根系分泌物对磷素在湿地植物根系-土壤界面迁移转化的调控机理

Phosphorus is a main life element, and also a key geochemical element that causes non-point source pollution problems such as eutrophication. Constructed wetland is one of the "best management practices" for treating agricultural non-point source pollution. Plant root exudates can provide energy for rhizosphere microorganisms, change the availability of contaminants, and promote coupled plant-microbial removal of pollutants. The mechanism of root exudates controlling transport and transformation of phosphorus at the root-soil interface remains unclear. Based on this situation, the project intends to select Phragmites communis, Typha orientalis Presl, and Myriophyllum aquaticum as target wetland plants. We will study characteristics of root exudates and the key factors. Then we will use isotope tracer techniquetechnique to examine transport and transformation of phosphorus in plant root-soil interface in constructed wetlands microcosms, and explore effects of root exudates. Finally we will clarify the mechanisms of root exudates on the key enzymatic activities and functional microbes related to phosphorus transformation in constructed wetlands. The project results are expected to provide scientific basis and data support for optimizing the allocation of wetland plants, regulating phosphorus-transformed microbial communities and improving phosphorus removal efficiency by constructed wetlands.

磷素是重要的生命元素之一，也是引起富营养化等面源污染问题的关键地球化学元素。人工湿地是处理农业面源污染的“最佳管理措施”之一。人工湿地植物根系分泌物能为根际微生物提供能源，改变根际污染物的有效性，促进植物-微生物的协同去除污染物。但关于根系分泌物对磷素在湿地植物根系-土壤界面迁移转化的调控机理尚未明确。针对此问题，本项目拟选取芦苇、香蒲和绿狐尾藻等作为目标湿地植物，研究目标湿地植物根系分泌物的释放特征和影响因素；构建人工湿地微宇宙系统和根际箱采用同位素示踪技术系统研究磷素在植物根系-土壤界面的迁移转化过程和根系分泌物的调控机制，阐明根系分泌物对磷素转化相关的主要功能微生物的调控机理。研究成果预期可为优化人工湿地植物的配置设计、合理调控磷转化微生物群落、提高人工湿地除磷效能提供科学依据和基础数据支撑。

人工湿地是处理农业面源污染的最佳管理措施之一，植物是人工湿地的核心组成。湿地植物根系分泌物能为根际微生物提供能源，促进植物-微生物的协同去除污染物。本项目研究通过室内水培、人工湿地微宇宙和吸附解吸等试验，从根系分泌物对湿地磷去除方面开展了系列研究。主要的研究内容和结果如下：①研究了绿狐尾藻、香蒲和菖蒲3种湿地植物根系分泌物的释放特征，讨论了根系分泌物与根系泌氧、根系生理特征之间的关系，研究了氨氮浓度和收割频率对绿狐尾藻根系分泌物释放的影响；发现绿狐尾藻、香蒲和菖蒲三种植物根系释碳速率随着培养时间增加呈现显著差异，表现为绿狐尾藻>香蒲>菖蒲。根系分泌物中有机酸总量香蒲>绿狐尾藻>菖蒲，且乙酸是有机酸的主要成分之一，占总量的75%~82%。②研究了湿地基质对磷的吸附行为及根系分泌物的影响机理，重点讨论了低分子量有机酸（根系分泌物主要成分）对土壤磷吸附的影响；发现低分子量有机酸降低了土壤磷吸附的颗粒内扩散模型拟合度，0.5~5 mmol/L的有机酸显著降低了土壤对磷素的理论最大吸附量（39%~82%），有机酸阴离子络合效应和竞争吸附的共同作用。有机酸浓度0.1~5 mmol/L时，阴离子的竞争吸附是土壤对磷吸附降低的主要原因；而有机酸浓度5~50 mmol/L时，有机酸与土壤中铁铝的络合作用减少磷吸附占主导。③研究了绿狐尾藻根系分泌物对人工湿地磷去除的影响，对比了植物根系和非根系主要微生物群落结构；发现根系分泌物并不能改善湿地磷的去除效率，根系分泌物、植物降解和碳氮比等均对湿地磷去除和主要功能微生物有重要影响，根系分泌物可通过调节有机碳来调控湿地磷迁移行为。获得的根系分泌物对人工湿地植物-微生物协同除磷的数据和相关机理可为人工湿地植物的优化配置和提高湿地除磷效能提供参考。