湿地植物根表铁膜对磷、铅迁移转化及植物有效性影响的机理探讨

论文摘要

人工湿地广泛用于处理生活污水和控制农业面源污染。湿地植物是人工湿地系统的重要组成部分，植物根系具有发达的通气组织，能将大气中和光合作用产生的氧运送到根部，在根系与土壤界面形成微氧化区域，使植物根表形成铁氧化物胶膜。铁膜的形成不仅影响根际土壤中物质的迁移和转化，而且影响植物对矿质元素的吸收利用。因此，研究湿地植物根表铁膜对磷、铅迁移、转化及植物有效性的影响，对深入了解湿地植物净化水质的内在机理有着积极的意义。本文通过调查采样研究了不同湿地植物在自然条件下形成根表铁膜的差异性以及对磷吸附的特征，探讨了根表铁膜形成对景观湿地植物不定根生长和根系活力的影响，同时也分析了湿地植物土壤微生物群落结构对外加铅、铁的响应。根据自然环境条件，并通过溶液培养试验和土壤盆栽试验系统地研究了根表铁膜影响磷、铅迁移、转化及植物有效性的机理，主要结果如下：（1）通过对不同生境的湿地植物采样分析，发现不同生境的湿地植物根表铁膜量差异较大，同一生境不同植物根表铁膜量差异明显，即同属于莎草科植物根表铁膜含量的顺序为：水毛花＞蔗草＞旱伞草，其中水毛花是旱伞草的6.5倍。（2）铅抑制湿地植物根表铁膜的形成与积累，添加铁促进根表铁膜的积累。溶液培养实验发现高铅对铁膜流失的影响大于低铅，根表铁膜量越大，其流失量更多。在铅污染土壤中，同一铅水平下，宽叶香蒲和黄菖蒲根表铁膜量都随铁添加量的增加呈上升趋势；在同一铁水平下，宽叶香蒲根表铁膜量随铅浓度的增加而降低，而黄菖蒲根表铁膜量并没有随铅浓度的增加而明显降低。（3）当铁浓度低于100 mg／L时，宽叶香蒲新形成不定根生物量随铁浓度的增加降低，但当铁浓度高于100 mg／L时，不定根生物量呈增加趋势；而黄菖蒲的新形成不定根的生物量与根表铁膜量的相关性不显著。植物根表形成铁膜后，宽叶香蒲根系活力与其根表铁膜量呈显著的负相关，相关系数为-0.861*；而黄菖蒲在各处理之间的根系活力为2.36-5.48μg／g·h，总体变化幅度不大。（4）土壤微生物群落结构对外源铅铁的响应表现为：磷脂脂肪酸（PFLAs）表征的微生物总量在根际高于非根际，香农-维纳指数（H）在500 mg／kg铁处理水平下，非根际土中微生物群落结构多样性随铅浓度增加呈上升趋势，而根际土壤中H指数在高浓度铅（500、1000 mg／kg）处理时高于低铅处理。聚类分析表明根际土中微生物群落结构主要受铁的影响，而非根际土铅起主导作用。（5）不论是未污染土壤还是铅污染土壤，湿地植物根表吸附的磷与根表铁膜量呈明显的正相关。而对铅的吸附取决于铁膜厚度大小，铁膜量大时则呈正相关，否则相关性不显著。（6）溶液培养实验中，铁膜量较少时促进了宽叶香蒲对磷的利用，超出了30 g／kg则抑制了磷的利用；而根表铁膜对黄菖蒲地上部磷含量的影响表现出抑制作用。在50 mg／L铅处理中，根表铁膜提高了宽叶香蒲体内铅的含量；而对黄菖蒲而言，一定量根表铁膜促进了铅向根中迁移，但诱导铁浓度高于100 mg／L时则抑制铅向根中迁移。根表铁膜提高黄菖蒲地上部铅含量。铅污染土壤中，添加铁促进了根表铁膜的形成与积累，当铁与铅添加量之比值为1时有助于磷、铅在宽叶香蒲体内的积累，而当铁添加量为100 mg／kg时，却有助于磷、铅在黄菖蒲植株体内积累。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 文中缩略说明
• 第一章 引言
• 1.1 湿地土壤的主要特征
• 1.1.1 湿地土壤的物理特征
• 1.1.2 湿地土壤的化学特征
• 1.1.3 湿地土壤的微生物特征
• 1.2 湿地植物根系的生态特征
• 1.2.1 湿地植物的不定根
• 1.2.2 湿地植物的根茎
• 1.2.3 湿地植物根系泌氧
• 1.3 湿地植物根表铁膜形成及其效应
• 1.3.1 根表铁膜形成的影响因素
• 1.3.2 根表铁膜形成与分布机理
• 1.3.3 根表铁膜的组成及性质
• 1.3.4 根表铁膜效应
• 1.4 问题和展望
• 1.5 论文研究目标和思路
• 第二章 湿地植物根表铁膜及其吸附磷的特征
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 采样地点概况
• 2.1.2 样品采集与处理
• 2.1.3 离体根的根表铁膜对磷吸附实验
• 2.1.4 样品分析与数据处理
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 湿地植物的根表铁膜
• 2.2.2 根表铁膜吸附磷的特征
• 2.2.3 根表铁膜吸附磷的动态过程
• 2.3 结论
• 第三章 湿地植物根表铁膜形成的生态作用与意义
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 供试土壤及其基本理化性质
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 分析方法
• 3.1.4 计算与统计分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 根表铁膜对不定根生长的影响
• 3.2.2 根表铁膜对根系活力的影响
• 3.2.3 根表铁膜对微生物群落结构的影响
• 3.2.3.1 根际与非根际土中微生物量及微生物群落结构多样性
• 3.2.3.2 土壤微生物类型（PLFAs表征）的变化
• 3.2.3.3 微生物群落的聚类分析与主成分分析
• 3.3 结论
• 第四章 湿地植物根表铁膜影响磷植物有效性的机理
• 4.1 实验材料与方法
• 4.1.1 样品采集与处理
• 4.1.2 溶液培养
• 4.1.3 盆栽实验
• 4.1.4 测定方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 野外湿地植物根表铁膜及其对磷利用的影响
• 4.2.1.1 根表铁膜及其对磷的吸附
• 4.2.1.2 根表铁膜量对植物中磷、铁含量的影响
• 4.2.1.3 根表铁膜量与植物中磷含量的关系
• 4.2.2 不同湿地植物根表铁膜及其影响磷有效性的差异
• 4.2.2.1 宽叶香蒲和黄菖蒲根表铁膜在不同磷水平下的响应
• 4.2.2.2 根表铁膜对磷吸附的差异性
• 4.2.2.3 根表铁膜对植株利用磷的差异性
• 4.2.3 铅污染土壤中根表铁膜对磷植物有效性的影响
• 4.2.3.1 根表铁膜和外界铅浓度对植物生长的影响
• 4.2.3.2 根表铁膜形成及其对磷的吸附
• 4.2.3.3 根表铁膜和铅处理对植株利用磷的影响
• 4.2.4 外源铅、铁对根表铁膜及磷植物有效性的影响
• 4.2.4.1 外源铅、铁对根表铁膜的影响
• 4.2.4.2 根表铁膜对磷吸附的影响
• 4.2.4.3 根表铁膜对磷植物有效性的影响
• 4.3 结论
• 第五章 湿地植物根表铁膜影响铅植物有效性的机理
• 5.1 实验材料与方法
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 溶液培养
• 5.1.3 盆栽实验
• 5.1.4 样品测定
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 不同湿地植物铁膜形成对铅植物有效性影响的差异
• 5.2.1.1 宽叶香蒲和黄菖蒲根表铁膜对不同铅水平下的响应
• 5.2.1.2 宽叶香蒲和黄菖蒲根表铁膜对铅吸附的差异性
• 5.2.1.3 宽叶香蒲和黄菖蒲根表铁膜对铅植物有效性的差异性
• 5.2.2 铅污染土壤中根表铁膜对铅利用的影响
• 5.2.2.1 根表铁膜对铅吸附的影响
• 5.2.2.2 根表铁膜对铅植物有效性的影响
• 5.2.3 外源铁对根表铁膜及铅植物有效性的影响
• 5.2.3.1 外源铅、铁对植物生长的影响
• 5.2.3.2 根表铁膜对植物根表铅吸附的影响
• 5.2.3.3 根表铁膜对铅植物有效性的影响
• 5.3 结论
• 第六章 研究结论、创新点及展望
• 6.1 研究结论
• 6.1.1 不同生境中的湿地植物根表铁氧化物
• 6.1.2 根表铁膜对不同环境中铅的响应
• 6.1.3 湿地植物根表铁膜对不定根生长的影响
• 6.1.4 湿地植物根表铁膜对根系活力的影响
• 6.1.5 湿地植物根表铁膜对土壤微生物群落结构的影响
• 6.1.6 湿地植物根表铁膜对磷的吸附特性
• 6.1.7 湿地植物根表铁膜对铅的吸附特性
• 6.1.8 湿地植物根表铁膜影响植物对磷的利用
• 6.1.9 湿地植物根表铁膜影响植物对铅的利用
• 6.2 创新点
• 6.3 不足之处
• 6.4 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间完成的论文