根系不仅可以固定、 支撑植物体，从土壤溶液中吸收水分和矿物质，储存碳水化合物； 而且可以进行多种生物化学反应，影响根际微环境^{[1, 2]}.沉水植物的茎叶可以直接从水中吸收水分和养分，因此根系通常不发达，主要起锚定植物体的作用^[3,4].Waisel等^[5]研究发现沉水植物的根系对植物正常生长至关重要.Bole等^[6]研究者发现水生维管植物的根系可以吸收磷和其他营养盐，并在植物体内传输，在水中磷浓度小于0.5 mg ·L^-1时，沉水植物主要从沉积物中获取磷^[7,8,9,10].利用³²P标记的研究也揭示出，沉水植物主要通过根系吸收沉积物中的磷素^[11].沉积物中的磷与铁、 铝、 钙等元素以不同形式结合成各种形态的化合物，不同结合态的磷具有不同的地球化学行为^[12].沉水植物对于不同形态磷的影响受到了研究者们越来越多的关注，明确了沉水植物对沉积物中松散结合态磷^[13]及Fe、 Al结合态磷有显著影响，对于有机磷中的活性有机磷有显著影响，对其他形态的磷影响不显著^{[14, 15]}.

苦草是一种多年生草本根生沉水植物，广泛分布于我国淡水湖泊与河流中.苦草具有发达的须根，可以适应多种不同类型的基质^[16,17]，因此在水环境修复工程中大量使用^[18,19].本实验在温室模拟条件下，使用湖泊沉积物培养苦草，比较随着苦草根系的发育，沉积物不同层次中各形态磷的变化，通过揭示沉水植物根系作用下沉积物中磷的迁移规律，以期为利用沉水植物修复富营养湖泊提供基础数据. 1 材料与方法 1.1 实验材料

沉积物采自南京师范大学内的池塘，用彼得森采泥器采集表层沉积物，去除杂质及动植物残体，过筛(孔径1 mm)3次，使其理化性质均匀一致，筛好的沉积物加水静置一周后备用.苦草种子采自南京固城湖，将种子平铺在细沙上，上覆1 cm深稀释10倍的Hoagland营养液，置于光照培养箱中(25℃±2℃)使其萌发. 1.2 实验设计

将混匀后的沉积物放入一端密封的不透明高密度聚乙烯管(直径×高=10 cm×25 cm)，沉积物厚度为20 cm，将管体放入一个容积较大的不透明聚乙烯桶 (顶直径×底直径×高=155 cm×135 cm×105 cm，预先经过5% 的HCl处理后用蒸馏水冲洗干净)，缓慢注入100 cm深自来水.实验系统稳定10 d后栽种苦草.将苦草幼苗用蒸馏水冲洗干净后栽种于盛有沉积物的聚乙烯管中，每管栽种3株，栽种深度为0.5 cm，栽种位置为实验管体中央.实验设置每次采集6个平行样.其中3个平行用来分析苦草根系生长状况，另外3个用来研究苦草对沉积物磷空间分布的影响，设置不种植物的聚乙烯管做对照.实验桶放置在南京师范大学水环境生态修复平台温室内.实验所采用沉积物与水体理化指标如表1 .

表1(Table 1)

表1 实验系统初始状态水体理化指标 1) Table 1 Physicochemical characteristics of sediment and water 项目 指标 含量 沉积物磷形态/mg·kg-1 TP 988.24±38.83 NaOH-P 298.07±4.81 HCl-P 337.33±13.94 IP 637.31±19.51 OP 330.70±54.02 沉积物各粒径所 0.01~2.00 μm 9.29 占质量分数/% 2.00~20.00 μm 60.21 20.00~2000.00 μm 30.5 >2000.00 μm 0 水mg·L-1 TP 0.08±0.01 DTP 0.07±0.01 SRP 0.01±0.00 DOP 0.06±0.01 TN 1.25±0.11 NH+4-N 0.18±0.02 NO-3-N 0.09±0.00 DO 9.50±0.41 pH 7.60±0.12 1)表中数据为平均值±标准差(n=3)，缩写代表为TP=总磷，NaOH-P=NaOH提取磷，HCl-P=HCl提取磷，IP=无机磷，OP=有机磷，DTP=溶解性总磷，SRP=溶解性活性磷，DOP=溶解性有机磷，TN=总氮，NH+4-N=氨氮，NO-3-N=硝酸盐氮，DO=溶解氧

表1 实验系统初始状态水体理化指标1) Table 1 Physicochemical characteristics of sediment and water

实验开始后分别在20、 50、 80 d采样，每次取6个苦草处理，3个对照处理.每次采样后，将其中3个平行管体中沉积物及苦草取出，用水小心冲洗附着沉积物，并将苦草根系置于超声波振荡器中振荡，以去除根系附着沉积物.用滤纸吸掉植物表面水分后，将植物的根、 茎和叶分离，105℃杀青2 h后，80℃烘干至恒重，测定植物生物量.根数量、 根长度统计测量参考文献^[16]的方法.

将另外3个苦草实验管和对照管低温(-75℃)冷冻48 h.将冷冻好的沉积物按每层2 cm纵向切割.将切割后的样品于室温风干后，去除植物根系过100目筛，置于密封袋中备用.

沉积物中磷形态的分析采用Ruban等^[20]在欧洲标准测试委员会框架下发展的SMT分离方法.该方法分别采用NaOH和HCl提取获得5种形态磷，各形态磷间相互干扰小，是目前普遍应用的淡水沉积物磷研究方法. 2 结果与分析 2.1 苦草根系在沉积物中的分布特征

实验80 d，平均每株根数为58条，苦草根系长度总和为339.70 cm，最大根长28.50 cm，根系平均长度15.86 cm，根系长度的众数为8.00 cm(表2)，从统计分析来看苦草根系的分布特征是根短而数量众多.苦草根系生物量在0~3 cm、 4~6 cm、 7~10 cm、 11~14 cm分配的质量分数分别为45.99%、 32.75%、 16.03%、 5.23%. 根系生物量主要集中分布在深度0~6 cm内，占根系总生物量的78.74%； 在7~14 cm仅分布21.26%的根系生物量. 2.2 苦草根系对沉积物各形态磷的垂直分布的影响

实验期间沉水植物苦草不同程度地降低了沉积物中各形态磷的含量.苦草在不同生长阶段对沉积物各形态磷产生不同影响.在苦草生长早期实验开始后20 d，沉积物中各形态磷的差异性均不显著(P>0.05)，在苦草旺盛生长期实验开始后60 d沉积物中各形态磷有明显下降.苦草根系分布在垂直 方向上集中在0~6 cm区域内.苦草根系几乎垂直向下分布，无明显弯曲，这应该和沉积物实验前经过筛选，无大型颗粒物阻挡有关.方差分析表明，实验结束时(80 d)沉积物TP在苦草根系集中分布区域内(0~6 cm)的含量显著低于苦草根系集中分布区域外部(7~14 cm)(P<0.05).实验期间在垂直方向上沉积物表层TP含量在0~6 cm处根系集中分布区域内迅速降低，从初始时的1011.36 mg ·kg^-1降至830.63 mg ·kg^-1.沉积物底层TP的含量在垂直方向上11 cm处根系内外交界区域缓慢升高，从974.84 mg ·kg^-1升至996.10 mg ·kg^-1(图1).因此，在苦草根系分布区域内沉积物TP的含量显著低于非根系分布区，TP的含量在根系集中分布区与非根系集中分布区交界处存在显著波动.对照组总磷在初始的20 d里明显下降，从初始的1011.36 mg ·kg^-1降至720 mg ·kg^-1，之后下降趋势变缓并逐渐稳定.

图1

Fig. 1

图1 苦草根系对沉积物TP垂直分布的影响 Fig.1 Effects of V. natans roots on TP vertical distribution in sediment

NaOH-P在苦草根系集中分布区域内的含量显著低于非根系集中分布区域(P<0.05).实验期间在根系集中分布区域 NaOH-P的含量迅速降低，从290.09 mg ·kg^-1降低至207.02 mg ·kg^-1(图2).在垂直方向上根系集中区域(0~6 cm)NaOH-P含量迅速降低，在苦草根系集中分布区域内(0~6 cm)的含量显著低于苦草根系分布区域外部(7~14 cm)(P<0.05).沉积物底层NaOH-P的含量在垂直方向上7 cm处根系内外交界区域缓慢降低，从296.54 mg ·kg^-1降至248.03 mg ·kg^-1.对照组NaOH-P的含量呈缓慢下降趋势，从298.98 mg ·kg^-1降至216.10 mg ·kg^-1.对照组NaOH-P在实验开始后20 d明显下降，从初始的298.98 mg ·kg^-1下降到251.90 mg ·kg^-1，之后稳定下来，80 d时又出现一次明显下降.

图2

Fig. 2

图2 苦草根系对沉积物NaOH-P垂直分布的影响 Fig.2 Effects of V. natans roots on NaOH-P vertical distribution in sediment

苦草根系集中分布区域内与非根系集中分布区中沉积物HCl-P含量无显著性差异(P>0.05).HCl-P含量在沉积物空间上变化相对缓和，在苦草根系内外分布区域均保持在350.00 mg ·kg^-1左右(图3 ).对照组HCl-P在实验开始20 d后呈下降趋势，从初始的336.06 mg ·kg^-1下降到293.75 mg ·kg^-1，之后稳定下来，80 d时出现一次明显上升.

图3

Fig. 3

图3 苦草根系对沉积物HCl-P垂直分布的影响 Fig.3 Effects of V. natans roots on HCl-P vertical distribution in sediment

实验结束后，OP在苦草根系分布区域内的含量 显著低于非根系分布区域(P<0.05)，而IP在根系分布区域内外无显著性差异(P>0.05).实验期间OP的含量迅速降低，从314.91 mg ·kg^-1降低至205.80 mg ·kg^-1.在垂直方向上沉积物表层OP含量在6 cm处根系集中分布区域内外交界区域迅速降低(361.78~256.80 mg ·kg^-1)(图4).沉积物底层IP的含量在垂直方向上14 cm处缓慢升高(659.28~690.90 mg ·kg^-1)(图5).OP的含量在苦草根系内外空间分布上变化缓和，在330.70 mg ·kg^-1之间波动.对照组IP和OP在实验20 d后明显下降，分别从初始的640.56 mg ·kg^-1和314.91 mg ·kg^-1下降到531.61 mg ·kg^-1和295.36 mg ·kg^-1，之后下降趋势变缓并逐渐稳定.

图4

Fig. 4

图4 苦草根系对沉积物OP垂直分布的影响 Fig.4 Effects of V. natans roots on OP vertical distribution in sediment

图5

Fig. 5

图5苦草根系对沉积物IP垂直分布的影响 Fig.5 Effects of V. natans roots on IP vertical distribution in sediment

为进一步研究沉积物中TP与各形态磷的关系，分别对TP的浓度与NaOH-P、 HCl-P、 OP和IP的浓度进行了Pearson相关分析(表2).

表2(Table 2)

表2 苦草组沉积物各形态磷之间相关系数矩阵 1) Table 2 Matrix of correlation coefficients among different phosphorus factions in sediment TP OP IP NaOH-P HCl-P TP 1 OP 0.790** 1 IP 0.775** 0.672* 1 NaOH-P 0.859** 0.682* 0.802** 1 HCl-P -0.058 -0.124 0.099 -0.177 1 1)*表示相关性在0.05水平显著(双侧检验)，**表示相关性在0.01水平显著(双侧检验)

表2 苦草组沉积物各形态磷之间相关系数矩阵 1) Table 2 Matrix of correlation coefficients among different phosphorus factions in sediment

相关分析表明TP与OP、 IP和NaOH-P呈显著正相关，与HCl-P相关性不显著.TP由IP和OP构成，实验期间苦草根系分布区域内外OP有显著性差异，而IP无显著性差异，故OP的变化是导致沉积物TP含量空间差异的主要原因.IP与NaOH-P呈显著正相关，IP主要由NaOH-P和HCl-P组成，两者占IP的比例在90%以上.实验期间IP与HCl-P呈正弱相关，但与NaOH-P相关系数较高.因此，沉积物NaOH-P含量的变化是导致IP空间分布变化的主要原因.同时，实验期间沉积物根系泌氧显著改变了周边环境因子，pH的降低和Eh的升高影响OP和IP之间转化，因此，苦草根系的生命活动造成的环境因子的改变是沉积物TP含量变化的内在驱动. 3.2 苦草根系对沉积物各形态磷空间分布的影响

NaOH-P是与沉积物中易发生氧化还原作用的铁氧化物或铁氢氧化物结合的磷.大部分的研究认为这种形式的磷是较易于释放的，在沉积物中起到指示污染物的作用^{[21, 22]}.研究表明，富营养化程度较重的湖泊中，沉积物释放的磷中50%是NaOH-P.由于NaOH-P的易析出性，NaOH-P在沉积物中能够被植物大量吸收利用^{[23, 24]}.沉水植物苦草在生长的过程中通过发达的根系能够大量地吸收利用沉积物中的NaOH-P，以满足自身生长的需要^{[25, 26]}.这可能是导致NaOH-P在植物根系区域较低的原因之一.在本实验条件下苦草植株体内磷含量为3158.01 mg ·kg^-1，实验结束时苦草平均每株干重为0.8025 g，因此平均每株富集磷总量为2.534 mg.

另一方面沉水植物生长过程中通过体内的通气组织将氧气向根部运输，在根区周围形成富氧环境^[27]，使根区沉积物环境由还原态向氧化态转化^{[28, 29]}，导致沉积物中的Fe²⁺逐渐氧化为Fe³⁺，PO^3-₄与Fe³⁺结合，以FePO₄的形式沉淀下来，在根系表面形成根斑^[30]，影响沉积物中NaOH-P的含量.在本实验中也观察到了苦草根系表面褐色的根斑.苦草根系的生长改变了原有的环境，使得沉积物中NaOH-P向其他形态磷转变，这可能是沉积物NaOH-P含量降低的另一个重要原因.沉积物各形态磷之间相关分析表明NaOH-P与IP存在显著正相关，与HCl-P和OP存在弱相关.据此推理，NaOH-P与沉积物中其他形态磷含量存在较为密切的关系，但是由于根系的作用非常复杂，并且不同形态的磷也存在相互转换的过程，沉水植物对不同形态磷的具体影响机制还需进一步研究.

苦草在生长过程中，其根系的生长发育过程几乎全部是在沉积物中进行，在根系的生长过程中，根的释氧作用，增加了根系周边的溶解氧，引起底泥氧化还原条件的变化，在根周形成了根斑氧化层，同时沉水植物根系会分泌有机酸类物质(草酸、 柠檬酸、 马来酸、 富马酸、 酒石酸、 苹果酸、 琥珀酸、 乳酸、 乙酸等)，而根系分泌物中的H⁺或有机酸的增加必然导致根际pH值降低^[31]，根际pH值的降低有利于提高根际周围难溶性物质的溶解度，有机酸也能作为螯合剂，与Fe、 Al、 Ca等阳离子螯合^[32]，从而导致NaOH-P的释放.这可能是导致苦草根系周围NaOH-P显著降低的另一个主要原因.

在沉积物垂直方向0~6 cm内NaOH-P的含量显著降低，这应该与苦草根系的垂直方向空间分布有关.苦草根系长度绝大部分根长在8 cm左右.而且在0~10 cm深度范围内聚集了根系生物量的近95%，由于大量根系的存在，从而增大了根系和沉积物接触的表面积，因此苦草根系在垂直方向0~6 cm内的影响较强，从而导致了该区域NaOH-P含量相对较低.

HCl-P主要指与自生磷灰石、 沉积碳酸钙以及生物骨骼等的含磷矿物有关的沉积磷存在形态^[33]，主要来自于生物颗粒的沉积和早期成岩作用形成的氟磷灰石^[22,23].它是沉积物中较为稳定的磷形态，且常常被永久地掩埋于深层沉积物中而难于被生物所利用^[34].但影响磷形态转化的因素是多种的，当在pH值较低的情况下HCl-P也可以从沉积物中释放出来.在本实验条件下，HCl-P在沉积物中变化较小.苦草根系分布区域与非根系分布区域之间含量无显著差异.

OP包括由陆源性排放物质组成的难降解性有机磷部分和由死亡的水生生物残体组成的可降解性有机磷其中可降解有机磷部分，可以在早期成岩过程中随有机质的降解而释放，或向其它结合态磷转化^{[35, 36]}.沉积物OP多数以磷酸酯(包括肌醇六磷酸)、 磷脂、 核酸、 磷蛋白和磷酸糖类以及一些未知的化合物等形态出现，其中肌醇六磷酸是沉积物中有机磷的重要形态，在需氧降解过程中肌醇六磷酸被有效地矿化成无机磷，其矿化程度和速率与氧化还原条件极为相关^{[24, 26]}.苦草根系发达，泌氧能力强，能够有效地改变根际沉积物氧化还原环境，在本实验条件下，培养80 d后沉积物有机质含量明显下降，在根系集中分布的0~6 cm区域，有机质含量从5.40%下降到4.8%，沉积物颜色发生明显变化，根系集中分布区呈浅灰色，非根系集中分布区沉积物呈深黑色，表明苦草根系明显改善了沉积物氧化还原环境，这是本实验中根系集中分布区OP含量显著下降的一个重要原因.

4 结论

(1)苦草根系分布区域内沉积物中TP、 NaOH-P和OP的含量显著降低.HCl-P和IP的含量在苦草根系分布内外区域无显著性差异.

(2)苦草根系分布区域内沉积物环境发生了明显改变，有机质含量降低，氧化还原条件显著改变.苦草根系通过提高根系周围溶解氧，改变沉积物环境，来影响沉积物中各形态磷之间的迁移转化，同时苦草生长过程中吸收利用大量沉积物中的磷，从而导致了沉积物各形态磷含量的空间差异.