水肥管理调控蚯蚓种群削减土壤重金属的生态过程与机理

In this study, we combine the behavior characteristics of earthworm's movement in soil and casting on soil surface with accumulation and releasing characteristics of heavy metals for Cu and Cd curtailment from soils pullulated by heavy metals, by practices of fertilization and irrigation to make earthworm population moving from plant rhizosphere to the soil surface on purpose and carrying with heavy metals in some long-term agro-ecosystem experimental plots in Quzhou Agro-experimental Station of Hebei Province. The study contents include: By using comprehensive methods of the field investigation on-the-spot, root-pit equipment in situ simulation and quantitative analysis with earthworm microcosm in laboratory, we will do research on effects of practices of fertilization and irrigation on earthworm population directional movement on field, vegetable plot and orchard with different cropping systems; Using Tessier continuous extraction method to analysis the features of accumulation and releasing of heavy metal Cu and Cd in soil, earthworm and earthwormcast; To research the effect of earthworm activity on the existence forms of Cu and Cd (exchange form, one combined with carbonate, iron, manganese combination, organic combination and residue ones); Utilizing the bio-accumulation model and bio-dynamics models to research the traits of earthworms accumulating and releasing heavy metals. The expected results hope leading a new way for in situ remediation of soils polluated by the heavy metals.

本研究把蚯蚓的土壤运动及地表排便特点与蚯蚓富集-释放重金属规律结合，在曲周试验站农业长期定位实验区设计了通过水肥管理调控蚯蚓定向活动，定量分析植物根围区的重金属被蚯蚓"搬运"到地表的全过程及相应的生物与化学机理。主要研究方法和内容包括：采用大田实地调查-根窖原位模拟-实验室蚯蚓微宇宙法定量分析相结合的过程分析与定量研究相结合的综合研究方法，研究大田、菜地和果园不同农作系统土壤蚯蚓种群运动的规律以及浇水和施肥等措施对定向运动的影响；采用Tessier连续提取分析方法，分析土壤、蚯蚓体、蚯蚓运动穴道及粪便中重金属的积累和迁移规律；分析蚯蚓活动对重金属形态（交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机结合态和残渣态）特征及形态转化的影响；利用生物富集模型-生物动力学模型方法研究蚯蚓对重金属的生物富集-释放特点。本研究有望为重金属污染土壤的原位修复提供一条新的途径。

本研究把蚯蚓的土壤运动及地表排便特点与蚯蚓富集-释放重金属规律结合，利用实验室微宇宙实验及北京市顺义区有机果园长期定位实验设计通过水肥管理调控蚯蚓定向活动，定量分析植物根围区的重金属被蚯蚓"搬运"到地表的全过程及相应的生物与化学机理。主要研究成果如下：1）在土壤中研究了蚯蚓对重金属的耐受限度，发现铜对蚯蚓的间接接触的半致死剂量为138.8 mg/kg；对于接种在高浓度铜离子含量的赤子爱胜蚓，其体内铜含量呈现先减少后增加的趋势，且在21天达到最低，说明铜在蚯蚓体内富集-释放-富集的过程，在21天后释放完成且重新富集；对于通俗腔蚓，其体内铜含量呈现先增加后减少的趋势，且在14天达到最高，说明通俗腔蚓对铜的富集是渐进式的，且在14天后开始释放；2）铜胁迫下，赤子爱胜蚓体内总抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽巯基转移酶均在21天出现拐点，而对于通俗腔蚓，均在14天出现拐点，与铜的富集规律一致；蚯蚓垂直移动实验表明：28天后通俗腔蚓能搬运25%的铜到地表；当土壤中铜含量大于200 mg/kg时，对蚯蚓的生长率会造成一定的影响，且随胁迫时间延长，其生长率下降；3）铜对蚯蚓细胞粘附活性呈现抑制作用，且随浓度和处理时间延长而增大；铜离子对蚯蚓细胞的吞饮活性也有抑制作用，且抑制效果与胁迫浓度和胁迫时间成正相关；完成了铜胁迫下差异蛋白的分析，获得了9种胁迫下的蛋白EW 3-1、EW 3-2、EW 3-3、CKW 1、CKW 2、CKW 3、EW 28-1、EW 28-2、EW 28-3；4）植物根系分泌物中的酚酸不利于其趋根，但是添加腐解物能够抵消掉酚酸的不利影响；微生物同蚯蚓互作，降解根系分泌物或者叶片腐解物，对蚯蚓表现出趋根性有重要影响。