea f f e c t e db yt h eh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n so f w e t l a n d ，t h ei r o np l a q u ei nt h er o o to ft h ew e t l a n dp l a n t sa n dr o o te x u d a t e s t h eo b j e c t so ft h i sp a p e rw e r ea b o u tt h ew e t l a n dp l a n t s ( a s hc a r e x ) a n dw e t l a n d s o i l si nn a n jih i l li np o y a n gl a k e u s i n gt h em e t h o do fi n v e s t i g a t i o n ，s a m p l i n g ， r h i z o s p e r eb o xe x p e r i m e n t ，a q u i c u l t u r ee x p e r i m e n ta n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s t h i s p a p e rs t u d i e do nt h ed i v e r s i f i c a t i o no fh e a v ym e t a l ss p e c i a t i o n ，t r a n s p o r td i s c i p l i n eo f h e a v ym e t a l so nt h ec o n d i t i o n so fw a t e rl e v e la n dt h eh e a v ym e t a ls t r e s s ( i n c l u d i n g s i n g l ep bs t r e s s ，s i n g l ec us t r e ea n dc o m p o u n dp b c us t r e e ) t h ep a p e r a l s od i s c u s s e d t h ei r o np l a q u ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r so f h e a v ym e t a la n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ni r o n p l a q u ea n dt h es p e c i a t i o no fh e a v ym e t a l si nr h i z o s p e r e t h er e s u l t sw e r e ： ( 1 ) i nt h er h i z o s p h e r eb o xe x p e r i m e n t ，a d d e ds i n g l ec uo rp b t h ec uo rp b c o n t e n ti nt h ep l a n tw a si n c r e a s e d ；a d d e dc ua n dp bt o g e t h e r ，t h ec o n t e n t so fp bo r c uw e r em o r et h a nt h ec o n t e n t su n d e rt h ec o n d i t i o no na d d e ds i n g l e c uo rp b i t s h o w e dt h e s y n e r g i s t i ce f f e c t c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o lb l a n kg r o u p a d d e ds i n g l e c uo rp b c ut o g e t h e r , t h ec ue l e m e n tw a s t r a n s p o r t e dt ot h eg r o u n dp a r to ft h ep l a n t s ： a d d e ds i n g l ec u ，t h ep be l e m e n tw a st r a n s p o r t e dt ot h eg r o u n dp a r to ft h ed l a n t s i t w a sg o o df o rt h ee n r i c h m e n to fh e a v y m e t a li nt h ep l a n t s a d d e ds i n g l ec uo rp ba n d a d d e dc u p bt o g e t h e r , t h ee l e m e n to fm n a n df ew e r et r a n s p o r t e dt ot h eg r o u n dp a r t o ft h ep l a n t s i tw a sb a df o rt h ee n r i c h m e n to fh e a v ym e t a li nt h ep l a n t s t h et o t a l c o n t e n to fc ui ns o i lc o r r e l a t e dw i t ht h ec o n t e n to fc u i nt h eu n d e r g r o u n dp a r to ft h e p l a n t t h ef ec o n t e n ti nt h ei r o np l a q u ec o r r e l a t e dw i t ht h ef ec o n t e n ti nt h e u n d e r g r o u n dp a r to ft h ep l a n t s ( 2 ) i na q u i c u l t u r ee x p e r i m e n t ，a d d e ds i n g l ec uo rp b ，t h ec uo rp bc o n t e n ti nt h e p l a n tw a si n c r e a s e d ；a d d e dc ua n dp bt o g e t h e r , t h ec o n t e n t so fp bo rc uw e r el e s s a b s t r a c t t h a nt h ec o n t e n t su n d e rt h ec o n d i t i o no na d d e ds i n g l ec uo rp b ，i ts h o w e dt h e a n t a g o n i s t i ce f f e c t c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o lb l a n kg r o u p ，a d d e ds i n g l ec uo rp b a n dp b c ut o g e t h e r , t h ec ua n dm ne l e m e n t sw e r er e s t r a i n e dt ot r a n s p o r tt ot h e g r o u n dp a r to ft h ep l a n t s ，b u tt h ef ee l e m e n tw a sp r o m o t e dt ot r a n s p o r tt ot h eg r o u n d p a r to ft h ep l a n t s a d d e dp bo rp b c ut o g e t h e r , t h ep be l e m e n tw a sp r o m o t e dt o t r a n s p o r tt ot h eg r o u n dp a r to f t h ep l a n t s t h ep bc o n t e n ti ns o l u t i o nc o r r e l a t e dt h ep b c o n t e n ti ni r o np l a q u e 1 1 1 ef ec o n t e n ti nt h eg r o u n dp a r tc o r r e l a t e dw i t ht h ef e c o n t e n ti nt h eu n d e r g r o u n dp a r ti nt h ep l a n t s t h e r ew a sn oc o r r e l a t i o na b o u tm n t h e c uc o n t e n ti ni r o np l a q u ec o r r e l a t e dw i mt h ec uc o n t e n ti nt h es o l u t i o na n df e c o n t e n ti ni r o np l a q u e ( 3 ) a d d e dp b ，i nt h er h i z o s p h e r e ( o 4 5 m m ) e n v i r o n m e n t ，i ts h o w e dt h a tc u r e d u c i b l ef r a c t i o n c uo x i d a t i v ef r a c t i o n c ua c i ds o l u b l ef r a c t i o na n d f ea c i d s o l u b l ef r a c t i o n f eo x i d a t i v ef r a c t i o n f er e d u c i b l ef r a c t i o n a d d e dc u ，t h ec o n t e n to fc ua c i ds o l u b l ef r a c t i o nw a st h em o s tn e a rt h em i d d l e o ft h er o o tb o xf o r1 5 - 3i n n 1 b u tt h ec o n t e n to f f er e d u c i b l ef r a c t i o ni st h em o s tf o r 3 - 4 5m m t h ec o n t e n to ff eo x i d a t i v ef r a c t i o nw a sp r o b a b l yt h es a m e a n di ta l s o s h o w e dt h a tf ea c i ds o l u b l ef r a c t i o n f eo x i d a t i v ef r a c t i o n f er e d u c i b l ef r a c t i o n a d d e dc ua n dp bt o g e t h e r , i ts h o w e dt h a tc ua c i ds o l u b l ef r a c t i o n c uo x i d a t i v e f r a c t i o n c ur e d u c i b l ef r a c t i o nf l u c t u a n ta n du n s t a b l e ，f ea c i ds o l u b l ef r a c t i o n - f e o x i d a t i v ef r a c t i o n f er e d u c i b l ef r a c t i o n a d d e dp bo rc uo rp b c ut o g e t h e r , i ts h o w e dt h a tm na c i ds o l u b l ef r a c t i o n m n o x i d a t i v ef r a c t i o n m nr e d u c i b l e f r a c t i o n ；p br e d u c i b l e f r a c t i o n p bo x i d a t i v e f r a c t i o n p ba c i ds o l u b l ef r a c t i o n ( 4 ) o nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tw a t e rl e v e l ，t h ec o n t e n to fc u ，f e ，m ni ni r o n p l a q u ew e r ea f f e c ta n d t h ec o n t e n t sw e r et h em o s to nt h ew a t e rl e v e ro f2 - 3 c m ，i t i si l l u s t r a t e dt h a ti r o np l a q u ec a na b s o r bh e a v ym e t a lc u ，f e ，m n h o w e v e r , p bw a s n o ta f f e c t e db yt h ew a t e rl e v e ro f2 - 3 c m o nt h ew a t e rl e v e lo f2 - 3 c m ，t h ef ec o n t e n ti ni r o np l a q u ec o r r e l a t e dw i t ht h e c uc o n t e n ti ni r o np l a q u e ，t h ec uc o n t e n to fa c i ds o l u b l ef r a c t i o ni n s o i la n dt h ec u c o n t e n to fr e d u c i b l ef r a c t i o n t h ef ec o n t e n ti nt h ei r o np l a q u ec o r r e l a t ew i t ht h ef e c o n t e n to fr e d u c i b l ef r a c t i o n b u tt h e yd i d n tc o r r e l a t ew i t ht h ef ec o n t e n to fo x i d a t i v e i v a b s t r a c t f r a c t i o na n dr e d u c i b l ef r a c t i o n t h ef ec o n t e n ti ni r o np l a q u ec o r r e l a t e dw i t ht h em n c o n t e n ti ni r o np l a q u e ，t h em nc o n t e n to fo x i d a t i v ef r a c t i o na n dt h em nc o n t e n to f r e d u c i b l ef r a c t i o n t h ep bc o n t e n ti ni r o np l a q u ec o r r e l a t e dw i t ht h ep bc o n t e n to f o x i d a t i v ef r a c t i o n k e y w o r d s ：w e t l a n dp l a n t ，i r o np l a q u e ，h e a v ym e t a l ，r h i z o s p h e r eb o x v 第一章引言 第一章引言 根际是旱地或湿地土壤中受植物根系及其生长活动影响的微域土区，具有 与土体不一样的物理、化学和生物性质。这个微域一般是指离根轴表面数毫米 之内的范围，具有与土体明显不一样的物理、化学和生物性质。微域环境中的 p h 值、氧化还原电位和微生物活动等都与土体有着非常明显的差别。根际环境 不仅对探讨土壤植物根系两者相互作用的理论很有意义，而且随着植物修护在 治理环境污染中的地位日益显著，将越来越显示出根际效应与污染物的迁移转 化有直接关系，为植物修护提供更多有意义的理论基础。根际受植物根系分泌 物、根际微生物及根系自身的生长活动的影响，这些特殊的物理、化学和生物 性质对重金属的迁移转化、形态变化及生物有效性有着巨大的影响i l j 。 植物的根际是植物与外界进行物质、能量交换的重要场所，有机物、重金 属等污染物的降解主要集中在植物根区。研究发现，湿地植物在长期的浸水条 件下产生了一系列适应水生环境的特征，许多湿地植物有发达的通气组织 2 - 3 ， 促使氧气向植物的根部运输，使得根际微域环境处于相对氧化的状态，从而微 域中的还原性f e 、m n 被氧化，在根表形成红棕色的铁锰氧化膜，因而减少了植 物对还原性物质的吸收。由于根际微域特殊的物理、化学及生物性质，直接影 响到铁锰元素、一些重金属元素及营养元素的存在形式和植物有效性【4 j 。 重金属的生物毒性除了与其总量有关，更大程度上是与其形态分布有关。 不同的形态产生不同的环境生态效应，直接影响到重金属的生物毒性、迁移转 化及其在自然界中物质循环过程。所以重金属的形态及其转化对研究重金属的 生态效应及治理修复受重金属污染的土壤具有重要意义【5 】。目前根际微域的研究 方法是利用根箱法来区分根际土与非根际土，但是这个方法主要运用于旱地植 物，而在湿地植物中的运用较少。本论文将根箱法运用于湿地植物对重金属形 态变化及其迁移转化的研究中，同时探讨湿地植物特有的根表铁锰氧化膜与根 际微域土壤重金属的根际效应。 鄱阳湖湿地天然植被主要分布于9 - - 一1 5 m 高程的洲滩，从岸边向湖心随高程 的变化呈带状分布，分别为湿生、挺水、浮叶、沉水4 个植物带。南矶山湿地 位于鄱阳湖南部，赣江三角洲前沿地带，在南昌市新建县界内，区内除南山岛 和矶山岛( 乡行政机构所在地，面积仅4 k m2 ) 外，其余为洲滩和水域，总面积 第一章引言 约3 3 0 k m2 。洲滩淹没时间视当年具体水文情势一般在3 5 个月不等，非淹水时 间长达7 9 个月。多年平均气温1 7 6 ，平均降水量为1 4 5 0 1 5 5 0 m m 。 1 1 根际微域研究进展 1 9 0 4 年德国微生物学家l o r e n zh i l t n e r 最早提出“r h i z o s p h e r e ( 根际) ”这一 概念，但研究仅限于微生物的根际效应。1 9 3 9 年j e n n y 等用离子接触交换学说 首次尝试解释根与土壤界面上阳离子的迁移过程。6 0 年代初，j e n n y 和 g r o s s e n b e r c h e r 创造性的应用电子显微镜直接观察了根与土界面的状况，初步明 确了植物根系、根际微生物和土壤之间的存在关系。同时，b a r b e r 和n y e 分别 提出了营养元素从土壤向根迁移的截获、质流和扩散机理。这些研究为7 0 年代 以后根际微域环境的蓬勃发展奠定了丰厚的研究基础。我国对这一领域的研究 开始于9 0 年代初期。 从2 0 0 0 年至今，国内关于根际微域的研究论文有两百多篇，主要集中在根 际土壤、根际微生物及根际分泌物等方面，其中根际土壤研究就有5 0 多篇。2 0 0 3 年前关于根际微域的研究内容主要集中在根际生态效应的研究，2 0 0 4 年至今主 要集中在有土壤肥量【6 1 、有机污染物【7 1 、盐度引对根际微域的影响的研究。但是 对重金属污染土壤以及湿地植物的微域研究较少【9 j 。 根际微域的研究，是以毫米甚至以微米计算的微区土壤范围，它既要有较 高的分辨率，又要有一定精确度。因此，一定程度上测定技术阻碍了这一研究 领域的发展。 1 1 1 根际微域的内容及研究方法 根际微域的研究内容和方法见表1 1 。 表1 1 根际微域研究进展 参考 实验手段影响因素测定项目植物种类 文献 根系分泌物主要成分( 低分子有机 多环芳烃p a h s酸、可溶性总糖和氨基酸) 、多环 多隔层根箱实验、水培黑麦草 【1 1 ( 菲、芘) 芳烃的残留浓度、土壤微生物生物 量、士壤脱氢酶 p c r d g g e 技术多环芳烃地杆菌科铁还原微生物的群落水稻 【1 2 多隔层根箱实验、 多环芳烃 根际泌氧、降解微生物活性、多环 水稻 【1 3 】 d g g e 、q p c r 方法 芳烃生物有效性、根际养分 2 第一章引言 参考 实验手段影响因素测定项目植物种类 文献 植物根际微域的重金属形态、可溶 p c r d g g e 、分子克隆重金属性有机碳、细菌群落结构、细菌运海州香薷 【1 4 】 动基因和趋化基因的表达量 多隔层根箱法、磷脂脂 多氯联苯根际微生物、根系分泌物黑麦草 1 5 肪酸( p l f a s ) 、溶液培养 氮肥及和p 、k 配 土壤中p h 、有机质含量及速效养 盆栽试验冬小麦 1 6 】 施分含量差异的影响 土壤磷酸酶、转化酶和脲酶活性、 c d 2 + p b 2 + 与c d 2 +根微域土壤微生物数量、根际土壤 冬小麦幼 盆栽试验 1 7 复合细菌、真菌、放线菌、亚硝化菌和 田 白生固氮菌数量 外生菌根真菌、 植物生长调节剂 苗木生长、生物量、根系活力、土毛白杨、 盆栽试验 ( n a a ) 和植物抗 壤酸性磷酸酶活性及土壤有效p北京杨 【18 病诱导剂( 水杨 酸) 根际与非根际土壤的有机氮、水解落叶松人 盆栽试验不同发育阶段 1 9 】 氮、全磷、有效磷、有效钾和酸度 工林 土柱培养切片法绿肥钾土壤水溶性钾和交换性钾 2 0 多隔层根箱 芘生物群落结构玉米幼苗 2 1 脂肪酸甲酯( f a m e ) 多隔层分室根箱 b d e 2 0 9 黑麦草 2 2 白蜡、滨 x 一射线电子探针盐胁迫根际和根内营养元素相对含量 【2 3 梅 氮钾肥( n h 4 c 1 、 室内土柱实验 磷 【2 4 k c l ) 士壤可提取态芘含量、土壤微生物 生物量碳、士壤基础呼吸强度、微 多隔层根箱芘黑麦草 2 5 生物熵、代谢熵、脱氢酶和多酚氧 化酶活性 根际土壤细菌、放线菌的生长繁殖 土培法铝和氟茶树 2 6 以及呼吸强度 根际土和非根际土的p h 值以及主 多隔层根际培养的方法n a c l 胁迫葡萄幼苗 2 7 要营养成分 水曲柳、 红松纯林 剥落分离法有效p 含量 【2 8 】 及其混交 林 三室根箱法 五氯酚 根际土壤中微生物群落结构及酶 黑麦草 【2 9 】 磷脂脂肪酸( p l f a ) 活性 6 0 余种草 溶液培养、盆栽试验 铅镍影响因子、根际微生物的群落特征 3 0 】 坪植物或 3 第一章引言 参考 实验手段影响因素测定项目植物种类 文献 杂草种子 有机一重金属复 土壤微生物活性和微生物群落结 黑麦草、 盆栽试验 合污染( p c p c u 、 构 番薯、水 3 1 】 p y r e n e c u ) 稻 盆栽根箱培养盐胁迫根际、非根际土壤盐分分布特征杨树 3 2 从表1 1 可知，根际微域的实验的方法早期采用剥落分离法，目前主要集中 在多层根箱实验【2 9 】和盆栽实验【3 1 】上，也有采用较先进的x 射线电子探针【2 3 j 和土 柱培养切片法b 引。根箱法比起剥落法更能准确的区分根际土与非根际土，而且 比起土柱切片法较容易操作，所以本论文采用根箱法来研究根际微域。 根际土壤主要的污染胁迫因子有有机污染物( 如多环芳烃1 1 1 12 | 、五氯芬【2 9 j 和多氯联苯【1 5 】) 、重金属( 铅镍【3 0 、铬铅【1 7 】) 、有机无机复合污染物【3 1 】如( p c p c u 、 p y r e n e c u ) 、盐类【2 7 】( 如n a c l 、n h 4 c 1 、k c l ) 、菌种1 2 2 j ( 如b d e 一2 0 9 、外生 菌根真菌) 等。根际微域主要的研究内容有：一是根系分泌物【1 1j ，主要包括低 分子有机酸、可溶性总糖和氨基酸等，二是根际微生物【3 1 1 ，主要包括微生物生 物群落结构、生物量碳、呼吸强度等，三是根际土壤中的物质，包括盐分【2 3 1 、 重金属含量【1 4 】、有机物残余量【1 1 1 、土壤中的生物酶、土壤中的营养成分等。 根际微域研究的植物主要有水稻【1 2 】、黑麦草15 1 、冬小麦、葡萄幼苗网、杨树 3 2 】、水曲柳和红松【2 8 、茶树【2 6 】、白蜡和滨梅【2 3 】、海州香薷【1 4 】等。 1 1 2 根际微域的影响因素 根际环境中重金属的含量、p h 值、氧化还原电位、可溶性有机质、根分泌 物及土壤微生物等影响着重金属的迁移转化和植物有效性，是影响根际土壤重 金属活性和根系吸收利用的主要因烈3 3 j 。 ( 1 ) p h 的影响 土壤p h 值是影响土壤中重金属形态和转化的重要因素，可以明显改变土壤 重金属的含量，价态等。植物根系分泌中的有机酸及植物新陈代谢过程中释放 的h + h c 0 3 - 和c 0 2 等都会影响根际土壤的p h 值。 王震宇等1 3 4 j 研究了六种湿地植物表明芦苇、芦竹、香蒲、水葱和喜旱莲子 草的根际土壤溶液p h 值显著低于非根际( p 0 0 5 ) ，喜旱莲子草的根际土壤溶 液p h 值( 7 3 9 ) 最低，p h 值比非根基( 8 3 1 ) 降低约0 9 ；其次是芦竹，约为7 4 7 ； 4 第一章引言 再次是芦苇7 7 0 ，香蒲、水葱的根际土壤溶液p h 值为7 8 2 ，没有显著性差异， 茭草的根际土壤溶液p h 值为8 0 2 ，芦竹和喜旱莲子草的根际土壤溶液p h 值显 著低于非根际，根际磷矿物的溶解可能是其根际溶液磷素浓度高于非根际的重 要原因。 胡正义等【3 5 1 研究表明土壤硫化物氧化将导致土壤p h 下降，肥料中的s 元素 在近根土壤中氧化降低土壤p h ，低p h 条件下有利于重金属化合物的溶解。但 随着土壤溶液p h 升高，重金属离子在土壤固相上的吸附能力和吸量也将增加。 在p h 柠檬酸 苹果酸。 根系分泌物种类及数量直接影响利用其生存的根际微生物的种类和数量分 布，不同植物或在不同土壤生长的同种植物或同一植物在不同发育阶段根系分 泌物的种类和数量不同，从而有选择性地影响着根际微生物【4 8 i 。 根系作为联系植物和土壤的重要界面，不仅仅是植物吸收和代谢器官，更 重要的是作为植物强大的分泌器官。根系分泌物中的某种或某些特有的有机物， 对土壤中的金属离子特别是毒性重金属离子有较强的络合能力，可促进金属的 溶解和释放，提高金属的植物有效性1 4 9 1 。 ( 4 ) 微生物的影响 微生物在根际微域中是最为活跃，其在根际污染生态系统中的作用尤为重 要。在污染胁迫下根际效应研究内容中，研究最多的便是根际微生物的动态响 应效应1 5 。人工湿地中有机污染物及其它污染物主要靠微生物去除，其主要包 括细菌、真菌和放线菌1 5 1 | 。 l i u l 5 2 研究了根际微生物a m 对p t e r i sv i t t a t a l 根际的影响，a m 使p v i t t a t a 根的长度增加了5 0 ，砷的转运系数提高了4 3 。a b o u 等1 5 3 j 报道根际细菌 m i 。c r o b a c t e r i u ma r a b i n o g a la c t a n o l y t i c u m 通过产生螯合剂、降低土壤p h 值、溶 解金属磷酸盐等方式促进土壤镍的释放，显著增加了超富集植物a l y s s u m m u r a l e 根际有效镍的浓度，使其地上部镍浓度增加3 2 f 5 钔。 6 第一章引言 王珍珍例等研究表明根际作用对污染土壤微生物的生长有促进作用，与无 植物污染土壤相比，植物根际微生物的数量高出0 - 0 5 个数量级，微生物活性 高出o 3 4 2 2 0 倍，其中茭白根际土壤中微生物活性比非根际高出1 1 倍；表明 湿地植物有利于改善其根系污染土壤的微生物活性。 1 2 植物根表铁膜的研究进展 在渍水条件下，湿地植物根际易形成根际铁锰氧化物，改变根际环境中重 金属阳离子和养分的存在形态，从而影响这些离子的生物有效性，进而能影响 土壤湿地植被体系中污染物和养分的迁移【5 引。到目前为止已发现多种湿地植 物的根表在渍水条件下可形成铁锰氧化物膜，但是植物根表所形成铁锰膜的数 量和部位因植物的种类和土壤条件不同而不同，目前对根表铁膜的研究主要集 中在2 个方面： 1 ) 研究农作物根表铁膜对营养物质的富集、吸收以及对重金属污染的控制 问题； 2 ) 研究植物根表铁膜对重金属在土壤及自然湿地植被体系中迁移的影响。 1 2 1 根表铁膜对营养元素的影响研究 根表铁膜与营养元素的研究主要集中在两方面，一是单一营养元素与根表 铁膜生态效应另一种是营养元素存在其他重金属存在与根表铁膜的生态效应， 而且目前这个营养元素主要指的是磷元素。有研究表明，在室内培养条件下， 芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 距根尖l c m 的地方均有棕褐色铁氧化物覆盖，在根表 分布不规则且不均匀，其中铁氧化物主要以磷酸铁的形式存在，同时还包括少 量的钾和硫，所以磷元素是营养元素中与根表铁膜最有直接联系的元素岬j 。 p a r f i t t l 6 5 1 在研究氧化铁对磷酸盐的吸附时，发现介质磷酸盐浓度高时，氧化铁与 被吸附的磷酸盐形成单核化合物 f e o p c ( o ) 3 或f e 0 0 c o o h ，易于解吸；在 离子浓度低时，却形成双核配合物f e p ( o ) 2 0 f e 或f e o o c c o o f e 】，吸附较紧， 难以解吸。这说明，吸附在氧化铁上的磷酸根的生物有效性取决于氧化铁一磷 酸根吸附与解吸反应的状况 铁膜中含有磷、镁、硫等植物所必需的营养元素能吸附在铁膜上或与铁共 同沉淀于铁膜中。研究发现，根表有铁膜的苔草和香蒲植株体内的磷、硫、镁 浓度要比无铁膜覆盖的耐6 6 1 。张西科等6 7 1 利用营养液培养方法研究了根表铁氧 7 第一章引言 化物膜对水稻吸收磷的影响，发现水稻根表形成的铁氧化物膜在一定程度上是 一个磷的富集库，对水稻吸收磷起促进作用。曾祥忠等【6 8 】研究表明铁锰氧化膜 上富集的磷量与铁胶膜数量呈正相关，而与锰胶膜无明显关系，还发现该本试验 条件下，根表铁、锰胶膜对水稻磷吸收起抑制作用，而对锌的吸收没有明显的 作用。 徐德福等【6 9 】研究了锌胁迫下湿地植物对磷的吸收能力，结果表明湿地植物 根表铁氧化物膜上的锌和地上部分铁含量都影响了湿地植物对磷的吸收。钟顺 清【7 0 j 研究表明无论是未污染土壤或是铅污染土壤，湿地植物根表吸附的磷与根 表铁膜量呈明显的正相关。而对铅的吸附取决于铁膜厚度大小，铁膜量大时则 呈正相关，否则相关性不显著。 1 2 2 根表铁膜对重金属的影响研究 ( 1 ) 镉 土壤中的镉大部分存留在它与土壤接触部位的几厘米之内，它可以通过植 物根系的吸收利用转移到植物体内。根表铁膜可以减少植物对土壤中镉的吸收， 使之留在土壤或植物根部，很少向地上部位迁移，从而达到减少植物中镉含量 的目的。但铁氧化物较少时则有利于金属镉在其表面富集，使镉便易向植物体 内迁移，导致植物中镉含量增加，不利于经济作物的生长发育。当铁胶膜厚到 一定程度以后，它能有效的阻碍根对镉的吸收和向地上部分迁移，致使地上部 分镉含量减少1 7 1 | 。刘敏超等就不同基因型水稻根表铁膜得出了不同水稻基因型 根膜中的含铁量与根表铁氧化物富集的镉量、根部的含镉量、地上部的含镉量 存在显著性直线相关【72 | 。不同水稻其根表淀积的铁锰氧化物数量也存在显著性 差异，根膜及地上部的含镉量与根膜的含铁量均未达到显著性相关，但与根膜 的含锰量相关性显著1 73 i 。刘侯俊等提出铁膜不影响水稻各部分c d 含量随时间的 变化趋势；不同f e 处理之间根系和地上部c d 含量的差异可能与根系含f e 量有 关【7 4 】。 ( 2 ) 锌 缺锌是南方地区植物经常发生的缺乏症，根表铁膜对z n 的吸收富集起到 了很重要的作用。张西科等表明根表的铁氧化物胶膜影响水稻对z n 的吸收。铁 膜数量较少时，其对z n 的富集作用有限，所以铁膜对水稻z n 的吸收虽有促进 作用，但不明显。随着根表铁膜数量的增加，促进作用增加，并且在铁膜数量 8 第一章引言 增加到一定值时，对水稻吸收z n 的促进作用达到最大。而后，随着铁膜数量的 增加，铁膜反而阻碍水稻对z n 的吸收，成为水稻吸收z n 的障碍层【75 | 。但也有 研究表明胶膜上锌的富集量与铁、锰胶膜数量均无明显关系，根表铁、锰胶膜 对水稻锌的吸收没有明显的作用1 7 6 。 徐德福等研究了重金属锌胁迫下，湿地植物对磷的吸收能力的变化，表明 湿地植物根表铁氧化物胶膜上的锌和地上部分铁含量都影响了湿地植物对锌的 吸收【7 7 】，随后还研究了湿地植物对锌的吸收分配能力与根表铁氧化物胶膜之间 的关系，结果表明3 种湿地植物积累锌的总量大小顺序为：茭白 美人蕉 灯心 草；锌在湿地植物中分配比例表现为：根中锌量 地上部分锌量 根表铁氧化物 胶膜上吸附锌量；锌主要积累在湿地植物根中，湿地植物根表铁氧化物胶膜上 吸附锌的数量与湿地植物地下部分锌含量呈极显著正相判您j 。 ( 3 ) 砷 根表铁膜可以改变介质中砷的存在形态，将毒性很强的三价a s 转化为毒性 较弱的五价的a s ，这是植物去除砷毒害的重要机制之一1 79 l 。陈学萍提出植物经 k n 0 3 处理后显著抑制了三价f e 的还原，阻碍了铁的移动性，减少了水稻根表 铁膜量，并显著抑制了水稻对a s 的吸收。不同施肥处理影响铁膜中砷的形态， 硝酸钾和硫酸钾处理的铁膜中砷以五价砷为主，而其余处理则以三价砷为主1 8 。 邓丹研究了环境诱导根系结构变化对水稻幼苗砷吸收的影响，还研究了通 氧和缺氧处理的水稻离体根系在有无铁膜生成的情况下a s 吸收的动力学特征， 发现根系结构对水稻的砷吸收动力学过程有影响。环境中砷的形态也会影响砷 在水稻体内的富集峭1 1 。 薛培英等运用砷形态分级的连续提取方法研究了水稻整个生育时期内砷在 中轻度砷污染土壤氧化性根际水稻体系中的时空分布规律水稻根表铁氧化物 膜主要以无定型态铁和结晶态铁为主( 9 0 ) ，在生长旺盛期老化程度最高， 且对砷富集能力与第一时期相比降低6 0 ，与第二时期相比降低1 0 ；根表铁 膜对砷的富集作用与铁膜中铁的组成形态( 尤其无定形态铁) 密切相关，而并 不完全随铁膜数量的增减而变化。1 8 2 1 。 ( 4 ) 铅 根表铁膜对铅有一定的吸附能力。水稻吸收的铅大部分富集在根组织中( 平 均7 5 ) ，而少部分富集在根表铁膜中( 平均2 5 ) 。在根表铁膜量较多时可 9 第一章引言 以增强铅在水稻根表铁膜和根中的积累，所以铁膜可能在一定程度上促进铅向 水稻根内的转运瑙3 | 。 钟顺清【7 0 】提出铅抑制湿地植物根表铁膜的形成与积累，添加铁促进根表铁 膜的积累；无论是未污染土壤或是铅污染土壤，对铅的吸附取决于铁膜厚度大 小，铁膜量大时则呈正相关，否则相关性不显著。 目前根际微域环境中重金属迁移转化规律及其生物有效性的研究虽然日益 增多，但存在许多不足之处，主要问题包括以下几个方面： 根际土壤重金属行为的研究比较系统、全面和深入，而滨岸湿地的研究 相对比较薄弱； 根际环境是随地球化学条件的季节性变化而改变的，特别是在滨岸湿地， 但根际重金属季节性行为的研究却一直未能引起应有的重视； 重金属在根际的赋存形态与其生物有效性密切相关，但目前在形态方面 的研究还比较薄弱，有待进一步细化和深入； 重金属耐性植物的研究目前仅限于实验阶段，缺乏大面积推广种植，因 此很难评价其真正的生态环境效益。 综上所述，重金属胁迫下根际微域环境的生态效应机制研究已经越来越受 到国内外学者的关注。但是，由于根际环境的范围较小、变化活跃和体系复杂 等特点，目前对重金属根际胁迫的研究还有一定的困难，对于重金属胁迫下根 际的动态调节过程，特别是对根系分泌物和微生物在重金属根际污染生态系统 中的作用机制目前还缺乏全面而系统的了解，这些方面的研究工作还有待于进 一步开展。 为了更好地解决重金属污染问题，明确重金属在根际环境中的分布、迁移 机制、生物有效性以及植物对重金属的吸收和累积机制，必须深入探讨根际重 金属赋存形态与温度、e h 、p h 、溶解氧、根际分泌物、微生物等主要环境影响 因素的关系，以揭示根际重金属生物有效性的控制机理，因此有必要对根际微环 境过程作进一步探讨。 1 0 第一章引言 1 3 重金属形态的研究进展 1 3 1 重金属形态的定义及其分类 重金属形态是指重金属的价态、化合态、结合态和结构态四个方面，即某 一重金属元素在环境中以某种特定的形式( 即某种离子或分子) 存在。一般， 土壤中重金属的存在形态是用不同的化学提取剂对土壤中重金属进行连续浸 提，并根据提取的难易程度对重金属形态进行分类博4 i 。 目前重金属形态测定的方法有用t e s s i e r 顺序提取或连续提取的技术手段和 欧盟的s m & t ( s t a n d a r d ，m e a s u r e m e m sa n dt e s t i n gp r o g r a m ) 计划中的b c r 法。 t e s s i e r 五步提取法：第一种为可交换态( e x c h a n g e a b l ef r a c t i o n ) ，指交换吸附 在沉积物上的粘土矿物及其他成分( 如氢氧化铁、氢氧化锰、腐殖质上的重金属) ， 对环境非常敏感，很容易通过离子交换进入环境中，能被植物吸收，普遍将水 溶态和可交换态合起来计算，也叫水溶态和可交换态。可交换态重金属反映人 类近期排污的影响以及对生物的毒性作用。第二种为碳酸盐结合态( c a r