全 文 ：第 25卷第 6期
2005年 6月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.6
Jun.,2005
蚯蚓-菌根在植物修复镉污染土壤中的作用
成杰民1,俞协治2,黄铭洪2
(1.山东师范大学人口资源与环境学院,济南 250014;2.香港浸会大学生物系 裘槎环境科学研究所,九龙塘 香港)
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271068);山东省自然科学基金资助项目(Y2002E02)
收稿日期:2004-09-03;修订日期:2005-03-11
作者简介:成杰民(1958～),女,山东济南人,博士,教授,主要从事土壤污染的植物修复研究.E-mail:jmcheng2002@hotmail.com
Foundationitem:NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.40271086);NaturalScienceFoundationofShandongProvince(No.
Y2002E02)
Receiveddate:2004-09-03;Accepteddate:2005-03-11
Biography:CHENGJie-Min,Ph.D.,Professor,mainlyengagedinphytoremediationofsoilcontamination.E-mail:jmcheng2002@hotmail.com
摘要:以灰化土(Aquods)为供试土壤,分别加入 4个浓度的 Cd2+(0,5,10,20mg/kg)模拟土壤污染,设置每钵接种 8条蚯蚓
(Pheretimasp.)、接种菌根(InoculumEndorize-Mix2)和同时接种蚯蚓和菌根的处理,以不加蚯蚓和菌根为对照,并种植黑麦
草(Loliummultiflorum),研究蚯蚓菌根相互作用对Cd污染土壤中黑麦草生长及土壤中Cd生物有效性的影响。结果表明:菌根
浸染率不受添加 Cd浓度的影响,平均浸染率为 22%,加入蚯蚓能使菌根的侵染率提高 9%。在 Cd污染土壤上,引进蚯蚓显著
增加了黑麦草地上部的生物量,接种菌根对黑麦草地上部分产量没有明显影响,同时接种蚯蚓和菌根与只接种蚯蚓相比没有显
著差异。蚯蚓活动显著提高了土壤中 CaCl2-Cd的含量,而菌根只在低浓度 Cd处理上增加了土壤中 CaCl2-Cd含量,二者对
H2O-Cd、DTPA-Cd均无显著影响,蚯蚓和菌根对增加土壤有效态 Cd含量不存在协同作用。蚯蚓活动促进了黑麦草对 Cd的吸
收,但吸收的 Cd积累于黑麦草根部。接种菌根不仅能促进黑麦草对 Cd的吸收,而且还能促进 Cd从植物的根部向地上部分转
移,由于接种蚯蚓可以提高菌根的浸染率,所以二者具有促进 Cd向地上部转移的协同作用。这对于重金属污染土壤的植物修
复具有十分重要的意义。
关键词:蚯蚓;菌根;植物修复;Cd;土壤污染
文章编号:1000-0933(2005)06-1256-08 中图分类号:Q143,Q938,Q958,S154,X131.3 文献标识码:A
Rolesofearthworm-mycorrhizainteractionsonphytoremediationofCdconta-
minatedsoil
CHENGJie-Min1,YUXie-Zhi2,WONGMing-Hung2 (1.CollegeofPopulation,ResourcesandEnvironmentalSciences,
ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China;2.CroucherInstituteforEnvironmentalSciences,andDepartmentofBiology,HongKong
BaptistUniversity,KowloonTong,HongKong,China).ActaEcologicaSinica,2005,25(6):1256～1263.
Abstract:Therehasbeenincreasinginterestindevelopingaplant-basedtechnology(phytoremediation)toremediateheavy
metal-contaminatedsoils.Theprimaryobjectiveofthistechnologyistomaximizethetransferofheavymetalstoplantssothat
thegreatesttotalmassofcontaminantisremovedbyeachcropping.Slowgrowthrateandlowbiomassofhyperaccumulating
plantsmaylimittheutilityofphytoremediationtechnology.Inaddition,thelowbioavailabilityofheavymetalsinthesoilalso
restrainsthistechnologyapplication.
Earthwormisanimportantcomponentsofplantrhizosphereecosystem,anditsignificantlycontributestototalsoilorganic
matter,enhancenutrientcycling,improvesoilphysicalconditions,modifysoilpHandpromoteplantgrowth,andableto
increasemetalbioavailabilityinsoilthroughburrowingandcasting.Thearbuscularmycorrhiza(AM)fungiareimportant
rhizosphericmicroorganisms.Theycanincreaseplantuptakeofnutrientsandconsequentlyincreaserootandshootbiomassand
improveplantgrowth.AvailableevidencessuggestthatAM fungicancolonizeplantrootsinmetalcontaminatedsoil,while
theireffectsonmetaluptakebyplantareconflictinginpreviousstudies.Inordertounderstandthecomplexinteractions
betweenroots,earthwormsandarbuscularmycorrhiza(AM)intherhizosphereinmetalcontaminationsoil,presentstudy
focusesoninvestigatingtheeffectsofinoculationofearthwormsand/orarbuscularmycorrhiza(AM)
===================================================================
onryegrassgrowthand
bioavailabilityofCdinCd-contaminatedsoil.
Aquodsfrom LaitiaoVilage,HongKongwasusedinthelaboratoryincubationexperiment.ThesoilhadapH (in
water)of6.73,andtheconcentrationofDTPAextractableCd(atpH7.3)wasundetectable.Thesoilwassteam-sterilized
(121℃ for2h)byautoclavingtoeliminatenativeAM propagules.Soilinpots(1.0kgperpot)wasamendedtocontain0,5,
10and20mgCd/kgbyaddingCdCl2.Afterincubationfor2monthsat20℃ andmoisturecontentof70%,althepotswere
dividedintofourgroups,withonefolowingtreatmentrespectively:earthworm[8individualearthworms(Pheretimasp.)per
pot],arbuscularmycorrhiza(AM)[30g/kgsoil],combinationofearthwormsandAM,andwithoutearthwormandAM.
Eachpotwasreceived15pre-germinatedryegrass(Lolium multiflorum)seeds.Theearthwormsusedforthepresent
experimentwerewashedfreeofsurfacesoilwithdistiledwaterandkeptinsterilizedglassvesselsfor24htominimizethe
numberofnaturaly-occurringmycorrhizalpropagulesassociatiedwiththeirsurfacesorgutcontents.Eightearthwormswith
similarfreshweight(0.6g).Thearbuscular-mycorrhizalfungi(AMF)inoculumwasamixtureofGlomusmosseaeandGlomus
intraradices(InoculumEndorize-Mix2)purchasedfromBiorizeSarl,France.Seedsofryegrass(L.multiflorum)weresurface
sterilizedina10% (v/v)solutionofhydrogenperoxidefor10min.
Theresultsfrom thisstudyshowedthatthatbothearthwormsandmycorrhizawereabletosurviveinaltheCd
treatmentsafterfiveweeks,butthegrowthofearthwormsdeclinedwiththeincreaseofCdadded.Comparedwithnon-
earthworm,earthwormtreatmentincreased9% rootinfectionrate,significantlyincreasedshootbiomassofryegrass,increased
Cdconcentrationinsoilextractedby0.01mol/LCaCl2 inalCdtreatments,andresultedintheincreaseofrootCd
concentration.Comparedwithnon-inoculation,inoculationmycorrhizaalonedidnotaffectryegrassbiomass,however,
significantlyincreasedCdconcentrationinshootandroot.Earthworms-mycorrhizacombinationdecreasedshootbiomassof
ryegrasscomparedwithearthwormsalone,andincreasedshootCdconcentrationinthetreatmentsof5and10mgCd/kgsoil,
whencomparedwithearthwormsormycorrhizaalone.
Inconclusion,earthworms,mycorrhizaandtheircombinationmayhavepotentialrolesinincreasingplantbiomassand
enhancingmetaluptakebyplant,andconsequentlyelevatingphytoextractionefficiencyinlow tomedium levelmetal
contaminatedsoil.Furtherinvestigationisnecessarytostudyhostplant-AM fungiassociationsintheothermetalpolutedsoils
andinparticulartheinteractionsbetweenroots,microorganismsandanimalsinrhizosphere.
Keywords:cadmium;earthworm;mycorrhiza;phytoremediation;soilcontamination
植物修复(phytoremediation)是一种新兴的治理重金属污染土壤的绿色生物技术[1],其技术应用成功与否除了与植物本身
积累重金属能力有关外,还受制于两个因素。一是超积累植物的生长速度慢和生物量小,二是土壤中重金属的生物有效性低。就
第 1个限制因素而言,一方面要继续筛选生长快、生物量大的超积累植物品种[2];另一方面是要努力改善土壤的水分、养分等条
件以提高植物生物量。就第 2个限制因素而言,提高土壤中重金属的生物有效性是关键。
为了提高土壤中重金属的生物有效性,近年来人们提出一种"螯合诱导-植物修复"技术(chelate-inducedphytoremedia-
tion),即向土壤中加入螯合剂(EDTA、DTPA、HEDTA、NTA等)使被土壤固相键合的重金属重新释放并进入土壤溶液,成为
溶解态或易溶态[3～8]。"螯合诱导修复"技术的确能有效提高重金属的生物有效性,但治理成本过高[9],且有相当的环境风险[10]。
显然需要提出更好的方法。
在未污染土壤上,蚯蚓在改良土壤结构,提高土壤肥力,促进植物生长,增加植物产量等方面的重要作用已为许多研究所证
明[11～14].也有研究证实了即使在重金属污染土壤上,只要是对重金属有一定耐受力的蚯蚓品种,仍能促进植物生长[15]。某些蚯
蚓品种能存活于重金属污染土壤[16],并可通过肠道消化和养分富集两个过程可以提高土壤中植物养分(Mg、Ca、Fe、Mn)和金
属元素(Cr和Co)的有效性[17]。Ma等[18]在用人工无污染土稀释的铅锌矿砂上,发现蚯蚓活动使土壤有效态Pb、Zn含量分别提
高了 48.2%、24.8%。ChengandWong[19]在模拟锌污染的红壤、高砂土、黄泥土上培养蚯蚓,发现蚯蚓活动显著增加了红壤
DTPA提取态锌和黄泥土中的有机结合态锌。
作为根系一部分的菌根菌,可通过扩大植物根系的吸收面积、分泌有机酸和一些离子、降低菌丝际土壤 pH值、加速养分元
素的循环等机制[20,21],促进植物对土壤中养分和矿质元素 P[22]、N[23]、K、Cu[24]、Zn[25]等的吸收,提高植物抗逆性,从而增加根系
和地上部分生物量。也有研究表明,在重金属污染土壤上菌根仍能很好的侵染植物根系[26,27],并且能通过多种机制提高植物抗
重金属能力,促进植物的生长[28]。能显著影响根际土壤中重金属形态分布以及它们的生物有效性[29],改变植物对重金属的吸收
和转移。如黄艺等[30]的研究表明菌根化根系能活化土壤中的金属,使 Cu、Zn、Pb的形态由紧结合态向松结合态转移,其中 Cu、
75216期 成杰民 等:蚯蚓-菌根在植物修复镉污染土壤中的作用
Zn的交换态和有机结合态含量增加。
既然蚯蚓和菌根都能促进植物在重金属污染土壤上生长,蚯蚓又可以选择性地摄取菌丝[31]、被侵染的植物根[32,33]、或含有
菌根孢子的土壤作为食物,经过肠道后,通过粪便排出[34],从而影响根系菌根的侵染。那么蚯蚓和菌根的相互作用,能否进一步
促进重金属污染土壤上植物生长?能否进一步增加土壤中重金属的生物有效性?相关研究鲜见报道。该问题的解决不仅有助于
人们了解蚯蚓、菌根相互作用对重金属污染土壤中植物生长的影响,而且还可为促进植物修复技术进一步发展提供理论依据。
本文以灰化土为供试土壤,对重金属污染有一定耐受能力的环毛蚓 (Pheretimasp.)为供试蚯蚓,以 InoculumEndorize-
Mix2为供试菌种,着重研究蚯蚓与菌根相互作用对模拟 Cd污染土壤上黑麦草产量和土壤中重金属的生物有效性的影响,为
进一步利用蚯蚓改善植物修复技术、增加重金属污染土壤中植物产量以及应用于矿区污染土壤的复垦提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试土壤、蚯蚓、菌根菌种与黑麦草
供试土壤采自香港新界莱洞村灰化土(Aquods)耕层土壤(0～20cm)。土壤去除石块、根等杂物,风干、过 10目筛后,于高
压灭菌锅内高温(121℃)灭菌 2h,以去除土壤土著菌根。土壤的基本性状见表 1。
表 1 供试土壤基本理化性状
Table1 Thephysicalandchemicalpropertiesofsoilsforpottest
项目
Items
粘粒含量
<0.01mm
Clay(%)
有机质
OrganicC
(g/kg)
全 N
TotalN
(g/kg)
速效 K
ExtractableK
(mg/kg)
全 P
TotalP
(g/kg)
全量铜
TotalCu
(mg/kg)
全量镉
TotalCd
(mg/kg)
有效铜
AvailableCu
(mg/kg)
有效镉
AvailableCd
(mg/kg)
pH
含量 Content 43 27.9 0.027 98.3 1.23 3.50 ND 0.52 ND 6.73
ND 未检出 Nodeterminate,下同 thesamebelow
(1)供试蚯蚓 (Pheretimasp.) 同样采自香港新界莱洞村菜地附近无污染土壤。蚯蚓用去离子水洗净,于无菌塑料培养皿
(每个 8条,每条平均鲜重 0.45g左右)中放置 24h,用时再用无菌水洗 1次,以尽量去除蚯蚓体表与体内肠道内的菌根孢子。
(2)供试菌根菌种 (InoculumEndorize-Mix2) 是 Glomusmosseae和 Glomusintraradices的混合菌种,购于法国 Biorize
Sarl公司。接种菌根处理每千克土样混入 30g菌种,充分混匀。
(3)供试植物黑麦草 (Loliummultiflorum) 种子使用前先用体积百分含量为 10%的 H2O2浸泡 10min灭菌,然后用无菌
水冲洗,放在无菌培养皿中萌发。
1.2 研究方法
称取 1kg过 10目筛的灭菌土壤(风干土)于塑料培养钵中,分别加入一定浓度的 CdCl2溶液,以得到 0,5,10,20mg/kg浓
度水平的 Cd污染土,充分混合后,加去离子水至田间持水量的 60%～70%,温室内培养 1个月,以平衡加入的 Cd2+。每个 Cd
浓度水平设对照(Control)、接种蚯蚓(Ew)、接种菌根(M)、同时接种蚯蚓和菌根(Ew+M)4个处理,每个处理重复 3次。
实验开始时,接种菌根处理:每 kg土壤加入 30g菌根菌种,充分混匀;无菌根处理:加入相同量的事先灭过菌的菌种;加蚯
蚓处理:加入已清洗过的蚯蚓(每 kg土样 8条);然后每盆加入一定量尿素、磷酸氢二钾溶液使每盆土壤得到养分 162mg/kg
N,126mg/kgK,50mg/kgP;最后均匀地播种事先已萌发的黑麦草种子 15颗;加入去离子水使土壤水分保持在田间持水量
的 60%～70%,温室内(22～25℃)培养 5个星期后分别收获地上部和地下部。
1.3 分析方法
地上部和根洗净、吸干附着水分后分别称鲜重,部分鲜根留作测定菌根侵染率,其余在 70℃烘箱中烘干后称干重,然后粉
碎过 0.25mm筛,样品用来分析Cd含量。土样风干磨细过 20目筛后分析有效态Cd含量。土壤有效态Cd含量测定、植株中Cd
含量测定、土壤理化性质测定见参考文献[35]。
菌根侵染率的测定 洗净的鲜根放于甲醛-冰醋酸-乙醇(12.5:12.5:200体积比)固定液中保存。临测定时,根用自来水
冲洗干净并剪成 1cm长的根段,随机选取部分根段浸入 5%体积比的 KOH溶液中,于 90℃烘箱中放置 1h,取出后用自来水冲
洗数遍,再用 1%体积比的 HCl室温下浸泡 10min,然后根段放入 0.05%(w/v)曲利苯蓝(Trypanblue)染色液中,在 60℃烘箱
中放置 15min。染色完成后,根段做成镜片,在显微镜下用修正的十字交叉法测定根被侵染的比率(菌根侵染率)[36]。
2 结果与讨论
2.1 蚯蚓对 Cd污染土壤中菌根侵染率的影响
培养 5周后,各处理菌根侵染率的统计结果显示(表 2):没有接种菌根(Control、Ew)的各处理中,菌根侵染率均为 0;接种
菌根(M)的各处理间菌根侵染率均无显著差异,平均侵染率为 22%;而同时接种蚯蚓和菌根(Ew+M)的各处理中,平均侵染率
为 31%,与仅接种菌根(M)的处理相比,平均侵染率增加了 9%,且不同 Cd浓度处理间菌根侵染率无显著差异。
8521 生 态 学 报 25卷
表 2 黑麦草根的菌根侵染率(%)
Table2 Mycorrhizainfectionratesofryegrassroots(percentageof
totalrootlengthinfected)
处理
Treatments
Cd添加浓度水平 Cdadditionrate(mg/kg)
0 5 10 20
对照 Control 0 0 0 0
加蚯蚓 Ew 0 0 0 0
加菌根 M 22.20b 22.10b 23.80b 20.10b
加蚯蚓和菌根
Ew+M
31.30a 29.60a 32.10a 31.50a
用方差分析统计,同列若有相同字母表示 M 与 Ew+M 处理之
间无显著性差异(p>0.05),下同 Figureswithinonecolumn
folowedbythesameletterarenotsignificantly(p>0.05)different
(n=3);thesamebelow
Ew表示只接种蚯蚓的处理;M 表示只接种菌根的处理;Ew+M
表示同时接种蚯蚓和菌根的处理 Controlindicatedthetreatmentof
withoutearthwormsandmycorrhiza;Ewonlywithearthworms;M
onlywithmycorrhiza;Ew+M withearthwormsandmycorrhiza
可以看出,本研究所用菌根 Glomussp.对 Cd污染有一定
的耐性,在 Cd污染土壤上仍能很好地侵染黑麦草根。仅加蚯
蚓处理中黑麦草根没有被菌根侵染,排除了加入蚯蚓引入菌
根孢子的可能性。因此,蚯蚓、菌根同时接种后菌根侵染率的
提高(9%)可归结为蚯蚓的作用。蚯蚓可以通过选择性地摄取
菌丝[31]、被侵染的植物根[32,33]、或含有菌根孢子的土壤作为食
物,经过肠道后,通过粪便排出来[34],从而影响根系菌根的侵
染[37]。另外,菌根侵染率的提高可能与土壤中微生物和蚯蚓的
共同作用产生的植物激素有关[38～40];植物激素能明显地刺激
菌根侵染[41]。
2.2 接种菌根对 Cd污染土壤中蚯蚓生长的影响
在整个培养试验过程中,蚯蚓活性良好,土壤表面明显有
蚓粪堆积,接种蚯蚓使土壤疏松、并形成明显的土壤团粒结
构。说明所选用的环毛蚓(Pheretimasp.)对 Cd有一定的耐受
力。但所有的处理中蚯蚓鲜重均比培养前显著降低(表 3)。只
加蚯蚓的处理,蚯蚓生长率随添加 Cd浓度的增加而降低,生
长率从-33.8%降至-40.1%。同时加蚯蚓和菌根的处理,当
添加Cd浓度小于 10mg/kg时,蚯蚓生长率随添加Cd浓度的增加而增加,与对照相比分别增加了 12.1%和 38.6%,当添加Cd
浓度达 20mg/kg时,其生长率急剧下降,仅为对照的 80%左右。可能是菌根接种后提高了菌丝际土壤重金属的生物有效性[41],
同时菌丝本身可累积一定量重金属[42,43],蚯蚓通过取食菌丝间接摄入了重金属。蚯蚓吸收了较多的 Cd,进而影响了其生长。
同时接种蚯蚓和菌根的处理与只接种蚯蚓的处理相比,添加 Cd的浓度为 5和 10mg/kg的处理,接种菌根显著增加了蚯
蚓的生长率,但在添加 Cd浓度为 0和 20mg/kg的处理上则得到相反的结果。因此,需要进一步研究蚯蚓、菌根和重金属三者
之间的关系和机理,才能更好的证明在重金属污染土壤上接种菌根对蚯蚓生长率的影响。
表 3 Cd污染对蚯蚓生长的影响
Table3 EffectofCdonearthwormgrowth
处理
Treatments
项目
Items
Cd添加浓度水平 Cdadditionrate(mg/kg)
0 5 10 20
加蚯蚓 Ew 培养前蚓鲜重(g/pot)① 3.34b 3.36b 3.45b 3.77b
培养后蚓鲜重(g/pot)② 2.21a 2.11a 2.18a 2.26a
蚯蚓生长率(%)③ -33.8a -37.2b -36.8b -40.1a
加蚯蚓和菌根
Ew+M
培养前蚓鲜重(g/pot) 3.54b 3.55b 3.68b 3.71b
培养后蚓鲜重(g/pot) 2.19a 2.36a 2.82a 2.04a
蚯蚓生长率(%) -38.1b -33.5a -23.4a -45.0b
① Earthwormsweightbeforeincubation;②Earthwormsweightafterincubation;③Growthrateofearthworm
2.3 蚯蚓、菌根的相互作用对 Cd污染土壤中黑麦草生长的影响
与对照处理相比,只加蚯蚓处理的黑麦草地上部产量平均增加了 13.73%;只加菌根的处理,除添加 Cd浓度为 20mg/kg
的处理中产量显著低于对照外,其它各处理均无显著性差异;同时接种蚯蚓和菌根处理,除添加 Cd浓度为 20mg/kg时,黑麦
草地上部产量与对照相比无显著差异外,其它各处理均显著高于对照。与只加菌根的处理相比,同时加蚯蚓和菌根的处理中黑
麦草地上部产量均显著提高,只有添加 Cd浓度为 20mg/kg的处理未达到显著水平;与只加蚯蚓的处理相比,同时接种蚯蚓和
菌根的处理黑麦草地上部产量在添加 Cd浓度低于 5mg/kg时,无显著性差异,在添加 Cd浓度高于 10mg/kg时,显著低于只
加蚯蚓的处理。不论是与对照相比,还是各处理间相比,黑麦草地下部干重均无显著性差异。
上述结果说明,在重金属污染土壤上,蚯蚓活动对增加黑麦草地上部产量起着决定性作用,只接种菌根不仅没有像其在未
污染土壤上一样促进植物生长[20,21],在高浓度 Cd处理中,黑麦草产量甚至显著减少。可能是因为菌根可以提高菌丝际土壤 Cd
的生物有效性[42,43],促进植物对Cd的吸收,进而影响了植物生长[44]。同时接种蚯蚓和菌根时,菌根同样部分地抑制了蚯蚓的增
产作用。因此,蚯蚓与菌根在 Cd污染土壤上没有表现出促进植物生长的协同作用。
2.4 蚯蚓、菌根相互作用对土壤中 Cd的生物有效性的影响
95216期 成杰民 等:蚯蚓-菌根在植物修复镉污染土壤中的作用
表 5分别给出培养 5周后,3种不同处理的土壤中各形态 Cd的含量。与对照相比,不管是只接种蚯蚓或菌根,还是同时接
种蚯蚓的菌根,均对 DTPA-Cd和 H2O-Cd无显著影响。但接种蚯蚓显著提高了土壤中 CaCl2-Cd的含量,而接种菌根和同时接
种蚯蚓和菌根只在低浓度 Cd处理上增加了 CaCl2-Cd含量。
表 4 蚯蚓、菌根对黑麦草地上、地下部产量的影响 (g/盆)
Table4 Effectofmycorrhizaandearthwormonryegrassshootandrootyield(gdryweight/pot)
处理
Treatments
Cd添加浓度水平 Cdadditionrate(mg/kg)
0 5 10 20
地上部 Shoot 地下部 Root 地上部 Shoot 地下部 Root 地上部 Shoot 地下部 Root 地上部 Shoot 地下部 Root
对照 Control 1.75b 0.57a 1.84b 0.42a 1.74b 0.42a 1.78b 0.53a
加蚯蚓 Ew 2.06a 0.52a 1.99a 0.47a 2.07a 0.50a 1.96a 0.46a
加菌根 M 1.78b 0.69a 1.70b 0.45a 1.60c 0.45a 1.50c 0.48a
加蚯蚓和菌根 Ew+M 2.08a 0.48a 2.09a 0.50a 1.80b 0.38a 1.66c 0.41a
黄艺等[30]的研究发现菌根菌能够增加土壤交换态 Cu的含量,提高其生物有效性;宋勇春等[45]认为菌根真菌是通过增加
根际土壤酸性而活化重金属;也有研究者报道,菌根真菌侵染植物根系后,改变根系分泌物的数量和组成[46]影响根际圈内重金
属的氧化状态,从而引起重金属的形态变化。但本研究显示接种菌根只在低浓度 Cd处理上增加了 CaCl2-Cd含量,同时接种蚯
蚓和菌根并没有进一步提高土壤中 Cd的有效态含量,可见两者不存在着对土壤中重金属的活化的协同作用。
表 5 蚯蚓、菌根相互作用对土壤中 Cd的生物有效性的影响
Table5 Effectofearthworm-mycorrhizainteractiononbioavailabilityofCdinsoil
形态
Fractionation
处理
Treatments
Cd添加浓度水平 Cdadditionrate(mg/kg)
0 5 10 20
H2O-Cd 对照 Contral ND 0.02±0.01a 0.44±0.08a 0.30±0.01a
加蚯蚓 Ew ND 0.02±0.01a 0.33±0.02a 0.31±0.03a
加菌根 M ND 0.03±0.01a 0.29±0.01a 0.27±0.01a
加蚯蚓和菌根 Ew+M ND 0.05±0.02a 0.28±0.02a 0.27±0.01a
CaCl2-Cd 对照 Contral ND 0.43±0.04c 0.89±0.00b 1.73±0.14b
加蚯蚓 Ew ND 0.83±0.09a 0.96±0.04a 2.28±0.04a
加菌根 M ND 0.64±0.06b 0.88±0.06b 1.82±0.06b
加蚯蚓和菌根 Ew+M ND 0.70±0.04b 0.94±0.02a 1.84±0.06b
DTPA-Cd 对照 Contral ND 1.60±0.09a 3.23±0.14a 7.44±0.09a
加蚯蚓 Ew ND 1.56±0.05a 3.21±0.13a 7.72±0.14a
加菌根 M ND 1.47±0.03a 3.15±0.08a 7.13±0.13b
加蚯蚓和菌根 Ew+M ND 1.57±0.04a 3.20±0.13a 6.89±0.17b
2.5 蚯蚓、菌根的相互作用对黑麦草吸收 Cd的影响
黑麦草地上部和地下部 Cd含量均随着土壤中 Cd浓度的提高而增加,且地下部 Cd含量远高于地上部(表 6)。加蚯蚓的各
处理中,黑麦草地上部 Cd含量与对照相比均无显著差异,地下部 Cd含量则显著高于对照,接种菌根各处理中,地上部和地下
部 Cd含量分别比对照提高了 2.88～5.34,5.14～12.68mg/kg。同时接种蚯蚓和菌根的 5mg/kg和 10mg/kg的 Cd的处理
中,黑麦草地上部分 Cd含量均显著高于对照和只加蚯蚓的处理,与只加菌根的处理则无显著差异;而黑麦草根中 Cd含量与只
加蚯蚓或只加菌根的处理间均无显著性差异。
蚯蚓活动促进了黑麦草对 Cd的吸收,但吸收的 Cd积累于黑麦草根部,这与黑麦草是对重金属耐性植物,吸收的 Cd不易
向地上部分转移有关[47]。接种菌根不仅能促进黑麦草对 Cd的吸收,而且还能促进 Cd从植物的根部向地上部分转移。Schuepp
等[48]在研究较低浓度重金属污染土壤时发现,菌根真菌虽然降低了植物对Cd的吸收,却增加了同一植物对Zn的吸收。有研究
者认为,菌根可以把重金属累积在菌根菌丝体内或根的皮层细胞内[49],抑制重金属从植物根部向地上部转移[50]。菌根对植物吸
收重金属和向地上部分转移受土壤中重金属浓度[51]、土壤的物理化学性质[52]、土壤肥力水平[53]、土壤 pH[54]、宿主植物[55]、菌根
种类[56]等诸多因素影响。在本研究条件下,菌根对 Cd的吸收和向地上部分转移起着决定的作用,由于接种蚯蚓提高了菌根的
浸染率,所以可以认为二者具有促进 Cd向地上部转移的协同作用。
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表 6 蚯蚓、菌根对黑麦草地上、地下部分 Cd含量的影响
Table6 EffectofearthwormandmycorrhizaonCdconcentrationsinryegrassshootsandroots(mg/kg)
处理
Treatments
Cd添加浓度水平 Cdadditionrate(mg/kg)
0 5 10 20
地上部 Shoot地下部 Root地上部 Shoot地下部 Root地上部 Shoot地下部 Root地上部 Shoot 地下部 Root
对照 Control ND ND 5.26b 20.61b 12.69b 52.78b 19.73b 113.76b
加蚯蚓 Ew ND ND 5.37b 28.48a 12.80b 57.27a 19.34b 125.72a
加菌根 M ND ND 10.60a 27.09a 15.57a 57.92a 23.92a 126.44a
加蚯蚓和菌根 Ew+M ND ND 11.55a 27.79a 16.06a 59.88a 20.24b 123.81a
3 小结
(1)在供试土壤上和设定的浓度范围内,菌根浸染率不受添加 Cd浓度的影响,平均浸染率为 22%,加入蚯蚓使菌根的侵染
率提高 9%。
(2)在重金属污染的土壤上,只接种菌根不能提高植物地上部的产量,蚯蚓活动对提高植物地上部分产量起着决定性作用。
但同时接种菌根,可部分地抑制蚯蚓的增产作用。蚯蚓、菌根或两者的相互作用对黑麦草地下部产量均无显著影响。
(3)蚯蚓活动显著提高了土壤中CaCl2-Cd的含量,而对DTPA-Cd和H2O-Cd无显著影响。菌根只有在低浓度Cd处理上增
加了土壤中 CaCl2-Cd含量,对 H2O-Cd、DTPA-Cd没有明显影响。蚯蚓和菌根对增加土壤有效态 Cd含量不存在协同作用。
(4)蚯蚓活动促进了黑麦草对Cd的吸收,但吸收的Cd积累于黑麦草根部。接种菌根不仅能促进黑麦草对Cd的吸收,而且
还能促进 Cd从植物的根部向地上部转移,由于接种蚯蚓可以提高菌根的浸染率,所以二者具有促进 Cd向地上部分转移的协
同作用。这对于重金属污染土壤的植物修复具有十分重要的意义。
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