氮肥影响桑树修复镉污染农田的行为和机理研究

Phytoremediation of the heavy metals polluted farmland soil has been getting more and more attention in recent years. However, the disadvantages of smaller plant biomass, slower growth cycle and other obstacles of hyperaccumulators hinder the application process of phytoremediation. This project aims to use the mulberry as a typical representative to remediate the Cd contaminated farmland, study the effects of nitrogenous fertilizers on the uptake, transportation and distribution of Cd in the mulberry trees, in-depth study of cadmium tolerance mechanism. Firstly, study the effects of nitrogenous fertilizers on Cd speciation, transportation property and the availability to mulberry root. Secondly, investigate the influences of nitrogenous fertilizers on the intake, transportation and distribution of Cd in mulberry. Furthermore, the tolerance of mulberry to Cd and the effects of nitrogenous fertilizers on this tolerance are analyzed. The purpose of this project is to study the effects of the daily agronomic management measure, using nitrogenous fertilizers, on the remediation of Cd polluted farmland soil, to improve the remediation efficiency of mulberry and theoretically support the remediation and use of Cd pollution of farmland in China.

重金属污染农田土壤的植物修复近些年来得到了越来越多的关注。然而，超累积植物生物量小、生长周期慢等缺点阻碍了植物修复的应用进程。本项目拟采用桑树为修复镉（Cd）污染农田的代表性植物，研究氮肥作用下桑树对Cd的吸收、转运和分配规律，深入探讨桑树的耐Cd机制。课题将分别研究：①氮肥对Cd在耕作层土壤介质中的形态、迁移性质及桑树根系可利用性的影响；②氮肥对桑树根系吸收和摄入Cd以及Cd在桑树植株内转移与分配的影响；③桑树对Cd的耐受性及氮肥施用对该耐受性的影响。本课题旨在利用日常的农艺管理措施施肥对桑树修复Cd的影响研究，为提高桑树修复Cd的效率及治理和利用我国Cd污染农田提供理论支持。

植物修复应用于重金属污染农田土壤前景广阔。但超累积植物生物量小、生长周期慢等缺点阻碍了植物修复的应用进程。本课题以木本植物桑树为代表，研究了4种不同形式氮肥（NH4Cl、NaNO3、CO(NH2)2、(NH4)2SO4）施加对Cd在根系土壤中的迁移、形态转化等过程的影响，并考察了Cd向桑树不同器官的转移和累积过程，以及植株的生理行为的变化，从而洞悉氮肥施加影响桑树富集和耐受Cd的行为机制。结果显示：氮肥施加改变了土壤的pH、阳离子交换容量（CEC）和土壤酶活，从而改变了Cd在土壤中的化学形态和吸附性能，增加了Cd的植物可利用性。(NH4)2SO4、NH4Cl随着浓度的增加，增加了Cd在桑树根、茎、叶中的含量；CO(NH2)2增加了Cd在茎和叶中的含量，而NaNO3对Cd在桑树各部位含量的影响无明显规律。CO(NH2)2、(NH4)2SO4、NH4Cl的施用增加了桑树总生物量、桑叶中粗蛋白和植物螯合肽（PCs）的含量，增加了抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）的酶活，降低了桑叶中脯氨酸（Pro）含量和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）酶活。桑叶从土壤中富集的Cd有65%~84%被桑叶细胞壁固定，细胞液中占13%~30%，细胞器中占1%~6%；与对照相比，4种氮肥都增加了Cd在桑叶细胞器中的百分含量，NaNO3增加了桑叶细胞壁中Cd的百分含量。桑根从土壤中富集的Cd有57%~84%被根部细胞壁固定，细胞液中占3%~25%，细胞器中占3%~18%，且4种氮肥都增加了Cd在桑根细胞液中的百分含量。大田试验中，与对照相比，施肥处理降低了桑叶中Cd的浓度；在家蚕系统，Cd浓度：蚕沙>家蚕>蚕蛹>茧皮；蚕沙中的Cd浓度最高为0.77 mg/kg，蚕沙中Cd的浓度是蚕体中的4.1~6.5倍。NH4HCO3处理组的全茧量和虫蛹统一生命率最高，分别达到1.42g和0.71，与CO(NH2)2组没有显著差别，但NH4HCO3、CO(NH2)2处理组显著高于对照组、NH4Cl和(NH4)2SO4处理组。此课题形成了关于采用常规农艺措施施加氮肥来调节桑树生长发育并富集Cd过程的基本理论和方法，对于将施肥管理措施简单而有效地应用于Cd污染农田的植物修复具有指导意义。