【摘 要】
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砷作为一种类金属,因其严重毒性和致癌性广受关注。湿地尤其湿地底泥作为“汇区”往往易遭受砷污染,对湿地砷污染治理已成为水环境领域的热点问题之一。大型湿地植物香蒲(Typha angustifolia L.)因生物量大、生长迅速、适应性强等优点,在砷污染湿地生态修复中具有显著应用潜力。植物修复和净化作用与污染条件下的生长效能高度关联,尤其与磷素的吸收密切相关。尽管香蒲在富营养化或重金属污染水体的净化研
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砷作为一种类金属,因其严重毒性和致癌性广受关注。湿地尤其湿地底泥作为“汇区”往往易遭受砷污染,对湿地砷污染治理已成为水环境领域的热点问题之一。大型湿地植物香蒲(Typha angustifolia L.)因生物量大、生长迅速、适应性强等优点,在砷污染湿地生态修复中具有显著应用潜力。植物修复和净化作用与污染条件下的生长效能高度关联,尤其与磷素的吸收密切相关。尽管香蒲在富营养化或重金属污染水体的净化研究已有大量报道,但在砷污染环境下吸收营养磷素的过程和影响机制仍不十分明确,磷在植物体内的进一步分配及其生态意义尚未见深入报道。本研究采用室内模拟和野外实验相结合的方法,从砷污染条件下香蒲的生长和生理响应、砷污染底泥磷的有效性、香蒲对磷的吸收与分配、根系形态及根际菌群对吸收磷的影响机理等方面进行了研究,主要结果如下:(1)底泥低中浓度砷(50-150 mg/kg)促进香蒲的生长和生物量积累,在该浓度范围中香蒲生活史早期即幼苗期生长速率高,而高砷(>200 mg/kg)胁迫下则在繁殖期生长相对较快;砷主要积累于地下部分,香蒲对砷的提取总量随生长发育时期延长持续增加;在不同物候期应对砷胁迫的耐性机制存在差异,生长发育早期砷耐性主要由生物量的积累主导,而在发育的中后期,生理代谢过程(如GSH的合成)则逐渐成为砷耐性的主导因素。(2)砷污染条件下底泥中各无机磷的赋存形态和底泥有效磷受砷浓度和植物有无的共同影响。有植物处理中底泥高活性的Ca2-P在幼苗期浓度最高,且随砷浓度增大而增加,Fe-P在幼苗期和速长期所有砷梯度下均占比最高,而在繁殖期,Ca10-P和闭蓄态磷(Oc-P)比例上升,Ca2-P比例下降。无植物处理下,除Oc-P占比随砷浓度增大而升高外,其他磷形态在各砷梯度间无显著变化规律。有效磷浓度在有植物处理下随砷浓度增加而升高,无植物处理则无显著变化;野外多样点的实验数据验证了这一结果。表明,植物根系通过改变各无机磷赋存形态的比例、增加活性态磷占比而提高了磷的植物有效性。(3)在低中砷处理下,香蒲根叶吸收磷与砷表现出协同效应,高砷处理下磷的吸收下降;磷在植物体内各组织间的分配在不同砷浓度处理下存在差异。就个体尺度总体而言,有性繁殖器官磷含量最高(分配系数DI在3.09-4.69间),其次是无性繁殖器官(DI在1.39-2.35间),再次是叶磷含量(DI在1.42-1.60间)和根磷含量(DI=1),枯叶磷含量最低(DI在0.26-0.43间)。不同砷梯度间比较发现,随砷浓度增加,果序中磷含量显著降低,无性分株中磷含量无显著变化,根、叶磷含量先升后降;枯叶磷的分配系数逐渐增大。结果表明高砷处理抑制根叶磷的吸收,显著降低果序中磷含量(比对照降低了33.2%),抑制了枯叶中磷的回收再利用。(4)香蒲根表面积(Surf A)和根体密度(RBD)在低中砷浓度处理下显著高于对照,而根总长(RL)和根平均直径(Avg D)与对照无显著差异;在高砷处理下Surf A、RBD、RL和Avg D降低,而径级较小(0.1-0.5 mm)的细根比例升高(比对照增加了15.8%-16.5%);根系形态指标与根叶磷含量的相关分析结果说明不同砷污染下香蒲根系形态发生了差异化改变,从而影响磷的吸收。(5)低中浓度砷诱导根际菌群发生了物种组成和丰度的改变,菌群α多样性增高;而高砷处理下菌群结构相对单一化,耐砷种类成为绝对的优势种,菌群的α多样性水平显著降低。不同砷处理下菌群结构和特有物种数量及丰度在低砷与高砷处理间差异显著。植物根叶磷含量均与根际菌群的多样性水平成显著正相关,与根叶磷含量显著相关的优势菌种(属)的功能分析发现,丰度较高的微生物可能介导了包括含磷有机物的降解、溶磷及促生激素的产生等过程,对香蒲吸收磷起到调控作用。研究结果可为深入认识砷污染环境下磷素的生物地球化学循环过程提供基础资料,亦可为砷磷双重污染的湿地生态修复提供科学指导。
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