超积累植物根-土壤界面锌镉耗竭动态及调控原理研究

The change of soil heavy metal concentration, fractions and bioavailability will occurr during repeated phytoextration by hyperaccumulator, whereas the responding mechanisms are not well understood. In this project, based on the repeated phytoextration of Zn/Cd contaminated soils with hyperaccumulator Sedum plumbizincicola, several methods including diffusive gradients in thin-films (DGT), stable isotope exchange (IE) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) will be employed to determine: (1) dynamics of Zn and Cd partitioning between solid-solution,rhizosphere and non-rhizosphere, and in soil solution during repeated phytoextration; (2) physiological mechanisms on dynamic plant uptake during the depletion of bioavailable metal in rhizosphere; (3) rhizosphere mechanisms on the enhancement of metal bioavailability and plant uptake by different approaches. The main purpose of this project is to illuminate the mechanisms involved in the dynamic of Zn/Cd depletion and enhancements countermeasures based on the changes of heavy metal fractions, partitioning, activation and uptake during repeated phytoextraction, and to provide implications for long term remediation strategies especially after repeated cropping.

连续植物修复过程中土壤重金属总量、形态及植物有效性均将显著变化，尚未有对连续修复过程重金属分配、形态变化及植物地上部重金属吸取动态表征技术方面的突破。本项目拟以锌镉超积累植物伴矿景天修复受锌镉污染土壤为对象，应用现代薄层凝胶梯度法、稳定性同位素示踪技术、同步辐射技术等，研究连续修复过程中土壤锌镉在土壤固相根际与非根际间、固液间及土壤溶液中的分配特征变化；重金属有效性下降后植物根系重金属吸收动态变化与根系生理动态，探索超积累植物对土壤重金属有效性变化的响应机制；并探索不同途径高效强化植物重金属吸收、转运的根际机制。以期从重金属形态与分配特征变化、植物对重金属活化与吸收机制角度阐明根土界面锌镉耗竭动态和机制，以及污染土壤植物连续高效修复的调控原理，为连续修复策略制定尤其是修复后期有效性下降时调控手段的选择提供理论依据。

利用重金属超积累植物开展连续吸取修复，是大面积重金属污染农田土壤修复的重要措施。连续植物修复过程中土壤重金属总量、形态及植物有效性均将显著变化，有关对连续修复过程重金属分配、形态变化及植物地上部重金属吸取动态、调控措施等方面的研究还很少。项目围绕超积累植物伴矿景天吸取修复锌镉污染土壤过程的根-土界面过程，采用了梯度扩散膜（DGT）、冷冻-微-质子诱导X射线发射（cryo-μPIXE）、正电子发射示踪成像系统（PETIS）等先进技术手段，1）研究了不同类型土壤伴矿景天连续吸取修复过程中，植物生长与重金属吸收情况，土壤重金属总量与形态变化，土壤重金属有效性表征及与植物吸收的关系，土壤金属缓冲能力和解吸动力特征变化；2）研究了矿区和水培条件下，伴矿景天对锌镉的吸收富集能力，伴矿景天根、茎、新叶、老叶中锌镉等元素的微区分布特征；3）研究了氮素形态、共存离子以及水分调控措施影响伴矿景天生长和锌镉吸收转运的根际和生理机制。项目从土壤类型、重金属形态、有效性表征、植物生长与重金属吸收、体内重金属分布与解毒、有效性调控等方面，阐明了污染土壤伴矿景天连续吸取修复过程中锌镉的耗竭机制与调控原理，为锌镉污染土壤的超积累植物连续吸取修复及污染金属的修复植物有效性调控提供了理论依据和技术支撑。