全 文 ：菌根植物根际环境对污染土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd
形态的影响 3
黄　艺 3 3 　陈有键　陶　澍　(北京大学城市和环境学系 ,北京 100871)
【摘要】　采用根垫法和连续形态分析技术 ,分析了生长在污灌土壤中菌根小麦和无菌根小麦根际 Cu、Zn、Pb、
Cd 的形态分布和变化趋势. 结果表明 ,与对照土壤相比 ,菌根际土壤中交换态 Cu 含量显著增加 ,交换态 Cd 呈
减少的趋势 ;与非菌根际相比 ,Cu、Zn、Pb 的有机结合态在菌根根际中显著增加 ,而 4 种测定金属的碳酸盐态和
铁锰氧化态都没有显著改变. 该结果表明 ,植物根系能影响根际中金属形态的变化 ,且菌根比无菌根的影响程
度大. 在土壤金属浓度过量的情况下 ,菌根可通过调节根际中金属形态从而调节土壤中金属的生物有效性. 文
章还讨论了菌根引起重金属形态改变的原因.
关键词 　菌根 　根际 　重金属 　金属形态
Effect of rhizospheric environment of VA2mycorrhizal plants on forms of Cu, Zn , Pb and Cd in polluted soil.
HUAN G Yi , CHEN Youjian and TAO Shu ( Depart ment of U rban and Envi ronmental Sciences , Peking U niversity ,
Beijing 100871) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (3) :431～434.
Maize ( Zea m ays L . ) was inoculated with or without VA mycorrhizal ( Glom us mosseae) and cultivated in a heavy
metals contaminated soil. The distribution and dynamics of Cu ,Zn ,Pb and Cd forms in rhizosphere of maize inoculated
with or without VA2mycorrhizal were analyzed with the technique of sequential extraction. Comparing with control
soil , exchangeable Cu in rhizospheric soil increased significantly , and the exchangeable Cd trended down. In rhizo2
sphere of VA2mycorrhizal maize , the amounts of Cu , Zn and Pb bound to organic matter were significantly higher than
those in rhizosphere of non2mycorrhizal maize , while the four tested metals bound to carbonates and to iron and man2
ganese oxides were constant in rhizosphere of mycorrhizal and non2mycorrhizal maize. These results illustrated that the
plant roots could influence the distribution and dynamics of metal forms in rhizosphere , and much for mycorrhizal
plants than for non2mycorrhizal plants. At excessive concentration of soil metals , mycorrhizal roots might decrease the
bio2availability of toxic heavy metals by changing their forms. The factors that caused the change of metal fractions in
rhizosphere of mycorrhizal and non2mycorrhizal plants were also discussed.
Key words 　VA2mycorrhiza , Rhizosphere , Heavy metal , Metal form.
　　3 国家杰出青年基金 (49525102) 和国家自然科学基金资助项目
(39870611) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 06 - 25 收稿 ,1999 - 11 - 12 接受.
1 　引 　　言
菌根是植物根系和真菌形成的一种共生体. 在这
个共生体系中 ,真菌从植物中获得光合作用产物 ,植物
通过根外菌丝吸收土壤中的矿质养分[11 ] . 菌根与土壤
的交互作用形成菌根际 ,它是由有生命的真菌、植物和
非生命的土壤形成的微生态系统. 系统中植物和真菌
的生长代谢影响着土壤的理化性质 ,同时 ,土壤性质的
变化影响着植物的生长和真菌对矿质养分的吸收.
对根际的研究揭示 ,根际环境的状况直接影响重
金属在土壤2植物系统中的迁移和转化[17 ,27 ] ,而重金
属形态与金属的迁移、转化和生物有效性有着密切的
关系. 因此 ,根际土壤金属形态问题成为土壤中污染重
金属研究中一个十分重要的部分. 陈有监等[4 ]发现 Cu
的形态在小麦根际土壤中发生变化[5 ] . Shuman 等[22 ]
在研究水稻对重金属形态影响 ,发现耐重金属水稻在
栽培期间 ,通过将土壤中交换态锌转化为氧化态锌从
而降低 Zn 的毒性. Mench 等[18 ]发现燕麦根系分泌物
通过溶解铁氧化物增加 Zn、Cd 等的生物有效性. 对菌
根的研究 ,主要集中在谷类植物对 N、P 及 Cu、Zn 和
Mg 的影响方面[1 ,2 ,13 ,16 ,20 ] . 这些研究结果证实菌根可
能通过改变根系分泌物改变了植物的根际环境 ,从而
增加了植物对矿质营养的吸收. 而关于菌根对根际金
属形态变化影响的研究甚少.
由于施用污泥和污水灌溉 ,重金属污染是我国农
田土壤污染的问题之一. 重金属在土壤中的分布状况
和化学行为 ,除与土壤本身性质有关 ,还与植物根系的
吸收和分泌作用及根表面的理化性质有密切关
系[9 ,10 ,15 ] . 对占植物种类 80 %的菌根植物的根际重金
属形态进行深入研究 ,了解菌根中植物、微生物的综合
作用对根际重金属形态和分布的影响 ,对揭示重金属
应 用 生 态 学 报 　2000 年 6 月 　第 11 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2000 ,11 (3)∶431～434
在土壤2植物体系中的转化规律 ,发展污染土壤回复技
术具有重要理论意义. 本研究用根垫法和 Tessier[23 ]的
形态分析技术 ,研究小麦菌根和非菌根环境中 Cu、Zn、
Pb、Cd 的形态变化和分布状况 ,了解重金属污染状况
下菌根际土壤重金属形态转化规律.
2 　材料与方法
211 　供试材料
21111 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 ,其有机质和重金属含量见表 1.
表 1 　供试土壤有机质和重金属总量
Table 1 Content of organic matter and heavy metals in testing soil
有机质
Organic
matter
(g·kg - 1)
Cu
(mg·kg - 1)
Zn
(mg·kg - 1)
Pb
(mg·kg - 1)
Cd
(mg·kg - 1)
含量 37. 4 166. 0 332. 6 132. 7 2. 59
Content
21112 供试植物 　为玉米 ( Zea m ays L . ) .
21113 供试菌种 　为 AV 菌根菌 ( Glom us mosseae) .
21114 根垫装置 　由两个大小不一的方盒相叠组成 (图 1) . 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 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.
图 1 　根垫装置示意图
Fig. 1 Sketch of root lay.
Ⅰ. 根垫 Roots , Ⅱ. 尼龙网 Nylon nets , Ⅲ. 根际土 Rhizospheric soil.
212 　植物接种、培养与实验处理
21211 接种 　在上述根垫装置上盒中将寄主为玉米的 Glom us
mosseae 菌根土与测试土壤 1∶10 拌匀. 植物生长 4 周后用 Vier2
heilig 等[24 ]的方法染色鉴定. 4 周接种率在 90 %以上.
21212 培养 　20 颗玉米种子分别在 10 %的 H2O2 中浸泡 30
min 灭菌 ,在培养皿中发芽至露白后移栽在根垫装置上盒内.
培养装置在间歇关照条件下培养 7 周后取样分析. 培养期间每
天在 8500lux 下光照 13h (平均 25 ℃) ,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.
21213 处理 　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.
213 　样品测定
21311 金属形态分析 　采用改进的 Tessier [23 ]连续浸提法. 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.
21312 消解 　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 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 　根际和非根际 Cu、Zn、Pb、Cd 形态变化
与非根际相比 ,无论是菌根还是非菌根植物 ,根际
土金属形态都发生了一定的变化. 表 2 列出了根际和
非根际土中不同形态金属含量的测定结果和方差分析
结果. 测定的 4 种金属的 5 个形态中 ,变化量最大的是
可交换态 Cu. 与非根际相比 ,植物根际土中可交换 Cu
有显著增加的趋势 ,在无菌根和有菌根条件下分别增
加了 26 %和 43 %. 在非菌根际中 ,Cu 的铁锰氧化态和
有机结合态没有显著变化. 水溶态和交换态是土壤金
属中具有直接生物有效性的形态[5 ] . 根际中可交换态
Cu 增加说明植物根系活化了根际土壤内 Cu ,使土壤
中 Cu 由紧结合态向松结合态转移 ,而且 Cu 转移速度
可能大于植物吸收的速度. 王建林等[25 ]在研究水稻根
表 2 　非菌根际、菌根际和非根际土 Cu、Zn、Pb、Cd形态分布 ( n = 8)
Table 2 Distribution of different speciations of Cu, Zn , Pb and Cd in rhizo2
sphere of non2mycorrhizal and mycorrhizal and bulk soil
金属形态
Speciations
非根际土
Rhizosphere of
mycorrhiza
非菌根际土
Rhizosphere of
non2mycorrhiza
(g·mg - 1)
菌根际土
Bulk soil
Cu 交换态 Exchangeable 0. 588 0. 74 3 3 0. 84 3 3
碳酸态 Carbonates 4. 59 4. 78 4. 71
铁锰态 Fe2Mn oxides 19. 98 19. 60 20. 72
有机态 Organic bound 45. 56 45. 99 53. 64 3
残渣态 Residuals 94. 19 93. 67 86. 09
Zn 交换态 Exchangeable - - -
碳酸态 Carbonates 21. 40 23. 81 3 24. 40 3
铁锰态 Fe2Mn oxides 59. 77 60. 20 57. 58
有机态 Organic bound 23. 41 21. 08 31. 38 3 3
残渣态 Residuals 228. 02 227. 51 219. 24
Pb 交换态 Exchangeable - - -
碳酸态 Carbonates 14. 88 15. 07 16. 33
铁锰态 Fe2Mn oxides 32. 66 31. 39 35. 17
有机态 Organic bound 26. 97 25. 58 30. 19 3
残渣态 Residuals 58. 19 60. 66 51. 01
Cd 交换态 Exchangeable 0. 320 0. 345 0. 317
碳酸态 Carbonates 0. 557 0. 471 3 0. 528
铁锰态 Fe2Mn oxides 0. 537 0. 499 0. 533
有机态 Organic bound - - -
残渣态 Residuals 1. 109 1. 214 1. 1473 P < 011 , 3 3 P < 0105 , - 未检出 No detected.
234 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
际中铁形态转化时有类似的结果. Zn 在根际中的变化
趋势与 Cu 相似 ,但 Zn 的可交换态浓度低于检测下
限 ,其碳酸盐态有显著增加趋势 ,可见 Zn 的移动性比
Cu 差. 与 Cu、Zn 形态在根际中的变化不同 ,交换态 Cd
在根际中略有增加 (8 %) ,碳酸盐态则呈显著减少趋
势.这与 Xian 等[26 ]和 Chen 等[6 ]的结果相似. 根际中
Cd 形态分布向结合较强方向转移的结果 ,可能与植物
对非必需元素的抗性反应有关. 在 Cd 的胁迫作用下 ,
植物可能通过改变 p H 和根系分泌物组分增加 Cd 的
强结合态 ,减小其生物有效性以减少植物受毒害程度.
312 　菌根和非菌根植物根际中 Cu、Zn、Pb、Cd 形态状
况比较
菌根际和非菌根际环境对金属形态的不同影响主
要表现在交换态和有机结合态的差别上.
图 2 展示了交换态 Cu 和 Cd 在菌根和非菌根际环
境中相对于非根际土壤中的改变量. 受菌根影响 ,菌根
际土壤中 Cu 交换态含量高于非菌根际土壤 ,而交换
态 Cd 呈下降趋势 ,说明菌根对 Cu 有更强的活化能
力.有研究表明 ,菌根能增加植物对微量元素特别是
Cu、Zn 的吸收[12 ,19 ,21 ] . 本研究结果也说明菌根菌可能
通过增加 Cu 的交换态而增加其生物有效性.
图 2 　菌根和非菌根对根际交换态 Cu、Cd 的影响
Fig. 2 Impact of mycorrhizal and non2mycorrhizal roots on the exchangeable
Cu and Cd in rhizospheric soil.
Ⅰ. 菌根 Mycorrhiza , Ⅱ. 非菌根 Non2mycorrhiza. 下同 The same below.
　　菌根和非菌根对根际有机结合态金属的影响也不
相同. 与非根际土相比 ,菌根际土壤有机结合态金属含
量显著增加 ,非菌根有机结合态金属含量有下降的趋
势 (表 2) . 与非菌根相比 ,菌根际有机结合态 Cu、Zn、
Pb 的含量分别增加 16 %、44 %和 20 % ,且差异显著
(图3) . 这一结果可能与VA菌根对过量金属的抵抗
特性有关. 有学者[8 ,14 ]在解释菌根植物对高浓度 Cu、
Zn、Cd 等的抗性时指出 ,菌根可能通过改变土壤 p H
值和分泌物的成分 ,减弱其生物有效性. 同时 ,有研究
证明外生菌根菌的菌丝对金属有强大的螯合能力[7 ] ,
说明该结果也有可能是大量金属结合在 VA 菌丝内 ,
菌丝透过尼龙纱网进入根际土层 ,使得菌根际的有机
结合态金属显著增加所致.
图 3 　菌根和非菌根对金属有机结合态的影响
Fig. 3 Impact of mycorrhizal and non2mycorrhizal roots on organic bound
Cu ,Zn and Pb in rhizospheric soil.
元素在根际中的分布和化学行为 ,除受土壤性质
影响外 ,还与植物根系的特性和在土壤中的活动有关 ,
即与根的吸收和分泌作用及根表面的理化性质有密切
关系[16 ] . VA 菌与植物共生形成 VA 菌根后 ,一方面在
根内皮层细胞间和细胞内伸展穿行 ,另一方面向根外
土壤中分枝扩散 ,形成庞大的根外菌丝体. 菌根际金属
形态改变实质上是植物、微生物及其结合体对土壤金
属形态影响的综合结果. 菌根环境对金属形态的影响
大于非菌根的结果 ,证明菌根土壤微生物群的数量和
活动是影响根际金属形态的主要因素之一 ,作为根系
一部分的菌根菌 ,能显著影响根际土壤中各金属形态
的分布以及他们的生物有效性[3 ] . 本研究发现 ,菌根
际交换态 Cu 增加而交换态 Cd 降低 ,意味着菌根对生
物必需元素和非必需元素影响的差别. 菌根是通过调
节根际环境中的何种因子使得根际土壤中的金属形态
分布向有利于植物生长的方向改变 ,是一个值得继续
研究的问题.
4 　结 　　论
受根垫影响 ,根际土壤中除 Cd 外 ,Cu、Zn、Pb 的
形态由紧结合态向松结合态转移 ,植物根系活化了土
壤中的金属. 菌根环境对土壤中交换态和有机结合态
含量有较大的影响. 与非菌根相比较 ,其必需元素 Cu、
Zn 交换态含量增加 ,非必需元素 Cd 交换态含量减少.
同时 ,Cu、Zn、Pb 的有机结合态含量在菌根际中都高
于非菌根际.
致谢 　实验用菌种由中国农业大学资源与环境学院李晓林教
授赠送 ,在此感谢.
3343 期 　　　　　　　　　　黄 　艺等 :菌根植物根际环境对污染土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 形态的影响 　　　　　　　　　
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作者简介 　黄 　艺 ,女 ,1964 年生 ,1997 年 7 月在德国 Bielefeld
大学获自然科学博士 ,现为北京大学城环系博士后. 主要研究
方向为环境生物学和环境生态学. 发表论文 10 篇. E2mail :
yhuang @urban. pku. edu. cn
434 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷