Effect of Exogenous Fe Input on Root Iron Plaque Formation and P Absorption in Pilea cadierei

花叶冷水花是荨麻科冷水花属多年生草本，耐阴耐湿，易于修剪，对磷有较强富集能力^[20]. 本试验所用试材购买于四川省雅安市大兴花卉市场，试验前用静置1 d的自来水将购回的花叶冷水花根部冲洗干净，然后用蒸馏水清洗，自然风干10 min后称鲜质量，测定株高，并从中取样测定植物根系、地下部分初始磷含量、根表铁氧化物胶膜量.

模拟垂直流人工湿地试验在高14 cm、上口直径20 cm、下口直径16 cm的塑料桶中进行，桶底部布设水管. 试验基质从下到上依次是3 cm厚(约0.5 kg)的砾石层(直径0.5~1.2 cm)和7 cm厚(约1.5 kg)的河沙与土壤的混合层. 砾石与河沙采自雅安青衣江，土壤为紫色土，取自四川农业大学教学科研园区，土壤基本理化性质见表 1. 河沙与土壤过2 mm筛后按2∶1的比例混合，为保证植株在生长过程中有充足的养分供应，每千克沙土中加入0.3 g过磷酸钙、0.4 g尿素和0.3 g氯化钾混匀.

试验在四川农业大学环境学院光照培养室中进行，培养室白天温度为25 ℃，晚上温度为20 ℃，光照时长分别为白天14 h、晚上10 h，光照强度为200~230 μmol/(m²·s)，湿度控制在70%.

模拟P污水：以KH₂PO₄为磷源配置P质量浓度分别为0，5，10，50，100 mg/L的模拟P污水，分别记为P₀，P₅，P₁₀，P₅₀，P₁₀₀.

外源铁(Fe²⁺)：将用作基质的沙土分为3组，加入一定质量的FeSO₄·7H₂O固体，充分混合，使基质沙土中Fe²⁺的质量浓度分别为0，500，1 000 mg/kg，分别记为Fe₀，Fe₅₀₀，Fe_{1 000}.

将长势一致的花叶冷水花分别种植于3个Fe²⁺质量浓度基质的试验桶中，每桶种8株，初始鲜质量约为40 g. 植株在自来水下稳定15 d后，分别用0，5，10，50，100 mg/L 5个P质量浓度梯度的模拟P污水进行处理，每次处理间隔7 d(即水力停留时间以7 d计). 各质量浓度模拟P污水的加入量均为0.8 L，系统水力负荷为0.04 m³/(m²·d). 本试验共持续6周，试验期间通过添加蒸馏水补充蒸发、蒸腾等所耗的水分，以保持试验桶中水位.

试验共15个处理：Fe₀P₀，Fe₀P₅，Fe₀P₁₀，Fe₀P₅₀，Fe₀P₁₀₀，Fe₅₀₀P₀，Fe₅₀₀P₅，Fe₅₀₀P₁₀，Fe₅₀₀P₅₀，Fe₅₀₀P₁₀₀，Fe_{1 000}P₀，Fe_{1 000}P₅，Fe_{1 000}P₁₀，Fe_{1 000}P₅₀，Fe_{1 000}P₁₀₀，每个处理重复4次. 同时设置无植物的纯基质模拟人工湿地系统，除无需种植植物外，其余处理方法与植物组人工湿地系统相同.

试验结束后，测定植物株高并将植物全株收获，用自来水冲洗干净，风干后称鲜质量，取总根量的1/2用于测定植物根表铁氧化物胶膜，余下的根系与植物地上部分于105 ℃下杀青30 min，再于65 ℃下烘干至恒重后称量，记录根系和地上部分干质量.

采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(dithionite-citrate-bicarbonate，DCB)法提取根表铁膜^[21]，具体方法为：收获后的植物根系用去离子水冲洗干净后放入250 mL白色塑料瓶中，加入0.3 mol/L柠檬酸钠(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)40 mL，1 mol/L碳酸氢钠(NaHCO₃)5 mL及5 g连二亚硫酸钠(Na₂S₂O₄)，浸提根表铁胶膜. 然后在25 ℃，280 r/min的摇床上振荡3 h，溶液过滤至100 mL容量瓶中定容. 取出的根在70 ℃烘箱中烘干，称干质量. 用火焰原子吸收分光计(novAA300Analytik Jena AG)测定提取液中的铁，用钼锑抗比色法(722S型分光光度计)测定提取液中的磷^[22].

根表铁膜的计算采用DCB提取液中铁含量与DCB提取后根干质量之比，根表铁膜磷吸附量是DCB提取液中含磷量与DCB提取后根干质量之比^[23]，单位均为g/kg根干质量，简写为g/kg.

植物磷吸收量表示植物从湿地系统中带走的磷素量，是直接反映植物的净化潜力的重要指标. 将烘干的植物根系和地上部分样品分别粉碎，过0.25 mm筛，采用H₂SO₄—H₂O₂消煮—钒钼黄比色法(722S型分光光度计)测定植株根系及地上部分磷含量^[22].

所有数据均采用SPSS，Excel和Origin等软件进行统计分析. 数值为平均值±标准误差. 组间数据进行方差分析并用最小差值法(LSD)进行多重比较，*p＜0.05表示差异显著，**p＜0.01表示差异极显著.

植物根表铁膜是长期生长于渍水土壤条件下的植物适应淹水环境的结果，通过耐渍水特有的通气组织，将氧气输送到根系，从而把Fe²⁺氧化成铁的氧化物、氢氧化物胶膜. 因此，渍水土壤中铁膜的形成必须具备两个条件：①局部的氧化条件；②土壤中有一定的可溶性Fe²⁺存在^[24]. 本试验以7 d为一个换水周期，使系统一直处于渍水状态. 局部氧化状态主要通过植物根系氧化作用保持. Fe²⁺来自于土壤以及外源Fe²⁺.

由图 1可知，模拟人工湿地系统基质中外源Fe²⁺的质量浓度对花叶冷水花根表铁膜形成量具有显著性影响. 外源Fe²⁺对根表铁膜形成的影响与P质量浓度有关：当P质量浓度不超过10 mg/L时，根表铁膜量随Fe²⁺质量浓度增加呈先降低后升高趋势，基质中外源Fe²⁺为500 mg/kg时，根表铁膜量显著低于不加Fe²⁺和外加1 000 mg/kg Fe²⁺处理的结果；而当P质量浓度不低于50 mg/L时，根表铁膜量随Fe²⁺质量浓度的增加而增加，尤其是在P质量浓度为100 mg/L时，这种变化趋势表现得最为明显. 说明在高质量浓度磷处理系统中，外源Fe²⁺能有效地促进花叶冷水花根表铁膜的形成. 此外，污水中P质量浓度对花叶冷水花根表铁膜形成的影响也与基质中Fe²⁺质量浓度有关，在未加Fe²⁺时，根表铁膜量随着P质量浓度的增加而降低，在外加Fe²⁺为500 mg/kg和1 000 mg/kg时，根表铁膜量随P质量浓度的增大呈现整体上升趋势. 许多报道认为缺磷能诱导根表铁膜的形成^[25-26]，而通过本试验发现，磷对铁膜形成的影响与环境中铁离子浓度有关：当Fe²⁺质量浓度较低时，P质量浓度增大会抑制根表铁膜的形成；但外加一定量Fe²⁺后，P质量浓度的增大不再抑制根表铁膜的形成，而是起到促进作用. 本试验发现，高铁高磷处理下(Fe_{1 000}P₁₀₀)，花叶冷水花根表铁膜形成量最大，为2.22 g/kg.

由表 2可知，参试植物在有外源Fe²⁺的模拟人工湿地系统中，经不同质量浓度P污水持续处理42 d后，P质量浓度水平对植物株高、鲜质量增长量以及根系和地上部干质量均具有显著影响，而Fe²⁺对地上部分干质量无显著影响.

从表 2还可看出，当模拟人工湿地基质中未加入外源Fe²⁺时，花叶冷水花株高增长量、根系及地上部干质量随污水P质量浓度的增加变化不明显，而当基质中加入500 mg/kg和1 000 mg/kg外源Fe²⁺时，花叶冷水花株高增长量、根系及地上部干质量的较大值均出现在高磷处(P质量浓度不低于50 mg/L)，说明在基质中加入一定量Fe²⁺后，高质量浓度磷污水并不抑制花叶冷水花生长，反而起到促进作用，这与有外源Fe²⁺加入下，磷可促进花叶冷水花根表铁膜的形成结论一致，说明根表铁膜与植物生长可能存在一定相关性. 本试验发现，花叶冷水花地上部分干质量最大值出现在Fe₅₀₀P₅₀处理下，说明当外源Fe²⁺质量浓度超过500 mg/kg，P处理质量浓度超过50 mg/L均会在不同程度上影响植株生长，这可能是因为磷是蛋白质和核酸的主要必需元素，根表铁膜可促进植物对磷的吸收^[27]，在植物可接受水平下，高磷条件培养的植物抗性更强，磷的大量吸收利于植物干物质的积累. 但如果P质量浓度过高，植物会因为无法吸收水分而萎蔫，造成烧苗现象^[28].

从表 3可看出，根表铁膜量与参试植物株高增长量的相关系数为0.713^**，呈显著正相关(p＜0.01)，但与鲜质量增长量、根系干质量、地上部干质量的相关系数分别为0.423，0.482和0.263，相关性未达显著水平. 表明花叶冷水花根表铁膜的形成有利于其纵向生长，但对干质量积累影响不大，这可能是因为根表铁膜有利于植物地上部分磷素积累，促进植物茎杆生长，而与氮素营养吸收无明确相关性，对植物有机物的积累作用不显著.

由图 2可知，当污水P质量浓度为0，100 mg/L时，外源Fe²⁺质量浓度水平对花叶冷水花根系磷吸收量(不含根表膜磷，下同)的影响无显著差异；当污水P质量浓度为5，10，50 mg/L时，外源Fe²⁺对根系磷吸收量的影响差异显著. 由此可见，P质量浓度过低或过高，向基质中加入外源Fe²⁺对植物根系磷吸收量没有显著影响. 3个外源Fe²⁺质量浓度水平下，花叶冷水花根系对磷的平均积累量分别为(5.11±0.12) g/kg，(5.42±0.11) g/kg，(5.30±0.15) g/kg，三者差异不显著，说明铁的加入对花叶冷水花根系磷的积累影响不大，其原因可能是植物根系P主要与土壤P质量分数呈极显著正相关，与其他元素相关性不明显^[29].

当污水P质量浓度为0 mg/L时，外源Fe²⁺质量浓度水平对花叶冷水花地上部分磷吸收量的影响无显著差异；当污水P质量浓度为5，10，50和100 mg/L时，外源Fe²⁺质量浓度水平与花叶冷水花地上部分磷吸收量差异显著. 在P质量浓度不低于50 mg/L时，花叶冷水花地上部分磷吸收量随着Fe²⁺质量浓度的增加而增大，即当植物生长于富磷条件下时，外源铁可促进湿地植物地上部分对磷的吸收. 3个外源Fe²⁺质量浓度水平下，花叶冷水花地上部分对磷的平均积累量分别为(3.58±0.07) g/kg，(4.19±0.06) g/kg，(4.47±0.05) g/kg，三者差异显著，说明铁的加入对花叶冷水花地上部分磷的积累具有显著性影响.

从图 2还可看出，在低P水平下，外加Fe²⁺质量浓度对花叶冷水花根系和地上部分磷吸收量无显著影响，在P质量浓度为5，10 mg/L时，基质中加入500 mg/kg Fe²⁺可显著提高花叶冷水花根系和地上部分磷吸收量，在P质量浓度为50 mg/L时，基质中加入1 000 mg/kg Fe²⁺可使花叶冷水花根系和地上部分磷吸收量达到最大值，说明花叶冷水花对磷的吸收量与P质量浓度和基质中Fe²⁺含量有关，这为提高花叶冷水花对含磷污水的净化效果提供了数据支撑.

图 3表示0，5，10，50，100 mg/L 5个P质量浓度处理下，3个不同外源Fe²⁺质量浓度对花叶冷水花根表铁膜磷吸附量的影响. 由图 3可知，当基质中不加入Fe²⁺时，根表铁膜磷吸附量随污水P质量浓度的增加而降低，说明在Fe²⁺较低时，P的加入会抑制植株根表铁膜对磷的吸附，这与低Fe²⁺质量浓度下，P的加入抑制根表铁膜的形成具有一致性；当基质中加入500 mg/kg Fe²⁺时，根表铁膜磷吸附量随P质量浓度的增加呈先降低再升高的趋势；在加入1 000 mg/kg Fe²⁺时，根表铁膜磷吸附量随P质量浓度的增加而增大，在Fe_{1 000}P₁₀₀处理下，根表铁膜磷吸附量达到最大值，为4.40 g/kg.

从图 3还可看出，在P质量浓度水平较低(分别为0，5，10 mg/L)时，Fe_{1 000}处理下根表铁膜磷吸附量始终低于Fe₀和Fe₅₀₀；而在高P质量浓度下(分别为50，100 mg/L)时，根表铁膜磷吸附量从高到低依次为Fe_{1 000}，Fe₅₀₀，Fe₀. 这说明Fe²⁺对根表铁膜磷吸附量的影响取决于环境中P的质量浓度，当在低磷条件下，Fe²⁺的加入会抑制根表铁膜对磷的吸附，而在高磷水平下，Fe²⁺的加入可促进根表铁膜对磷的吸附.

根表铁膜是铁氧化物在根系表面形成的一层氧化物胶膜，具有与铁锰氧化物相似的电化学性质，对土壤中某些阴阳离子具有富集作用，在很大程度上影响着植物对养分元素的吸收. 许多研究表明，根表铁膜在近根的区域能富集养分，可以在介质中养分缺乏时被活化吸收^[30-31].

文献[32]研究指出，铁胶膜中的磷是植物吸收磷的重要来源. 文献[33]的研究发现，根表铁膜可以促进水稻对磷的吸收，但这种促进作用的大小依赖于根表铁膜数量. 表 4列出了根表铁膜量与花叶冷水花根系、地上部分以及铁膜磷吸附量的线性关系. 从表 4可知，根表铁膜量与参试植物根系磷吸收量无显著相关性，而与植株地上部分磷吸收量和铁膜磷吸附量的相关系数分别为0.386^**，0.476^**，呈显著正相关(p＜0.01)，说明花叶冷水花根表形成的铁膜可促进其地上部分和根表铁膜对磷的吸收，这与文献[15, 33-34]等关于根表铁膜量与植物磷吸收的研究观点一致. 从表 4还可看出，花叶冷水花根表铁膜磷吸附量与根系磷吸收量呈显著负相关(r=-0.438^**，p＜0.01)，而与地上部分磷吸收量呈显著正相关(r=0.386^**，p＜0.01). 表明根表铁膜对磷的吸附作用可阻止磷在植物根系的大量积累，抵御磷素过量对根系的伤害，但并不影响植物地上部分对磷素的吸收，可以认为根表铁膜充当了植物养分的暂时储存库，对调节植物磷素平衡起着关键作用.

1) 在人工湿地系统中，外源Fe²⁺可促进湿地植物花叶冷水花根表铁膜的形成，Fe²⁺对根表铁膜形成的影响与系统中P的质量浓度有关，当P质量浓度不超过10 mg/L时，根表铁膜形成量随Fe²⁺质量浓度增加呈先降低后升高趋势，当P质量浓度不低于50 mg/L时，根表铁膜量随Fe²⁺质量浓度的增加而增加. 污水中磷的质量浓度对花叶冷水花根表铁膜形成的影响也与基质中Fe²⁺质量浓度有关，铁含量较高时，高磷条件更利于根表铁膜的形成.

2) 外源Fe²⁺可促进花叶冷水花地上部干质量积累，在高铁高磷交互作用下，植株根系、地上部分干质量显著高于其他处理，但当基质中外源Fe²⁺质量浓度超过500 mg/kg，P质量浓度超过50 mg/L时，花叶冷水花生长受到影响.

3) 根表铁膜对磷的吸附量与基质中Fe²⁺含量和污水中P的质量浓度有关. 当基质中无外源Fe²⁺时，P质量浓度增大会抑制花叶冷水花根表铁膜的形成，降低铁膜对磷的吸附能力. 当系统中加入外源Fe²⁺，且P质量浓度≥50 mg/L时，根表铁膜磷吸附量随铁质量浓度的增加而增大，本试验在Fe_{1 000}P₁₀₀处理下，根表铁膜磷吸附量达最大值，为4.40 g/kg.

4) 根表铁膜与花叶冷水花株高增长量呈显著正相关(r=0.713^**，p＜0.01)，可促进其纵向生长，但与鲜质量增长量、根系干质量和地上部干质量的相关性不显著. 此外，铁膜与花叶冷水花地上部分磷吸收量、铁膜磷吸附量也呈显著正相关，相关系数分别为0.386^**，0.476^**(p＜0.01).

因此，在应用湿地植物花叶冷水花净化高磷污染水体，适当加入外源Fe²⁺有利于花叶冷水花的生长，促进其地上部分对磷的吸收，从而转移污水中的磷，达到净化磷污染水体的作用，对治理磷的面源污染及修复严重富营养化水体具有重要意义.