根系通气组织发育程度对水稻苗期生长及氮素吸收的影响

水稻苗期由于根系通气组织发育不完善导致根际缺氧是限制水稻生长的因素之一。本研究在水培条件下通过施用不同种类通气组织刺激剂(硝普钠、亚硒酸钠、硫氢化钠)研究其对水稻苗期生长、氮素积累、根系内部通气组织发育(孔隙度)及外部形态、根际氧含量的影响。结果表明,不同通气组织刺激剂均能通过刺激通气组织发育改善根际氧环境从而促进苗期水稻生长。其中施用0.01 mmol/L亚硒酸钠处理效果最佳,植株干物质量、氮积累量、根孔隙度及根际氧含量分别较不添加刺激剂的对照处理显著增加36.7%、16.1%、57.3%和39.9%。无论是生物量还是氮积累均与水稻苗期通气组织发育程度存在一个明显的突变阈值(42%),当孔隙度小于该阈值时,孔隙度每增加1%时,单株水稻生物量和氮积累量分别显著增加8.8 mg和0.2 mg;而当孔隙度超过阈值时,二者则迅速降低。因此,苗期添加适宜浓度的通气组织刺激剂可以通过提高根系泌氧来缓解苗期水稻根际环境中溶解氧不足对水稻发育的抑制,同时也为提高水稻氮素吸收提供新的思路。

根区通氧状况对水稻幼苗生长及吸收镉的影响

采用水培的方法研究了根区通氧状况对水稻根系结构、根系泌氧、根表铁膜生成以及水稻耐受、吸收Cd的影响。水培条件下,根区氧处理对水稻幼苗的生长产生了一定的影响,缺氧条件下的水稻根的伸长量降低,生物量增加,直径增粗,根系泌氧量增加,并降低幼苗对Cd的吸收。当培养溶液Cd2+浓度为1.0 mg/L时,缺氧处理相对于通氧处理,根表吸附的Cd降低了85.5%,地下部分吸收的Cd降低了35%,转运到地上部分的Cd降低了58%。根表铁膜对Cd的吸收和转运也有一定的抑制作用,但其作用因环境中Cd2+浓度和根区通氧状况而异。在根区通氧充分的培养条件下,水稻幼苗铁膜对较高浓度Cd2+(1.0mg/L)的吸收和转运起着重要的作用,DCB-Cd占根系吸收Cd的50%,茎叶对Cd的吸收显著降低(p<0.05)。研究表明在缺氧胁迫下,根系结构本身(如根表通透性降低)是影响水稻吸收Cd的重要因素。

四种挺水植物生理生态特性和污水净化效果研究

采用人工气候室水培系统以人工污水培养慈姑(Sagittaria trifolia)、花皇冠(Echinodorus berteroi)、菖蒲(Acorus calamus)和芦苇(Phragmites australis)4种挺水植物,比较它们的根和地上部分生物量、根长、根寿命、根孔隙度、根径向泌氧量(ROL)、光合作用等生理生态特性及对总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的去除效果。结果表明,ROL与根孔隙度、光合速率、地上生物量呈显著正相关(P<0.05),与根长极显著正相关(P<0.01);TP的去除与光合速率、COD的去除与ROL显著正相关;TN的去除与生物量极显著正相关(P<0.01),但与根生物量和地上部分生物量的比值(根茎比)显著负相关(P<0.05)。慈姑和花皇冠拥有庞大生物量和发达的根系,根孔隙度、ROL和光合作用等生理指标较高,在水培系统中的污水净化效果接近甚至优于菖蒲和芦苇,是构建人工湿地的优良植物。

8种湿地植物根部泌氧速率的研究

为了更好地利用人工湿地净化污水，对8种湿地植物美人蕉、马蹄莲、茭草、菖蒲、香蒲、旱芦苇、矮茨菇和水芹菜进行了缺氧营养液培养，并对其根系泌氧速率进行了测定。结果表明，在光照强度为30μmol／（m^2·s），温度为25℃，湿度为50％时，缺氧营养液培养的湿地植物中，菖蒲的根系泌氧速率最大，为6．736gmol／（h·g·root），旱芦苇根系泌氧速率最小，为1．208μmol／（h·g·root），泌氧速率大小为：菖蒲〉矮茨菇〉马蹄莲〉茭草〉香蒲〉水芹菜〉美人蕉〉旱芦苇。相同光照条件下，在黑暗中植物根部泌氧速率有不同程度的减少，矮茨菇、菖蒲、马蹄莲和水芹菜变幅较大，其根系泌氧速率降低0．9～4．8μmol／（h·g·root），其他4种湿地植物根系泌氧速率降低0．01～O．26μmol／（h·g·root）。

8种湿地植物的生长状况及泌氧能力

湿地植物是人工湿地的核心部分,筛选优良的植物种类,将有利于充分发挥湿地植物的功能,提高人工湿地污水处理的能力.分析4种须根型植物香蒲(Typha orientalis)、美人蕉(Canna indica)、灯芯草(Juncus effusus)、纸莎草(Cyperus papyrus)和4种根茎型植物菖蒲(Acorus calamus)、再力花(Thalia dealbata)、芦竹(Arundo donax)、黄菖蒲(Iris pseudacorus)在厌氧、水培条件下的生长状况及根系泌氧特性;比较它们的根和茎叶生物量、相对生长速率(RGR)、根长、根孔隙度和泌氧量(率)等生理生态特性.结果表明,8种湿地植物在厌氧条件下生长状况良好;其中,须根型植物的生物量、RGR和泌氧能力均显著优于根茎型植物.在相同光照条件下,灯芯草的泌氧率最大,为192.62μmol O2/(d·g(DWroot)),而黄菖蒲的根系泌氧率最小,仅为68.81μmol O2/(d·g(DWroot)).各植物根系泌氧率大小为:灯芯草>纸莎草>香蒲>美人蕉>菖蒲>再力花>芦竹>黄菖蒲.方差分析显示:植物根系泌氧率与根孔隙度呈极显著正相关,而植物泌氧量与RGR、各生物量呈极显著正相关,但与根茎比呈显著负相关.

不同水生植物的污染物净化功能及其泌氧量研究

[目的]分析不同水生植物对污水净化效果的影响,为选用适宜生态条件的水生植物治理污水提供理论依据。[方法]选取9种水生植物为研究对象,通过对室内静水条件下pH、铵态氮(NH4^+-N)、硝态氮(NO3--N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和溶解氧(DO)的测定,探讨水生植物对氮、磷吸收的特点及其根系泌氧特征,同时分析营养物质吸收对水溶液pH值的影响和泌氧速率与有机物去除量的相互关系。[结果]9种水生植物均对水体N、P的吸收较强。其中美人蕉和凤眼莲对N、P的吸收能力较强,苦草对各形态N吸收能力均较强,风车草对TP的吸收能力较强,吸收率均达70%以上;NH4^+-N、TP与pH的关系密切,相关性系数分别为0.344(P<0.05, n=36)、0.708(P<0.01,n=36),表明TP对pH的影响更大;植物根系泌氧率与水中耗氧有机物的去除量相关性较高,相关系数高达0.845(P<0.01)。不同植物的泌氧能力存在差异,花叶芦竹、再力花和风车草对水体的供氧能力显著大于其他植物。[结论]苦草、美人蕉、凤眼莲和风车草对N、P的净化效果较好,可用于氮磷含量较高的污水中。花叶芦竹、再力花和风车草的泌氧能力及对耗氧有机物的去除能力较高,适宜种植在高耗氧有机物的污水中。风车草不仅对氮磷等营养物质的净化效果较好,而且泌氧能力及耗氧有机物的去除能力也较高,可以将其作为富营养化水体的栽培植物进行推广应用。

湿地植物根系泌氧能力和根表铁膜与根系吸收重金属的关系

以纸莎草(Cyperus papyrus L.)、鸢尾(Iris tectorum Maxim.)、美人蕉(Canna indica Linn)、香蒲(Typha orientalis Presl)、再力花(Thalia dealbata Fraser)作为供试植物,矿渣土作为底泥进行植物培养试验,研究5种植物根系泌氧(ROL)和根表铁膜对植物吸收重金属的影响及差异,为湿地植物修复重金属污染提供理论。结果表明,5种供试植物在高浓度Cd、Pb、As复合污染下,香蒲的根部特征都表现为促进生长状态,其他4种植物生长均受到抑制作用;5种供试植物的ROL速率均是呈现先增加后降低的趋势,在第40天时香蒲ROL显著高于其他4种植物,因其在Cd、Pb、As复合污染下孔隙度和通气组织的增大使其具有较高的ROL速率;5种供试植物铁膜中Fe含量都呈现为先增加后降低的趋势,在试验第20天,供试植物根表铁膜中Fe质量分数达到最大,美人蕉和香蒲分别为15.63 mg·kg^(−1)和13.72 mg·kg^(−1),显著高于其他3种供试植物;5种供试植物铁膜中Cd、Pb含量都在第10—20天显著上升,后趋于稳定,而As含量则呈持续上升趋势,特别是香蒲和美人蕉根表铁膜中Cd、Pb、As含量显著高于其他3种供试植物;5种供试植物地上部和地下部Cd、Pb、As含量总体都为逐渐上升,其中纸莎草地下部重金属含量较其他4种植物多。通过相关性分析和回归性分析发现,ROL对植物吸收Cd、Pb、As的系数绝对值远大于根表铁膜抑制Cd、Pb、As吸收的系数绝对值,说明ROL对植物吸收Cd、Pb、As促进作用强于根表铁膜对Cd、Pb、As的抑制作用,ROL是作为湿地植物根部吸收重金属最主要的影响因素。

厌氧环境对25种湿地植物生长状况及渗氧能力的影响

为探究厌氧条件对不同湿地植物生长状况及渗氧能力的影响,明晰湿地植物在厌氧湿地环境下的适应性特征,以便优化人工湿地植物配置设计,本研究选用25种自然湿地植物,通过模拟厌氧湿地环境的静态琼脂培养,研究不同湿地植物生物量、根茎比、根系形态、渗氧量与孔隙度的变化,并对植物根系渗氧量与各生理生长指标进行相关性分析。结果显示:与水培条件相比,在琼脂培养条件下,21种湿地植物地上部生物量减少了9.09%~32.00%,而25种湿地植物根部生物量均增加,增加范围为15.38%~233.33%。25种湿地植物在琼脂条件下的根茎比范围为0.10~0.71,除短叶水蜈蚣(Kyllinga brevifolia)外,其他湿地植物的根茎比均高于水培条件。在厌氧条件下,不同湿地植物根长下降范围为3.54%~54.28%,并表现出主根变粗、侧根数量减少等形态结构变化来适应厌氧环境。此外,琼脂培养条件下湿地植物通气组织发达,根系孔隙度提高1.95%~14.10%,根系渗氧量也显著增加3.84~36.63μmol·株^(-1)·d^(-1)。相关性分析结果表明,湿地植物根系渗氧量与孔隙度呈正相关关系,并可通过线性方程模拟。大叶象耳慈姑(Aquarius macrophyllus)根部生物量[0.27 g(DW)]及渗氧量(106.36μmol·株^(-1)·d^(-1))均为25种植物中最优,可作为湿地设计中的优势植物。综上所述,琼脂培养条件下湿地植物通过改变根系形态结构、提高孔隙度及渗氧量来适应厌氧环境。保持较高生物量及渗氧量的植物可作为优势湿地植物,为人工湿地植物配置提供设计思路。

水培条件下两种植物根系分泌特征及其与污染物去除的关系

分别以黑臭河涌污水和霍格兰营养液作为培养液,选取种内个体大小基本一致的风车草(Cyperus alternifolius)和美人蕉(Canna indica)各2株分别水培于2种培养液中,研究经污水驯化和营养液培养后植物的生长状况、根系分泌物、根系径向泌氧以及污水净化效果。结果表明,美人蕉在营养液中的增长速率明显高于污水,而风车草在2种培养液中的增长速率相差不大。2种植物在2种培养液中的单位重量分泌能力存在显著差异。在经过污水及营养液培养后,风车草单位重量分泌能力均高于美人蕉;就单种植物而言,污水水培的植株单位重量分泌能力均高于营养液水培的植株。风车草(营养液)、风车草(污水)、美人蕉(营养液)和美人蕉(污水)的最大分泌量分别为2.89、34.76、1.28、1.82 mg·g-1·d-1。在2种培养液中,风车草的根系泌氧速率均明显高于美人蕉。就单种植物而言,经污水驯化的植物,其泌氧速率均高于营养液中培植的植物,风车草(污水)泌氧速率最大,为0.92μmol O2·h-1·g-1(植株)或6.69μmol O2·h-1·g-1(根),美人蕉(营养液)泌氧速率最小,为0.20μmol O2·h-1·g-1(植株)或1.15μmol O2·h-1·g-1(根)。植物经过一段适应期后,对氨氮、TN、TP的去除率稳定达到90%以上;COD的去除率整体不高,单位重量的风车草和美人蕉对COD的去除量分别为6.95±1.78和1.35±0.52 mg·g-1,而对TP的去除量最小,分别为0.28±0.06和0.06±0.02 mg·g-1。对于COD、氨氮、TN和TP,风车草的单位重量去除量显著高于美人蕉,这与风车草根系分泌有机物能力及根系泌氧能力较美人蕉强有明显的一致性。研究表明,采用风车草作为浮床植物应用于污染水体修复,能达到更佳的效果。

负载铁生物炭对土壤-水稻系统As溶出特性与生物有效性的影响与机理解析

负载铁生物炭(FeBC)已证实对溶液体系和雄黄矿高砷(As)尾渣中的无机As具有极为显著的吸附钝化效能,但其对土壤-水稻系统中As的溶出特性和生物有效性的影响尚为空白.为此,本研究系统探析了FeBC处理对水稻根际As溶出特性、根表铁膜As持留-释放模式转化和As向水稻体内各器官转运积累的影响与发生机制.结果表明,FeBC处理条件下的水稻根际pH普遍高于对照(CK),而氧化还原电位(Eh)则低于CK;FeBC处理所导致的根际Eh下降几乎同步使根际孔隙水As、Fe浓度自分蘖期后均随FeBC比例的增加而升高,且孔隙水As、Fe浓度具有显著正相关性(p<0.01).成熟期内根表铁膜Fe、As含量均随FeBC比例的增加而升高,这一点可由微区X射线荧光(μ-XRF)所显示的2%FeBC处理中水稻根系表面Fe、As浓度均显著高于CK得到印证,而这一特点导致FeBC处理下的白根和糙米As含量显著升高(p<0.05).以上结果表明,FeBC能有效提高水稻根表铁膜形成量及其对As的持留,但超过特定阈值的铁膜浓度(20~25 mg·g^(-1))对As的大量富集却可成为根系对As的吸收源,促进As向根系内的转运,并导致稻米As积累量升高.由此可见,含Fe钝化剂对水稻根际As生物有效性的影响具有可变性,其应用风险和产生机制值得引起高度关注.

生物炭添加对湿地植物菖蒲根系通气组织和根系泌氧的影响

在处理污水的潜流人工湿地中,湿地植物容易受到缺氧胁迫.尽管菖蒲(Acorus calamus L.)是一类对缺氧条件具有显著抵抗能力的湿地植物,但菖蒲的生理响应并不能完全消除湿地长期缺氧带来的胁迫.生物炭添加能够缓解菖蒲体内超氧化物和过氧化物的积累,显著降低膜脂过氧化程度,但生物炭对缓解缺氧胁迫的具体机制尚不清晰.因此,本研究通过在温室内构建5种不同的生物炭湿地,采用植物生态学分析方法,将植物根系通气组织、根孔隙度和根系泌氧相结合,研究菖蒲根部组织对生物炭添加的响应机制.结果表明,通过在传统潜流人工湿地中添加生物炭,有利于菖蒲形成根系通气组织,增大根孔隙度,生物炭投加量与根孔隙度具有显著正相关关系.在湿地中添加生物炭将利于O_2通过通气组织传输至地下部分,并以根系泌氧(radial oxygen loss,ROL)的形式扩散至根际,显著提高根系泌氧量.与其它光强相比,在3 000μmol·(m^2·s)^(-1)条件下,菖蒲泌氧能力较强,生物炭投加比例对植物ROL的影响不显著.

涝渍对3个树种生长、组织孔隙度和渗漏氧的影响

为了了解落羽杉(Taxodium distichum)、乌桕(Sapium sebiferum)和美国山核桃(Carya illinoensis)等树种的耐涝机制,采用盆栽模拟涝渍环境的试验方法,设置了淹水、渍水和对照3个处理,测定了一年生落羽杉、乌桕和美国山核桃实生苗的生长、组织孔隙度、根氧消耗等指标。结果表明,涝渍处理抑制了落羽杉、乌桕和美国山核桃的生物量和生物量增量(渍水处理下落羽杉的生长得到了促进),增加了3树种的根冠比,从生物量和生物量增量下降幅度来评价,落羽杉的耐涝性最强,其次为美国山核桃。淹水和渍水处理下,落羽杉、乌桕和美国山核桃的根、茎和叶中的组织孔隙度显著增加,且随着处理时间的延长,各器官的组织孔隙度有增加的趋势,3个树种中,落羽杉的根、茎和叶中的组织孔隙度均较其他2个树种高。淹水和渍水处理下,移除茎明显增加了落羽杉、美国山核桃和乌桕的根的氧消耗,表明涝渍处理增强了O2在3个树种体内的运输并通过根系扩散到涝渍土壤中的能力,并且随着处理时间的延长,3个树种体内运输O2并扩散到土壤中的能力有逐渐增强的趋势。因此,涝渍环境总体上抑制了落羽杉、乌桕和美国山核桃等树种的生长,但各树种为了适应这种生长环境,形成了大量的通气组织,从而导致各器官组织孔隙度的增加,增强了O2通过植物体运输到根系并扩散到土壤中的能力,解决了根系及根际缺氧的矛盾。

水稻根系泌氧对土壤微生物区系及氮素矿化影响的研究进展

根系泌氧(radial oxygen loss,ROL)是水稻在长期淹水状况下从土壤中有效获得养分的重要机制之一,对水稻的生长发育具有重要意义。近年来,研究人员发现并阐明了水稻根系泌氧对于包括厌氧菌、好氧菌及兼性厌氧菌在内的土壤微生物种群数量和种群多样性的影响;大量研究也报道了根系泌氧能促进水稻根际土壤中有机氮的矿化。土壤有机氮矿化与土壤中的微生物区系密切相关,二者之间的相互作用进一步促进水稻对氮素营养的吸收与代谢。本文就水稻根系泌氧对土壤微生物区系和有机质矿化作用的影响进行综述,系统介绍了水稻根系泌氧可能的机理、对微生物区系的影响以及对有机氮矿化的促进作用,提出了目前水稻根系泌氧研究所面临的问题,并展望了水稻根系泌氧的研究前景。