黑藻根系分泌物對(duì)不同磷濃度的響應(yīng)*

張建聰 趙洋毅 段 旭 王克勤

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224)

目前湖泊濕地中面源污染物磷的濃度逐漸增加[1]，直接導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，水生態(tài)系統(tǒng)分布失衡[2-4]。利用濕地植物能有效凈化水質(zhì)[5-7]，其中根系是直接作用部位。根系分泌物是濕地植物生長(zhǎng)過(guò)程中與自然環(huán)境進(jìn)行能量傳遞和信息交換的重要介質(zhì)[8-10]。研究根系分泌物隨磷環(huán)境變化對(duì)于了解根系微環(huán)境意義重大。已有研究證明根系分泌物能調(diào)節(jié)根系微量營(yíng)養(yǎng)素，改變植物生長(zhǎng)環(huán)境根系微生物結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，主動(dòng)調(diào)節(jié)植物對(duì)不良環(huán)境的抗性等[11-13]。如南瓜在缺磷環(huán)境下根系主要分泌酚類、烷烴類、胺類、烯烴類化合物且缺磷培養(yǎng)下能增加南瓜的自毒作用[14]；豆科植物紫云英在缺磷培養(yǎng)下能促進(jìn)根系分泌酸類化合物[15]；缺磷會(huì)導(dǎo)致杉木苗根系干物質(zhì)增多[16]；濕地植物蘆葦、香蒲根系分泌物中氨基酸含量較高[17]；木欖根系分泌物主要為烴類、酯類和酚類等[18]。

之前對(duì)植物根系分泌物及其對(duì)磷的響應(yīng)的研究主要集中在陸生植物根系形態(tài)及生態(tài)特征，對(duì)濕地植物的根系分泌物在不同時(shí)段中的變化研究鮮有報(bào)道，因此本研究選擇高原濕地典型沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)為研究對(duì)象，分析黑藻在不同磷濃度及不同培養(yǎng)時(shí)間下的生物量及根系分泌物，試圖更全面地了解植被對(duì)于面源污染水質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制，為高原濕地富營(yíng)養(yǎng)化治理措施提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水培方式

參照文獻(xiàn)[19]，采用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液(配方參考文獻(xiàn)[20]、[21])在20～30 ℃條件下培養(yǎng)黑藻幼苗(取40個(gè)塑料桶作為水培裝置，加入配制好的霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液，選擇苗齡無(wú)明顯差異的黑藻健康幼苗200株，每個(gè)塑料桶中培養(yǎng)5株幼苗)，培養(yǎng)1個(gè)月，待其適應(yīng)水培環(huán)境后，選取植株長(zhǎng)勢(shì)良好、株高近似的黑藻移植到實(shí)驗(yàn)裝置中，以KH2PO4作為磷源，按照磷梯度0、0.2、1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L，每組3個(gè)重復(fù)，然后分別測(cè)定培養(yǎng)7、14、21、28 d時(shí)的根系分泌物。實(shí)驗(yàn)處理因素及水平見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)處理因素及水平

1.2 植物生物量測(cè)定

采集黑藻，洗凈后將莖葉105 ℃殺青30 min，然后將根部與殺青后的莖葉于78 ℃連續(xù)烘干48 h至恒重，冷卻稱量。

1.3 根系分泌物的收集、分離提取與測(cè)定

參照文獻(xiàn)[19]，將黑藻的整個(gè)根系用去離子水沖洗干凈，再用根系分泌物收集液反復(fù)沖洗3次后進(jìn)行收集。采用安捷倫7890B型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)測(cè)定根系分泌物，此種根系分泌物測(cè)定方法已在文獻(xiàn)[22]至[26]中應(yīng)用，具有可信度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

多重比較采用最小顯著性差異(LSD)法，α為0.05、0.01分別代表顯著和極顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑藻生物量變化

從圖1可以看出，同一培養(yǎng)時(shí)間不同磷濃度下，黑藻莖葉生物量除培養(yǎng)7 d隨磷濃度變化不明顯外(磷質(zhì)量濃度為0.2～10.0 mg/L時(shí)無(wú)顯著差異)，其余培養(yǎng)時(shí)間下的莖葉生物量大體均隨磷濃度的增加而顯著增加；同一磷濃度不同培養(yǎng)時(shí)間下，莖葉生物量均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，且培養(yǎng)7～14 d的增長(zhǎng)量最明顯。

注：生物量以干質(zhì)量計(jì)。小寫字母相同表示同一培養(yǎng)時(shí)間、不同磷濃度處理間差異不顯著，大寫字母相同表示相同磷濃度、不同培養(yǎng)時(shí)間處理間差異不顯著。圖2同。

圖1 不同磷濃度培養(yǎng)對(duì)黑藻生物量變化的影響
Fig.1 Effect of different phosphorus concentration cultures onHydrillaverticillatabiomass change

表2 磷濃度及培養(yǎng)時(shí)間對(duì)黑藻根系分泌物中主要化合物種類的影響

同一培養(yǎng)時(shí)間不同磷濃度下，根生物量均隨磷濃度的增加總體上變化趨勢(shì)不顯著；同一磷濃度不同培養(yǎng)時(shí)間下，根生物量的變化趨勢(shì)同莖葉生物量相似，均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加。

黑藻總生物量隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)或磷濃度增加均大體呈顯著增加趨勢(shì)。其中，各濃度下黑藻總生物量的增長(zhǎng)量均是培養(yǎng)7～14 d時(shí)最高。

2.2 黑藻根系分泌物種類

確定出在不同磷濃度梯度培養(yǎng)下黑藻根系分泌物及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合本研究的特點(diǎn)，挑出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%的物質(zhì)做進(jìn)一步分析。從表2可以看出，黑藻根系分泌物主要包括烷烴類、烯烴類、酯類、醇類、胺類、苯類、酮類、醛類和酸類化合物，總體上烷烴類和酸類化合物種類最多。但在不同濃度磷及培養(yǎng)時(shí)間下，黑藻根系分泌的主要化合物種類存在差異。

2.3 主要根系分泌物

結(jié)合2.2節(jié)，挑選質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%的根系分泌物做進(jìn)一步分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

主要根系分泌物中的酸類化合物與以往研究成果相比存在差異。苜蓿主要分泌檸檬酸、草酸、蘋果酸、琥珀酸和醋酸[27]。構(gòu)樹(shù)和諸葛菜主要分泌草酸、檸檬酸和蘋果酸[28]。玉米和大豆中蘋果酸的相對(duì)含量最高[29]。本研究發(fā)現(xiàn)在不同磷濃度及培養(yǎng)時(shí)間下，黑藻根系大體上均分泌鄰苯二甲酸最多，這表明大量分泌鄰苯二甲酸是黑藻在應(yīng)對(duì)磷環(huán)境改變時(shí)形成的主要適應(yīng)機(jī)制。

2.4 鄰苯二甲酸

基于2.3節(jié)的結(jié)論，對(duì)黑藻根系主要酸性分泌物鄰苯二甲酸做進(jìn)一步分析。從圖2得出，培養(yǎng)7 d，鄰苯二甲酸在添加1.0～20.0 mg/L磷時(shí)趨于穩(wěn)定且差異不顯著。培養(yǎng)14 d，隨著磷濃度的增加，鄰苯二甲酸呈先增加后減少的趨勢(shì)，在磷質(zhì)量濃度為1.0 mg/L時(shí)達(dá)到峰值(36.45%)。培養(yǎng)21 d，隨著磷濃度的增加鄰苯二甲酸呈先增加再穩(wěn)定最后減少的趨勢(shì)，其中添加0.2、1.0、5.0 mg/L磷時(shí)，鄰苯二甲酸差異不顯著；添加20.0 mg/L磷時(shí)，鄰苯二甲酸最少。培養(yǎng)28 d，添加0、10.0、20.0 mg/L磷時(shí)，鄰苯二甲酸無(wú)顯著差異。

添加0、0.2 mg/L磷，培養(yǎng)14、21 d時(shí)的鄰苯二甲酸差異均不顯著，培養(yǎng)28 d時(shí)，鄰苯二甲酸均最少。添加1.0 mg/L磷，培養(yǎng)14 d時(shí)，鄰苯二甲酸顯著多于其他培養(yǎng)時(shí)間；培養(yǎng)7、21 d時(shí)，鄰苯二甲酸差異不顯著。添加5.0 mg/L磷，培養(yǎng)7 d，鄰苯二甲酸顯著多于其他培養(yǎng)時(shí)間。添加10.0、20.0 mg/L磷，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，鄰苯二甲酸均顯著下降。

表3 黑藻在不同磷濃度及培養(yǎng)時(shí)間下的主要根系分泌物

圖2 不同磷濃度與培養(yǎng)時(shí)間對(duì)黑藻根系分泌物鄰苯二甲酸的影響Fig.2 Effect of different phosphorus concentration and culture duration on phthalic acid

3 結(jié) 論

(1) 隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，黑藻的總生物量及根、莖葉生物量均顯著增加；隨磷濃度增加，黑藻的總生物量和莖葉生物量顯著增加，根生物量變化不顯著。

(2) 黑藻根系分泌物主要包括烷烴類、烯烴類、酯類、醇類、胺類、苯類、酮類、醛類和酸類化合物，其中烷烴類和酸類化合物種類最多。但在不同濃度磷及培養(yǎng)時(shí)間下，黑藻根系分泌的主要化合物種類存在差異。

(3) 不同磷濃度及培養(yǎng)時(shí)間下，黑藻根系均分泌相對(duì)較多的鄰苯二甲酸，這是黑藻在應(yīng)對(duì)磷環(huán)境改變形成的主要適應(yīng)機(jī)制。