黑藻根系分泌物对不同磷浓度的响应*

张建聪 赵洋毅 段 旭 王克勤

(西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224)

目前湖泊湿地中面源污染物磷的浓度逐渐增加[1]，直接导致水体富营养化，水生态系统分布失衡[2-4]。利用湿地植物能有效净化水质[5-7]，其中根系是直接作用部位。根系分泌物是湿地植物生长过程中与自然环境进行能量传递和信息交换的重要介质[8-10]。研究根系分泌物随磷环境变化对于了解根系微环境意义重大。已有研究证明根系分泌物能调节根系微量营养素，改变植物生长环境根系微生物结构及理化性质，主动调节植物对不良环境的抗性等[11-13]。如南瓜在缺磷环境下根系主要分泌酚类、烷烃类、胺类、烯烃类化合物且缺磷培养下能增加南瓜的自毒作用[14]；豆科植物紫云英在缺磷培养下能促进根系分泌酸类化合物[15]；缺磷会导致杉木苗根系干物质增多[16]；湿地植物芦苇、香蒲根系分泌物中氨基酸含量较高[17]；木榄根系分泌物主要为烃类、酯类和酚类等[18]。

之前对植物根系分泌物及其对磷的响应的研究主要集中在陆生植物根系形态及生态特征，对湿地植物的根系分泌物在不同时段中的变化研究鲜有报道，因此本研究选择高原湿地典型沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)为研究对象，分析黑藻在不同磷浓度及不同培养时间下的生物量及根系分泌物，试图更全面地了解植被对于面源污染水质的响应机制，为高原湿地富营养化治理措施提供基础参考数据。

1 材料与方法

1.1 水培方式

参照文献[19]，采用霍格兰营养液(配方参考文献[20]、[21])在20～30 ℃条件下培养黑藻幼苗(取40个塑料桶作为水培装置，加入配制好的霍格兰营养液，选择苗龄无明显差异的黑藻健康幼苗200株，每个塑料桶中培养5株幼苗)，培养1个月，待其适应水培环境后，选取植株长势良好、株高近似的黑藻移植到实验装置中，以KH2PO4作为磷源，按照磷梯度0、0.2、1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L，每组3个重复，然后分别测定培养7、14、21、28 d时的根系分泌物。实验处理因素及水平见表1。

表1 实验处理因素及水平

1.2 植物生物量测定

采集黑藻，洗净后将茎叶105 ℃杀青30 min，然后将根部与杀青后的茎叶于78 ℃连续烘干48 h至恒重，冷却称量。

1.3 根系分泌物的收集、分离提取与测定

参照文献[19]，将黑藻的整个根系用去离子水冲洗干净，再用根系分泌物收集液反复冲洗3次后进行收集。采用安捷伦7890B型气相色谱/质谱联用(GC/MS)测定根系分泌物，此种根系分泌物测定方法已在文献[22]至[26]中应用，具有可信度。

1.4 数据处理与统计方法

多重比较采用最小显著性差异(LSD)法，α为0.05、0.01分别代表显著和极显著水平。

2 结果与分析

2.1 黑藻生物量变化

从图1可以看出，同一培养时间不同磷浓度下，黑藻茎叶生物量除培养7 d随磷浓度变化不明显外(磷质量浓度为0.2～10.0 mg/L时无显著差异)，其余培养时间下的茎叶生物量大体均随磷浓度的增加而显著增加；同一磷浓度不同培养时间下，茎叶生物量均随培养时间的延长而增加，且培养7～14 d的增长量最明显。

注：生物量以干质量计。小写字母相同表示同一培养时间、不同磷浓度处理间差异不显著，大写字母相同表示相同磷浓度、不同培养时间处理间差异不显著。图2同。

图1 不同磷浓度培养对黑藻生物量变化的影响
Fig.1 Effect of different phosphorus concentration cultures onHydrillaverticillatabiomass change

表2 磷浓度及培养时间对黑藻根系分泌物中主要化合物种类的影响

同一培养时间不同磷浓度下，根生物量均随磷浓度的增加总体上变化趋势不显著；同一磷浓度不同培养时间下，根生物量的变化趋势同茎叶生物量相似，均随培养时间延长而增加。

黑藻总生物量随培养时间延长或磷浓度增加均大体呈显著增加趋势。其中，各浓度下黑藻总生物量的增长量均是培养7～14 d时最高。

2.2 黑藻根系分泌物种类

确定出在不同磷浓度梯度培养下黑藻根系分泌物及其质量分数，结合本研究的特点，挑出了质量分数大于0.3%的物质做进一步分析。从表2可以看出，黑藻根系分泌物主要包括烷烃类、烯烃类、酯类、醇类、胺类、苯类、酮类、醛类和酸类化合物，总体上烷烃类和酸类化合物种类最多。但在不同浓度磷及培养时间下，黑藻根系分泌的主要化合物种类存在差异。

2.3 主要根系分泌物

结合2.2节，挑选质量分数大于2%的根系分泌物做进一步分析，结果见表3。

主要根系分泌物中的酸类化合物与以往研究成果相比存在差异。苜蓿主要分泌柠檬酸、草酸、苹果酸、琥珀酸和醋酸[27]。构树和诸葛菜主要分泌草酸、柠檬酸和苹果酸[28]。玉米和大豆中苹果酸的相对含量最高[29]。本研究发现在不同磷浓度及培养时间下，黑藻根系大体上均分泌邻苯二甲酸最多，这表明大量分泌邻苯二甲酸是黑藻在应对磷环境改变时形成的主要适应机制。

2.4 邻苯二甲酸

基于2.3节的结论，对黑藻根系主要酸性分泌物邻苯二甲酸做进一步分析。从图2得出，培养7 d，邻苯二甲酸在添加1.0～20.0 mg/L磷时趋于稳定且差异不显著。培养14 d，随着磷浓度的增加，邻苯二甲酸呈先增加后减少的趋势，在磷质量浓度为1.0 mg/L时达到峰值(36.45%)。培养21 d，随着磷浓度的增加邻苯二甲酸呈先增加再稳定最后减少的趋势，其中添加0.2、1.0、5.0 mg/L磷时，邻苯二甲酸差异不显著；添加20.0 mg/L磷时，邻苯二甲酸最少。培养28 d，添加0、10.0、20.0 mg/L磷时，邻苯二甲酸无显著差异。

添加0、0.2 mg/L磷，培养14、21 d时的邻苯二甲酸差异均不显著，培养28 d时，邻苯二甲酸均最少。添加1.0 mg/L磷，培养14 d时，邻苯二甲酸显著多于其他培养时间；培养7、21 d时，邻苯二甲酸差异不显著。添加5.0 mg/L磷，培养7 d，邻苯二甲酸显著多于其他培养时间。添加10.0、20.0 mg/L磷，随着培养时间延长，邻苯二甲酸均显著下降。

表3 黑藻在不同磷浓度及培养时间下的主要根系分泌物

图2 不同磷浓度与培养时间对黑藻根系分泌物邻苯二甲酸的影响Fig.2 Effect of different phosphorus concentration and culture duration on phthalic acid

3 结 论

(1) 随培养时间延长，黑藻的总生物量及根、茎叶生物量均显著增加；随磷浓度增加，黑藻的总生物量和茎叶生物量显著增加，根生物量变化不显著。

(2) 黑藻根系分泌物主要包括烷烃类、烯烃类、酯类、醇类、胺类、苯类、酮类、醛类和酸类化合物，其中烷烃类和酸类化合物种类最多。但在不同浓度磷及培养时间下，黑藻根系分泌的主要化合物种类存在差异。

(3) 不同磷浓度及培养时间下，黑藻根系均分泌相对较多的邻苯二甲酸，这是黑藻在应对磷环境改变形成的主要适应机制。