锌镉超富集植物伴生栽培的竞争效应及其对植物提取效率的影响机制研究

本研究针对Zn/Cd污染土壤修复需求，创新性地将伴生栽培技术应用于两种超富集植物（Sedum plumbizincicola与Noccaea caerulescens），通过42天根箱实验揭示了不同生态型组合对Zn/Cd植物提取效率的差异化影响。研究发现非矿区生态型NL与S伴生时Zn提取效率降低50%，而矿区生态型NG与S组合虽维持Zn提取量但Cd效率下降75%，为多金属污染土壤的植物修复策略提供了重要理论依据。

　　

随着工业化进程加速，锌（Zn）和镉（Cd）复合污染土壤已成为威胁生态环境和人类健康的重大隐患。这两种金属在自然界常相伴而生，却具有截然不同的生物学效应——Zn是生物必需微量元素，而Cd即使微量也存在剧毒。传统单一种植超富集植物的修复模式面临提取效率低、周期长等瓶颈，而将农业伴生栽培技术引入植物修复领域，通过物种互作提升修复效能，成为近年研究热点。然而，当两种超富集植物相遇时，是产生协同增效还是竞争抑制？这个关键科学问题尚未得到系统解答。

由中国科学院相关团队领衔的研究小组在《Journal of Environmental Management》发表的重要成果，首次揭示了Crassulaceae（景天科）的Sedum plumbizincicola（S）与Brassicaceae（十字花科）Noccaea caerulescens（含矿区NG和非矿区NL两种生态型）的相互作用机制。研究采用根箱培养系统（rhizobox）结合离子组学（ionomics）分析，通过测定生物量、根形态参数、土壤化学性质及微生物多样性等指标，在42天实验周期内动态监测了五种栽培模式下植物-土壤系统的响应规律。

关键技术方法包括：1）多生态型比较设计（矿区vs非矿区）；2）根际土壤化学性质连续监测（pH、CEC阳离子交换量等）；3）同步辐射X射线荧光光谱（μ-XRF）用于元素分布可视化；4）高通量测序分析根际微生物群落；5）生物浓缩系数（BCF）和转移系数（TF）定量评估植物提取效率。

土壤采样和植物物种
研究选用工业废弃地典型Zn/Cd/Pb复合污染土壤（初始Zn 207 mg kg^-1
，Cd 3.4 mg kg^-1
），通过添加NPK基础营养确保植物正常生长。两种超富集植物呈现显著生物学差异：S具有纤维状浅根系和高生物量潜力（4-12 t ha^-1
），而N. caerulescens以深直根系著称且富集能力更强（Zn达53,450 mg kg^-1
）。

Effect of co-cropping on rooting soil
伴生栽培显著改变根际微环境。与单作相比，S-NL组合导致土壤有效Zn降低34%，而S-NG处理使Cd有效性下降28%。微生物多样性分析显示，S单作体系 Shannon指数最高（5.2），而伴生栽培特异性地富集了变形菌门（Proteobacteria）等金属抗性菌群。

Co-cultivation显著降低Cd植物提取效率
最令人意外的发现是S几乎不转运Cd至地上部（TF<0.1），而N. caerulescens表现出典型Cd超富集特性（TF>10）。当NG与S伴生时，尽管Zn提取总量与NG单作相当，但Cd效率骤降75%，主要归因于NG地上生物量减少65%。μ-XRF成像证实两种植物根际Zn竞争位点存在空间分化。

Conclusion
研究得出三重突破性结论：1）生态型特异性决定互作类型——NL生态型与S存在强烈Zn竞争，而NG生态型与S形成Cd吸收抑制；2）根构型互补性使S-NG组合维持Zn提取效能，S生物量增加69%部分抵消NG的减产效应；3）首次证实S具有Pb根系固持特性（根中Pb达4000 mg kg^-1
），为多金属污染修复提供新思路。

这项研究不仅为Zn/Cd污染土壤的植物修复技术优化提供了理论依据，更建立了超富集植物组合设计的评估框架。其创新性体现在：首次量化两种超富集植物的竞争效应，揭示根构型-元素吸收的空间耦合机制，并提出"生态型匹配"的精准修复策略。未来研究可延长实验周期，并开展田间验证，以推动植物修复技术从实验室走向工程应用。