黑藻根系分泌物對不同磷濃度的響應*

張建聰 趙洋毅 段 旭 王克勤

(西南林業大學生態與環境學院，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]，直接導致水體富營養化，水生態系統分布失衡[2-4]。利用濕地植物能有效凈化水質[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過程中與自然環境進行能量傳遞和信息交換的重要介質[8-10]。研究根系分泌物隨磷環境變化對于了解根系微環境意義重大。已有研究證明根系分泌物能調節根系微量營養素，改變植物生長環境根系微生物結構及理化性質，主動調節植物對不良環境的抗性等[11-13]。如南瓜在缺磷環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下能增加南瓜的自毒作用[14]；豆科植物紫云英在缺磷培養下能促進根系分泌酸類化合物[15]；缺磷會導致杉木苗根系干物質增多[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]。

之前對植物根系分泌物及其對磷的響應的研究主要集中在陸生植物根系形態及生態特征，對濕地植物的根系分泌物在不同時段中的變化研究鮮有報道，因此本研究選擇高原濕地典型沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)為研究對象，分析黑藻在不同磷濃度及不同培養時間下的生物量及根系分泌物，試圖更全面地了解植被對于面源污染水質的響應機制，為高原濕地富營養化治理措施提供基礎參考數據。

1 材料與方法

1.1 水培方式

參照文獻[19]，采用霍格蘭營養液(配方參考文獻[20]、[21])在20～30 ℃條件下培養黑藻幼苗(取40個塑料桶作為水培裝置，加入配制好的霍格蘭營養液，選擇苗齡無明顯差異的黑藻健康幼苗200株，每個塑料桶中培養5株幼苗)，培養1個月，待其適應水培環境后，選取植株長勢良好、株高近似的黑藻移植到實驗裝置中，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個重復，然后分別測定培養7、14、21、28 d時的根系分泌物。實驗處理因素及水平見表1。

表1 實驗處理因素及水平

1.2 植物生物量測定

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、分離提取與測定

參照文獻[19]，將黑藻的整個根系用去離子水沖洗干凈，再用根系分泌物收集液反復沖洗3次后進行收集。采用安捷倫7890B型氣相色譜/質譜聯用(GC/MS)測定根系分泌物，此種根系分泌物測定方法已在文獻[22]至[26]中應用，具有可信度。

1.4 數據處理與統計方法

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 結果與分析

2.1 黑藻生物量變化

從圖1可以看出，同一培養時間不同磷濃度下，黑藻莖葉生物量除培養7 d隨磷濃度變化不明顯外(磷質量濃度為0.2～10.0 mg/L時無顯著差異)，其余培養時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時間下，莖葉生物量均隨培養時間的延長而增加，且培養7～14 d的增長量最明顯。

注：生物量以干質量計。小寫字母相同表示同一培養時間、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、不同培養時間處理間差異不顯著。圖2同。

圖1 不同磷濃度培養對黑藻生物量變化的影響
Fig.1 Effect of different phosphorus concentration cultures onHydrillaverticillatabiomass change

表2 磷濃度及培養時間對黑藻根系分泌物中主要化合物種類的影響

同一培養時間不同磷濃度下，根生物量均隨磷濃度的增加總體上變化趨勢不顯著；同一磷濃度不同培養時間下，根生物量的變化趨勢同莖葉生物量相似，均隨培養時間延長而增加。

黑藻總生物量隨培養時間延長或磷濃度增加均大體呈顯著增加趨勢。其中，各濃度下黑藻總生物量的增長量均是培養7～14 d時最高。

2.2 黑藻根系分泌物種類

確定出在不同磷濃度梯度培養下黑藻根系分泌物及其質量分數，結合本研究的特點，挑出了質量分數大于0.3%的物質做進一步分析。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時間下，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

結合2.2節，挑選質量分數大于2%的根系分泌物做進一步分析，結果見表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]。構樹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含量最高[29]。本研究發現在不同磷濃度及培養時間下，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對磷環境改變時形成的主要適應機制。

2.4 鄰苯二甲酸

基于2.3節的結論，對黑藻根系主要酸性分泌物鄰苯二甲酸做進一步分析。從圖2得出，培養7 d，鄰苯二甲酸在添加1.0～20.0 mg/L磷時趨于穩定且差異不顯著。培養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，在磷質量濃度為1.0 mg/L時達到峰值(36.45%)。培養21 d，隨著磷濃度的增加鄰苯二甲酸呈先增加再穩定最后減少的趨勢，其中添加0.2、1.0、5.0 mg/L磷時，鄰苯二甲酸差異不顯著；添加20.0 mg/L磷時，鄰苯二甲酸最少。培養28 d，添加0、10.0、20.0 mg/L磷時，鄰苯二甲酸無顯著差異。

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

表3 黑藻在不同磷濃度及培養時間下的主要根系分泌物

圖2 不同磷濃度與培養時間對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 論

(1) 隨培養時間延長，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時間下，黑藻根系分泌的主要化合物種類存在差異。

(3) 不同磷濃度及培養時間下，黑藻根系均分泌相對較多的鄰苯二甲酸，這是黑藻在應對磷環境改變形成的主要適應機制。