全 文 ：污染条件下 VAM 玉米元素积累和分布与
根际重金属形态变化的关系 3
黄　艺 3 3 　陈有钅监　陶　澍　(北京大学城市与环境学系 ,北京 100871)
【摘要】　为了了解重金属 Cu、Zn、Pb、Cd 在土壤2根际2植物系统中的行为 ,揭示 VAM 植物减弱土壤中过
量重金属对植物生理毒害的抗性机理 ,采用原子吸收光谱测定了 Cu、Zn、Pb、Cd 在污灌土壤中生长的 VA
菌根玉米和无菌根玉米中的积累和分布 ,并用连续形态分析技术分析了菌根根际中 Cu、Zn、Pb、Cd 的形态
分布和变化趋势. 结果表明 ,Cu、Zn、Pb 在菌根玉米中的积累量比非菌根中积累量分别减少 10 %、18 %和
29 % ,Cd 积累量没有改变. 生长 7 周后 ,菌根玉米是非菌根玉米生物量的 1. 5 倍. 与对照土壤相比 ,根际中
除 Cu 交换态显著增加外 ,Zn、Pb、Cd 各形态相对改变量显著大于非菌根 ,且菌根根际土中 Cu、Zn、Pb 有机
结合态增加量显著大于非根际土 ,说明菌根际金属向稳定状态转移的程度显著大于非菌根际. 同时 ,讨论
了根际金属形态对金属有效性的影响 ,及其与菌根植物金属抗性机理的关系.
关键词 　菌根 　根际 　重金属 　形态 　有效性
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 07 - 0859 - 04 　中图分类号 　X13113 　文献标识码 　A
Uptake and distribution of Cu, Zn , Pb and Cd in maize related to metals speciation change in rhizosphere.
HUAN G Yi , CHEN Youjian and TAO Shu ( Depart ment of U rban and Envi ronment Science , Peking U niver2
sity , Beijing 100871) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (7) :859～862.
The behavior of heavy metals in terrestrial system and the mechanism of VAM plant in toleranting excessive
heavy metals in soil were examined with VAM maize ( Zea m ays L . ) . After seven2week cultivation in sewage2
sludging soil ,the biomass of VAM ( Glom us mosseae) maize was found 115 times higher than non2mycorrhizal
one. Compared with non2mycorrhizal maize , the accumulation of Cu , Zn and Pb by mycorrhizal maize was re2
duced by 10 % ,18 % and 29 % , respectively ,but the accumulation of Cd was the same. The distribution and spe2
ciation change of Cu ,Zn ,Pb and Cd in rhizosphere of VAM and non2mycorrhizal maize were analyzed by using
the technique of sequential extraction. Except a significant increase in exchangeable Cu in rhizosphere of VAM
maize , the increased amount of test metals bound to organic matter , carbonates ,iron and manganese oxides were
significantly higher than those in rhizosphere of non2mycorrhizal maize , indicating that the speciation of metals in
rhizosphere of mycorrhizal maize growing in contaminated soil tended to be relatively stable. Meanwhile ,the in2
fluence of metal speciation in rhizosphere on its bioavailability as well as the mechanism of mycorrhizal plant in
toleranting excess metals were also discussed.
Key words 　Mycorrhiza , Rhizosphere , Heavy metal , Speciation , Bioavailability.3 国家自然科学基金资助项目 (40031010 ,40024101) .3 3 通讯联系人.
2000 - 09 - 27 收稿 ,2000 - 12 - 27 接受.
1 　引 　　言
菌根植物与土壤重金属污染的研究开始于 20
世纪 80 年代初. Bradley[1 ]等在调查英国矿区植物
时发现 ,在金属尤其是重金属含量很高的矿区 ,植物
非常稀疏. 少量生存的植物中多为菌根植物 ,且与非
菌根植物相比较生长好. 此后 ,许多生态和生理学
家 ,从菌根植物在重金属污染环境中的生长和代谢
反应的角度 ,讨论了菌根对于生长在重金属污染环
境中植物的可能保护作用[2 ,4 ,5 ,7 ,9 ,12 ,13 ] . 他们认为
菌根阻隔重金属进入根系 ,菌根细胞壁或菌丝黏液
中有机化合物可螯合重金属离子 ,使之不能参与植
物生理代谢从而达到保护植物的目的 ; Duck[6 ] 和
Jones[11 ]发现 ,在重金属污染的土壤中 ,菌根不但不
能保护植物 ,反而使受害程度加深. 菌根植物对土壤
重金属污染的特殊反应方面的研究虽然很多 ,但还
没有一个公认的结果.
然而 ,根2土界面的界面性质对金属迁移、转化
有很大影响. 根际是指植物根系活动的影响在物理、
化学和生物学性质上不同于土体的动态微生态系
统[22 ] . 金属在这一界面即根际的化学行为直接影响
它们在土壤2植物系统中的迁移和转化 ,土壤中的金
属要完成从土壤到生物圈的传递必须通过根际. 另
应 用 生 态 学 报 　2002 年 7 月 　第 13 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2002 ,13 (7)∶859～862
一方面 ,植物既能适应环境 ,又能改造环境. 被菌根
菌侵染的植物根系 ,可能改变金属的化学作用从而
改变金属的有效性. 目前 ,虽然有许多对根际金属形
态的变化以及对土壤金属有效性的研究 ,但有关金
属形态对金属在菌根根际中迁移和转化作用的研究
还未见报道. 本研究试图通过了解菌根植物对金属
的积累和菌根根际中金属形态的变化趋势之间的关
系 ,认识金属在土壤2根际2植物系统中的动态 ,揭示
VAM 植物对过量金属抗性的机理.
2 　材料与方法
211 　供试材料
土壤样品采自天津市北郊徐庄子东 250m 左右菜地表
土. 区域土壤类型为潮土 ,已熟化为厚熟土. 采样区距天津市
北排污河约 150m ,自 1958 年开始用污水灌溉和施用污泥.
样品风干后过 1mm 尼龙筛 ,在 120 ℃下高压蒸汽灭菌 2h. 土
壤 p H 为 8. 06 ,其重金属含量见表 1. 供试植物为玉米 ( Zea
m ays L . ) . 供试菌种为 AV 菌根菌 ( Glom us mosseae) . 自制根
垫装置由两个大小不一的方盒相叠组成 [3 ] . 上盒用 500 目孔
径尼龙纱网做底与下盒分隔 ,内装 50g 灭菌供试土壤 ,依处
理接种或不接种菌根菌 . 下盒内装同样处理的供试土壤
表 1 　供试土壤有机质和重金属总量( mg·kg - 1)
Table 1 Content of organic matter and heavy metals in testing soil
项目 Item Cu Zn Pb Cd
供试土壤 166. 0 332. 6 132. 7 2. 59
Soil tested
非污染潮土 Non2 28. 6 84. 2 18. 8 0. 15
contaminated soil
污染土 Contaminated soil 100 270 180 5. 25
100g ,表面加一层尼龙纱网 ,称取供试土壤 8g ,平铺在纱网
上形成约 2mm 厚的土层. 该土层将作为根际土取样分析.
212 　研究方法
21211 植物栽培与实验处理 　20 颗玉米种子分别在 10 %的
H2O2 中浸泡 30min 灭菌 ,在培养皿中发芽至露白后移栽在
根垫装置上盒内. 培养装置在间歇光照条件下培养 7 周后取
样分析. 培养期间每天在 8500 lux 下光照 13h (平均 250C) ,
其余 11h 黑暗 (平均 18 ℃) . 生长期间每天补充水分以保持
土壤含水量在 15 %左右 (饱和含水量在 30 %) . 然后取样. 共
有接种和不接种两种处理 ,每种处理 4 个重复 (独立培养) .
对照除在上盒不种植物外 ,其余条件完全相同. 分析时每个
独立培养取两个混合土壤.
21212 样品测定 　重金属形态分析采用改进的 Tessier 连续
浸提法[20 ] . 测定形态包括交换态、碳酸盐态、铁锰氧化态、有
机结合态和残渣态. 重金属总量消解用 HF2HC1042HNO3 体
系在微波消解装置 (CEM2MDS2000) 中进行. 消解过程为称
取约 0. 2000g 土壤或植物样品于聚四氟乙烯管中 ,加 10ml
70 %HNO3 ,在 PSI = 120 条件下用 50 %能量 (630W) 消解
60min ,消解液定容至 50ml 待测. 制备液重金属含量用原子
吸收分光光度计 (日立 180280)测定.
3 　结果与讨论
311 　菌根对金属在植物内积累和分布的影响
生长在含过量重金属土壤 (表 1) 中 7 周 ,接种
和不接种对其生长量有显著影响 ,其接种玉米生物
量是未接种玉米生物量的 1. 5 倍 (表 2 ) . 用
Willkins[21 ]计算菌根玉米和非菌根玉米抗性指数 ,
VA 菌根菌侵染玉米对重金属的抗性指数为 5117 ,
是未接种玉米的 52 倍 ,表明 Glom us mosseae 对玉
米的侵染能减弱过量重金属对玉米生长的负作用 ,
提高了玉米对土壤中过量重金属的忍耐力. 这与
Diaz 等[5 ]和陶红群等[19 ]的研究结果相同. 但他们认
为 ,菌根促进了植物对 P 的吸收 ,从而显著促进了
植物生长.
表 2 　金属在菌根和非菌根植物中的积累和分布
Table 2 Accumulation and partition of Cu, Zn , Pb and Cd in VAM or non2VAM maize
项目
Item
金属含量 Heavy metal content (mg·kg - 1)
Cu Zn Pb Cd
生物量 Biomass
(g DW)
非菌根 Non2mycorrhizal plant 根部 Roots 91. 58 ±8. 6 216. 49 ±20. 3 18. 38 ±1. 1 1. 77 ±0. 2 4. 24 ±0. 2
地上部 Shoots 17. 05 ±1. 36 183. 00 ±16. 2 3. 52 ±0. 3 1. 11 ±0. 2
菌根 Mycorrhizal plant 根部 Roots 82. 46 ±4. 95 159. 70 ±12. 5 11. 91 ±0. 7 2. 38 ±0. 2 6. 43 ±0. 3
地上部 Shoots 16. 49 ±1. 07 181. 22 ±15. 8 5. 06 ±0. 3 0. 63 ±0. 1
　　然而 ,对植物体内重金属含量测定结果表明 (表
2) ,菌根有减少植物吸收过量重金属的趋势. 如果以
菌根处理与重金属在相应植物中的含量值的增加百
分率作为菌根效应[9 ] ,菌根对 Cu、Zn、Pb 在植物根
部积累的影响为负效应 ,其菌根效应分别为 10 %、
26 %和 35 % ,地上部分 ,除 Pb 以外菌根的影响亦为
负效应 ,但效应值较小 (图 1) ,表明菌根对重金属由
根部向地上部分的转运影响较小 ,但影响了重金属
由土壤向植物体的转移 ,从而有效地阻止了土壤中
过量 Cu、Zn、Pb 进入植物根部. 菌根和非菌根玉米
生物量的差异 ,就是由于菌根对土壤的 Cu、Zn、Pb
的这种隔离作用 ,减轻了过量重金属对玉米生长的
胁迫 ,有效地保证了植物的正常生长 ,与 Gildon 和
Tinker [7 ]等的研究结果相似.
　　Cd 在植物中的积累状况与其它元素不同 (图 1) .
菌根植物中 Cd 总含量略高于非菌根植物 ,差异不显
068 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
著 ,表明菌根并没有阻止 Cd 进入植物体内 ,反而有促
进植物对 Cd 吸收的趋势.从过量 Cd 并没有影响菌根
植物生长的结果可以推测 ,植物体内对 Cd 有特殊的
抵抗生理特性. Steffens[18 ]和 Rauser[17 ]认为 ,为了适应
高浓度的金属胁迫 ,植物能够形成金属螯合肽 ( Py2
tochelatins ,PCs)2多聚甘氨酸 ,耐 Cd 植物细胞中能形
成比敏感植物细胞中更多的 PCs. 菌根植物地下部分
Cd 积累量显著大于非菌根植物 ,而地上部分积累量
却小于非菌根植物 ,说明菌根菌浸染可能增加了植物
根系细胞中 PCs 含量 ,将进入植物体内的 Cd 结合在
根部 ,抑制了 Cd 向植物体地上部分转运 ,从而减轻了
Cd 的生理毒害.
图 1 　菌根对 Cu、Zn、Pb、Cd 在玉米植物体中积累的影响
Fig. 1 Effect of mycorrhiza on Cu ,Zn ,Pb and Cd accumulation in maize.
312 　菌根和非菌根根际 Cu、Zn、Pb、Cd 形态变化
在解释菌根缓解土壤过量重金属对寄主植物的
影响机理时 ,Brandley[1 ]及 Gildon[7 ]等认为 ,可能是
土壤中的菌根菌丝象网一样过滤了过量重金属. 陈
有钅监等[3 ]对根际土壤的研究表明 ,植物根系能影
响根际土壤中重金属形态从而影响金属有效性. 对
接种和未接种的玉米根际土壤中金属形态分析发
现 ,菌根和非菌根根际中金属形态发生了较大的变
化. 以菌根根际和非菌根根际各形态 Cu、Zn、Pb、Cd
相对于非菌根根际土壤中各金属形态的增加百分率
为相对改变量 ,图 2 显示了 Cu、Zn、Pb、Cd 在菌根和
非菌根根际土中形态变化的不同情况.
与非菌根根际土中测定值相比较 ,菌根根际土
壤中所有测定的 Pb 形态相对改变量显著增加. 其
中除了交换态因为低于仪器检测范围而未检测出
外 ,碳酸盐态 Pb 增加 7. 6 倍 ,铁锰氧化态 Pb 增加
11. 6 倍 ,有机结合态 Pb 增加 17. 1 倍 ,表明与非菌
根相比较 ,菌根根际中的 Pb 形态从松结合态向紧
结合态转移. Pb 在菌根际中的这种转移趋势 ,使得
Pb 有效性下降 ,从而导致菌根植物中 Pb 的积累量
显著小于非菌根植物 (表 2) .
图 2 　不同形态 Cu、Zn、Pb、Cd 在菌根和非菌根根际中相对变化
Fig. 2 Relative change of different speciation of Cu , Zn , Pb and Cd in
mycorrhizal and non2mycorrhizal plant rhizosphere.
A :交换态 Exchangeable ,B : 碳酸态 Carbonates , C : Fe2Mn 态 Fe2Mn
oxides ,D :有机态 Organic bound. ; Ⅰ. 非菌根 Non2mycorrhiza , Ⅱ. 菌
根 Mycorrhiza.
　　在菌根和非菌根根际土中 ,不同形态 Cu、Zn 含
量发生了改变. 与非菌根根际相比较 ,碳酸盐态和铁
锰氧化态 Cu、Zn 没有显著不同 ,但 Cu、Zn 的有机结
合态在菌根际根中呈显著增加趋势. 其中 ,有机结合
态 Cu 增加 18 倍 ,有机结合态 Zn 增加 44 倍. 植物主
要吸收土壤溶液中自由态元素[8 ] ,菌根根际中有机
结合态 Cu、Zn 呈显著增加的趋势 ,降低了元素的有
效性 ,可能减少植物对土壤中过量 Cu、Zn 的吸收.
该结果与表 2 所示菌根植物中 Cu、Zn 含量低于非
菌根植物的结果一致. 根际土壤中金属形态的变化
与土壤 p H、Eh 的变化、根系分泌物以及土壤微生物
活动等有关[14～16 ] . Denny 和 Ridge[4 ] 以及黄艺
1687 期 　　　　　　　黄 　艺等 :污染条件下 VAM 玉米元素积累和分布与根际重金属形态变化的关系 　　　　　　　　
等[10 ]在研究外生菌根中发现 ,菌丝分泌物能积累大
量的重金属. 该研究表明 ,菌根根际中有机结合态
Cu、Zn 相对较高 ,可能是由于植物根系受菌根菌的
影响 ,改变了根系分泌物的数量和成分 ,以及大量菌
丝分泌物进入根际土壤 ,使得根际中大量的 Cu、Zn
与有机酸结合. 非菌根际中交换态 Cu 较菌根际中
减少 ,可能是非菌根植物对 Cu 的吸收速率超过了
活化和迁移速率 ,造成非菌根根际 Cu 亏损[1 ] . 然
而 ,该结果无法在该研究中得到很好的解释 ,还须在
今后的研究中对 Cu 的交换态作特别的研究.
与非根际土相比 ,无论是菌根还是非菌根根际
土壤中碳酸盐态、铁锰氧化态 Cd 都呈减少的趋势 ,
交换态 Cd 在非菌根根际中显著增加 ,在菌根际中
略有下降 (图 2) . 比较菌根根际和非菌根根际中 Cd
不同形态的相对改变量 ,非菌根根际中碳酸盐态 Cd
为菌根根际中的 5 倍 ,铁锰氧化态 Cd 为 7 倍 ,且差
异显著. 该结果表明 Cd 的形态在非菌根根际中由
松结合态到紧结合态转移的速度和强度都大于菌根
根际中 ,与上述 Cd 在非菌根植物中积累量小于菌
根植物中的结论相吻合.
菌根环境对金属的迁移、转化有很大影响 ,金属
在这特定微生态环境中的化学行为直接影响它们对
植物的有效性[14 ] . 上述实验结果表明 ,在污染状况
下 ,菌根玉米中 Cu、Zn、Pb 的含量显著小于非菌根
玉米 ,说明菌根能阻止过量金属进入植物 , 从而减
弱重金属对植物正常生理代谢的负面影响. 同时 ,在
菌根根际中 ,Cu、Zn、Pb 的有机结合态显著高于非
菌根根际 ,说明菌根可能通过调节玉米根际中金属
形态来影响金属有效性 ,从而达到阻止过量金属进
入植物 ,提高植物对过量金属污染的抗性. 菌根可
能通过调节根际中 p H、Eh 值和根系分泌物来影响
根际中金属的形态[10 , 16 ,20 ] . 张福锁等[22 ]在研究植
物吸收 Cd 的根际因素时发现 ,植物根系分泌特定
有机酸和酚类化合物与根际中的金属形成稳定的配
合体 ,减低金属的有效性. 菌根对金属元素在土壤2
根际2植物系统中迁移和转化的作用 ,是了解菌根植
物金属抗性机理的关键. 在过量金属胁迫条件下 ,菌
根根际对金属在根际中行为的影响和植物对过量重
金属适应过程和机理还需要做进一步研究.
参考文献
1 　Bradley R ,Burt AJ ,Read DJ . 1981. Mycorrhizal infection and resis2
tance to heavy metal toxicity in Calluna v ulgaris . Nat ure ,292 :
335～337
2 　Bradley R ,Burt AJ , Read DJ . 1982. The biology of mycorrhiza in
the Ricacacea Ⅷ. The role of mycorrhizal infection in heavy metal
resistance. New Phytol ,91 :197～209
3 　Chen Y2J (陈学键) , Tao S (陶 　澍) ,Deng B2S (邓宝山) , et al .
2000. Variation of copper and lead fraction in rhizosphere soil. Acta
Sci Ci rcum (环境科学学报) ,20 (3) :365～369 (in Chinese)
4 　Denny HJ ,Ridge Ⅰ. 1995. Fungal slime and its role in the mycor2
rhizal amelioration of zinc toxicity to higher plants. New Phytol ,
130 :252～257
5 　Diaz G ,Azcon2Aguilar C , Honrubia M. 1997. Influence of arbuscu2
lar mycorrhizae on heavy metal (Zn and Pb) uptake and growth of
L ygeum spart um and A nthyllis cytisoides . Plant and Soil , 180 :
241～249
6 　Duck THA ,Visser P ,Ernst WHO ,Schat H. 1986. Vesicular2arbus2
cular mycorrhizae decrease zinc toxicity to grasses growing in zinc
polluted soil. Soil Biol Biochem ,18 :331～333
7 　Gildon A , Tinker PB. 1983. Interactions of vesicular2arbuscular my2
corrhizal infections and heavy metals in plants. New Phytol ,95 :263
～268
8 　Hamon A ,Lorenz SE ,Holm PE. et al . 1995. Changes in trace met2
al species and other components of the rhizosphere during growth of
radish. Plant Cell Envi ron ,18 :749～756
9 　Hartley J ,Carrney J ,Sanders FE ,Mehary AA. 1997. Toxic interac2
tions of metals ions ( Cd , Pb , Zn and Sb3 + ) on i n vit ro biomass
production of ectomycorrhizal fungi. New Phytal ,137 :551～562
10 　Huang Y(黄 　艺) , Tao S (陶 　澍) ,Chen Y2J (陈有键) . 2000.
Accumulation and distribution of Cu and Zn in mycorrhizal Pinus
sylverst ris and its associated ectomycorrhizal fungous S uill us bovi2
nus . Envi ron Sci (环境科学) ,21 (2) :1～6 (in Chinese)
11 　Jones MD , Hutchinson TC. 1986. The effect of mycorrhizal infec2
tion on the response of Bet ula papyrif era to nickel and copper.
New Phytol ,102 :429～442
12 　Kabata2Pendias A , Pendias H. 1985. Trace Elements in Soils and
Plants. Boca Raton ,Florida :CRC Press.
13 　Liao Z2J (廖自基) . 1992. Environmental Chemistry and Bio2avail2
ability of micronutrients. Beijing : China Environmental Science
Press. (in Chinese)
14 　Liu Z2Y(刘芷宇) . 1980. Review of study on nutrition environment
in soil2root region. Progr Soil Sci (土壤科学进展) , 8 (3) : 1～11
(in Chinese)
15 　Lu W2L (陆文龙) , Chao Y2P (曹一平) , Zhang F2S (张福锁)
1999. Role of root2exuded organic acids in mobilization of soil and
micronutrients. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,10 (3) :379～
382 (in Chinese)
16 　Nye PH. 1981. Change of p H across the rhizosphere induced by
roots. Plant and Soil ,61 :6～12
17 　Rauser WE. 1990. Physochelatins. A nnu Rev Biochem ,59 :61～86
18 　Steffens J C. 1990. The heavy metal2binding peptides of plants. A n2
nu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol ,41 :553～575
19 　Tao H2Q (陶红群) ,Li X2L (李晓林) ,Zhang J2L (张俊铃) . 1997.
Effect of VA2mycorrhizal infection on growth and nutrient uptake
of red clover at different Zn supply levels. Chin J A ppl Envi ron Bi2
ol (应用与环境生物学报) ,3 (3) :63～67 (in Chinese)
20 　Tessier A , Campbell PGC ,Bisson M. 1979. Sequential extraction
procedure for the speciation of particulate trace metals. A nal
Chem ,51 :844～851
21 　Wilkins DA. 1978. The measurement of tolerance to edaphic factors
by means of root length. The New Phytol ,80 :623～633
22 　Zhang F2S(张福锁) , et al . 1998. Environmental Stress and Nutri2
tion in Rhizosphere. Beijing :China Agricultural Press. (in Chinese)
作者简介 　黄 　艺 ,女 ,1964 年生 ,博士 ,副教授 ,主要从事
环境生物学和环境生态学研究 ,发表论文 12 篇. E2mail :
yhuang @urban. pku. edu. cn
268 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷