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红树林湿地土壤(沉积物)重金属污染日趋严重,为了探讨利用红树植物稳定重金属镉的可行性以及红树植物对外源镉的响应机理,选择对重金属耐性较强的秋茄(Kandelia obovata)为研究对象,利用根际箱在自然透光的温室中进行培养,对比研究了不同浓度(0、12.5、25、50、100 mg kg-1)的外源可溶性镉在秋茄.土壤系统中的迁移转化、稳定及植物效应。对镉胁迫下秋茄的生理生态特征以及根阳离子交换量、铁锰氧化膜对镉的稳定,镉在秋茄植株中的形态分布、土壤镉的形态转化、土壤的DTPA(二乙烯三胺五乙酸)提取态镉和总镉等方面进行了系统的研究。研究的主要结论有:
1.镉胁迫秋茄体内镉的结合形态和区域化呈现明显差异。(1)通过分步提取发现幼叶镉的结合形态多样化,其中主要以乙醇提取态(Fethanol)、醋酸提取态(FHAC)、盐酸提取态(Fha)为主;成熟叶镉Fethanoll和FHCl两者百分含量之和超过95％,其中FHCl的含量百分比超过50％。幼叶生长过程中,叶中镉:Fethanol和FHCl明显增加,其他结合态减少。(2)茎和胚轴的镉含量随着镉处理浓度增加先增加后减少,以Fethanol为主。(3)贮气根的镉含量随着处理浓度没有显著性差异,主要以Fethanol、FHCl为主;细根的镉含量随着镉处理浓度呈单峰曲线变化,在50 mgkg-1时达到最大值,主要是以Fethanol、FHAC、FHCl为主。(4)贮气根铁锰氧化膜中镉含量随着镉处理浓度也呈单峰曲线变化,细根铁锰氧化膜中镉含量与镉处理浓度显著正相关。(5)秋茄各部位镉的富集系数随着镉处理浓度的增加而减少。细根的镉含量最高,镉富集系数最大,其次是成熟叶,根系对镉有较强的富集作用,成熟叶的凋落减少镉的胁迫。(6)秋茄较强的耐镉能力与镉的亚细胞分布密切相关。功能相对重要的部位如细胞器镉的含量相对较少,从而表现出对镉的选择性分配。细胞壁的镉含量远大于细胞器和细胞液的含量,是主要的镉积累部位。秋茄体内的草酸根、磷酸根、单宁等与镉结合,根系铁锰氧化膜吸附镉以及细胞壁累积了大部分的镉从而对重金属镉具有较强的耐性。
2.秋茄在镉胁迫下产生不同的植物效应,渗透调节物质变化明显。(1)镉处理秋茄茎、叶、胚轴和根的生物量随着镉处理浓度增加而减少,相对于对照组来说镉处理组的茎、叶、胚轴的生物量的减少都大于根,反映了秋茄主要通过减少地上部分的生物量对镉胁迫的响应。(2)镉胁迫秋茄渗透调节物质变化明显。秋茄叶可溶性蛋白和脯氨酸的含量随着镉处理浓度呈单峰曲线变化,叶可溶性糖、丙二醛含量随着镉处理浓度增加而增加;对照组秋茄叶的有机酸含量明显的高于各个镉处理组,茎的有机酸各处理之间没有显著性差异,胚轴的有机酸镉处理组之间没有显著性差异,但显著大于对照组,贮气根和细根的有机酸随着镉处理浓度的增加而增大,与镉胁迫浓度呈显著正相关;镉处理使秋茄各个部位的草酸根离子增加,产生的草酸一方面与秋茄植物体内的镉相结合,降低镉的活性,另一方面秋茄根系分泌的草酸钝化可溶性的镉,使可溶性镉得到稳定。秋茄通过生物量和可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、丙二醛、有机酸等渗透调节物质的变化来对镉胁迫的响应。
3.在镉胁迫下,秋茄的元素组成发生了变化,与镉之间的相互作用明显。(1)细根和贮气根的阳离子交换量随着镉处理浓度发生一系列的变化说明镉影响了秋茄对营养物质的吸收能力。(2)随着镉处理浓度的增加,秋茄植物体的镉与铁、钾、镁、铝、铅和砷呈显著正相关(P＜0.01),表现为协同作用。铁、钾、镁、铝、铅和砷也主要集中在根部。同时这七种元素之间相互之间也具有显著正相关(P＜0.01),共同影响秋茄的生长。(3)叶、茎、胚轴的全磷随着镉处理浓度增加先增加后减少,达到最大值分别在镉处理浓度为50、25、12.5 mg kg-1;细根的全磷随着镉处理浓度增加而减少,镉胁迫组的全磷含量比对照组小。(4)秋茄叶和根全硫含量随着镉处理浓度增加迅速增加;镉处理组茎全硫远大于对照组,但随着镉处理浓度增加反而下降;胚轴全硫含量随着镉处理浓度增加先增加后减少。镉处理组的秋茄全硫大于对照组,镉处理促进秋茄对土壤中硫的吸收,体现了硫在镉胁迫中具有一定的作用。
4.秋茄-土壤系统将外源可溶性镉稳定下来,根际土壤稳定量大于非根际土壤。(1)根际土壤镉DTPA提取率小于同一处理下的近根际、远根际和非根际,根际区域秋茄能够将可溶态的镉较多地转化为植物不可以利用的镉,浓度越高根际区域稳定的镉相对越多。(2)同一处理组中,根际区域土壤Ph值比其他区域低。其中根际区域的土壤Ph值比非根际区域低0.3～0.5。镉胁迫处理组的土壤Ph值比对照组低,镉浓度越高Ph值越低,镉胁迫下秋茄根系分泌较多有机酸,尤其是草酸将可溶性的镉转化为不可溶的草酸镉,H+增加,Ph值越低,生物有效性减少。(3)根际土壤可溶性的镉含量由原来的12.5、25、50、100mg kg-1变为0.88、5.14、10.49、35.51 mg kg-1。随着镉处理浓度的增加,稳定下来的镉依次增加。根际的可溶态的镉含量小于近根际、远根际和非根际,根际的稳定形式与非根际的不同,根际环境更有利于可溶性镉稳定下来。秋茄根系分泌草酸等有机酸及其它根系分泌物结合根际微生物钝化可溶性镉,降低镉的生物有效性,改变镉的形态等减少进入秋茄体内镉的含量,从而秋茄能够在高镉污染土壤中生长。因此,对于红树林湿地的镉污染土壤可以利用植物稳定的方法防止重金属镉迁移扩散导致更大范围的污染。