1. 课题来源：国家自然科学基金委员会

2. 立项背景及研究目的意义

   全球大气CO2浓度升高使得陆地生态系统的生境长期处于一种连续性的被干扰状态，明显影响生态系统的结构和功能及陆地植被的分布格局和演替进程。在大气CO2持续升高的同时，全世界还面临土壤重金属污染问题，我国每年因重金属污染而减产的粮食达1000多万t，被污染的粮食每年也多达1200万t。众多重金属中，Pb(铅)、Cd(镉)是最为普遍且毒性很强的污染物，目前"Cd污染"现状严峻，全世界每年向环境中释放的Cd达3万t左右，其中82 - 94%的Cd会进入土壤，而我国每年排放到环境中的Cd总量约680余t，截止2005年Cd污染耕地面积已达1.33万hm2。环境中的Cd和Pb多相伴存在，单纯的Cd或Pb较少见。有关重金属Cd、Pb污染的研究表明植物抗氧化系统发生了明显变化，且Cd、Pb在植物不同器官中分配和积累亦不同，Cd在小麦中的分布为根>茎>叶>废弃物>籽粒，而Pb促进了水稻中Cd的积累；Cd、Pb明显影响土壤微生物量碳、土壤酶活性及微生物群落结构等。

    单独大气CO2升高及单独土壤Pb、Cd污染对植物和土壤微生物等影响的研究已取得重要进展，但现阶段大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染并存，众所周知，大气CO2升高会通过根际碳沉积及根系分泌物等变化影响植物根际微环境，而根际微环境如根系分泌物、pH值等的改变会影响土壤Pb、Cd的生物有效态浓度，从而使两类环境问题共存时植物生理生化、生长发育、Pb、Cd在植株体内分配和积累特征以及土壤生态功能等变得更加复杂化，因此，二者耦合会对植物生态系统产生何影响已成为一项重要课题。作为植物生态系统重要组成部分的根际土壤微生生态系统是联系植物和土壤的纽带和桥梁，且根际是各种养分、水分和有益、有害物质进入根系参与生物链物质循环的门户，故根际土壤微生态系统的安全性和稳定性直接关系植物营养状况、生产力、农作物产品质量和人类饮食安全问题。故探究植物根际土壤微生态系统对大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染耦合作用的响应机制具有重要意义。目前，这方面的研究尚属空白，仅有的研究主要涉及的是大气CO2升高对Cd在土壤中迁移特征的影响、对水稻Cu、Cd积累的影响、对Cu胁迫下农田土壤微生物及对Cd胁迫下野百合和黑麦草的生理生化特征的影响等方面，且研究文献较少，亦未形成统一结论。据此，本研究拟采用OTC系统进行大气CO2升高与土壤Pb、Cd污染对植物根际土壤微生态系统的耦合作用机制探讨。

3. 主要论点与论据

   1) 大气CO2浓度升高对Cd污染下小麦和刺槐幼苗次生代谢物和初生代谢物主要表现为增加效应；

   2) 大气CO2升高显著降低了Cd污染下小麦和刺槐幼苗根际土壤pH值；

   3) 大气CO2升高显著提高了Cd污染下小麦幼苗根系分泌可溶性糖、游离氨基酸、酚酸和总有机酸的量，而降低了土壤Cd、铅（Pb）污染下刺槐幼苗根系分泌酚酸的量；

   4) 大气CO2升高显著增加了Cd、Pb污染下小麦幼苗根际土壤淀粉酶、多酚氧化酶、尿酶、L-天冬酰胺酶、β-葡萄糖苷酶和中性磷酸酶活性和刺槐幼苗根际土壤脱氢酶、脲酶、转化酶和β-葡萄糖苷酶活性，降低了小麦幼苗根际土壤纤维素酶分解酶和转化酶活性和刺槐幼苗根际土壤L-天冬酰胺酶活性；

   5) 大气CO2升高显著增加了Cd污染下小麦和刺槐幼苗根际土壤FDA水解酶活性、微生物量C和N、微生物量C/N比及微生物商；

   6)大气CO2升高从分子水平显著改变了Cd、Pb污染下刺槐幼苗根际土壤细菌和真菌群落结构。

4. 创新点

   单独大气CO2升高和单独土壤Pb、Cd污染对植物生态系统及植物-土壤系统的影响是近年来科学家高度重视的热点问题，相关的研究亦较多，但现阶段大气CO2升高和土壤Pb、Cd污染并存且由此引发的环境问题日趋严重，二者耦合下植物根际微生态系统方面的响应如何目前还未知。本研究以根系分泌物为切入点进行不同植物根际土壤微生态系统对大气CO2升高与土壤Pb、Cd污染耦合作用响应机制的研究，从研究内容和研究角度来讲具有明显创新性。

5. 社会经济效益

   小麦是我国主要粮食之一，其研究成果对明晰全球变化背景下典型重金属对小麦品质的影响机理及潜在食品安全风险具有重要意义，对粮食主产区的粮食作物健康及品质等保障具促进作用；黄土高原、长城沿线风沙区等有大量的矿产资源开发活动，是国家重要的能源化工基地，而刺槐是"三北防护林"工程和黄土高原及矿区植被恢复的重要树种，其研究成果对于该区域的污染土壤修复具有非常强的针对性和指导作用。综合来看，有关小麦、刺槐的研究成果可为重金属污染土地修复与整治提供理论指导与技术支撑，有效促进陕西关中地区和黄土高原矿区的污染土壤修复进程，提高污染土壤修复质量，确保区域土地数量、质量与生态协同建设，有助于社会经济健康有序发展。本项目研究结论可为科学评价全球变化背景下土壤重金属污染的生态风险和粮食安全提供理论依据。