磷对苦草种子及幼苗生长和根系泌氧的影响

摘要 ［目的］了解不同浓度富磷水体对苦草种子及其生长发育的影响。［方法］以苦草为模式植物，采用原位根系泌氧图像分析（平面光极技术）的方法，研究不同浓度富磷水体对苦草种子和植株生长发育以及根系泌氧的影响。［结果］不同浓度的富磷水体对苦草种子发芽均有促进效果，苦草幼苗根长生长随富磷水体中磷酸盐浓度的增加而加快。当磷酸盐浓度在50～200 mg/L时，苦草中叶绿素含量变化稳定；当磷酸盐浓度超过200 mg/L时，苦草中叶绿素含量波动显著，后期呈现出升高趋势。当磷酸盐浓度超过200 mg/L时，苦草累积MDA速度较快，此浓度下，苦草对磷酸盐吸附量最多，去除率达67.6%。植物根系的养分吸收程度会直接影响植物中叶绿素的合成以及MDA的释放，苦草根系泌氧研究表明，磷酸盐胁迫下根系pH降低，活性氧含量呈增加趋势。［结论］该研究结果为富磷水体对苦草生长发育的影响机制提供了科学的数据支撑，对湿地植物修复不同程度的富磷水体具有借鉴意义。

关键词 苦草；磷酸盐；幼苗生长；根系泌氧；生理参数；平面光极

中图分类号 Q945 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）22-0057-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.22.015

Effects of Phosphorus on the Growth and Radial Oxygen Loss of Vallisneria natans Seeds and Their Seedling Stage

LI Guan-ting1，ZHANG Yong-ting2，SUN Wen-zheng1 et al

Abstract ［Objective］To understand the effect of different concentrations of phosphorus-rich water on the growth and development of Vallisneria natans seeds.［Method］ Using Vallisneria natans as model plants， the effects of different concentrations of phosphorus-rich water on the growth and development of Vallisneria natans seeds and radial oxygen loss were studied by radial oxygen loss image analysis （planar optode technology）. ［Result］Different concertratons of phosphorus-rich wate promoted the germination of Vallisneria natans seeds， and the root length growth of Vallisneria natans seedlings was accelerated with the increase of PO43--P concentration in phosphorus-rich water. When the PO43--P concentration was 50-200 mg/L， chlorophyll changes in Vallisneria natans were stable.When the PO43--P concentration exceeded 200 mg/L， the chlorophyll concentration fluctuated significantly and showed an increasing trend in the later stage. When the PO43--P concentration exceeded 200 mg/L， Vallisneria natans accumulated MDA at a faster rate. When the PO43--P in water was 200 mg/L， Vallisneria natans adsorbed the most phosphate， and the removal rate of phosphorus-rich water reached 67.6%. The degree of nutrient uptake in plant roots would directly affect the synthesis of chlorophyll and the release of MDA in plants. Th radial oxygen loss of Vallisneria natans showed that the pH of the roots was decreased and the reactive oxygen content tended to increase under phosphate stress. ［Conclusion］The results of this study provide scientific data to support the mechanism of phosphorus-rich water on the growth and development of Vallisneria natans， and have implications for wetland plant remediation of phosphorus-rich water at different levels.

Key words Vallisneria natans;Phosphate;Seedling growth;Radial oxygen loss;Physiological parameters;Planar optode

随着当前工农业用水量的增加，我国农村黑臭水体日趋严重，其中以生活源、农业源为主体的污染是造成农村黑臭水体的主要原因［1］。农村黑臭水体中氮、磷含量远远超过了水体的自净能力，导致农村水体富营养化程度严重，水体生态平衡被破坏，引起水体富营养化［2-3］。特别是当水体中磷营养盐浓度增加时，植物的生长和分配格局被改变，这些改变对植物的形态及生理代谢具有一定的影响［4］。在植物的生长发育过程中，磷是不可或缺的营养物质之一，是植物合成酶、叶绿素等物质的基础物质，且磷亦是能量转移载体物质，能够参与到植物代谢过程、调节植物光合作用和呼吸作用，因此磷的浓度会对植物形态和生理机制产生一系列的调控性影响［5-6］。然而，过多的磷仍然能够胁迫植物的生长发育［7］。

植物修复技术是被广泛认可的治理和修复富营养化水体的有效方法［3］。沉水植物具有能够控制藻类生长、净化水质和调解物质循环等功能［8］，对富营养化水体中的氮磷等污染物的去除具有明显效果。范真等［9］研究了多种湿地植物对含氮磷水体的吸附能力，发现湿地植物可以净化水体。姚瑶等［10］通过筛选研究表明，苦草可以对富磷水体进行净化。赵建成等［11］使用苦草［Vallisneria natans（Lour.）Hara］等植物净化农村水体，其中苦草对水体中氮磷的净化效果明显。由此可见，苦草对于修复水体中氮磷含量过多具有重要意义。以往研究多聚焦于修复水体的植物选择上，而较少关注磷是否影响苦草种子的生长发育及其生理代谢。因此，该研究以苦草种子及其苗期单株为试验材料，探究富磷水体对苦草生长发育及其生理代谢的影响，为苦草净化富磷水体效果提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

该研究采用市售的已包衣苦草种子及苗期单株，并将苦草单株进行清洗，以防止枯死叶片及其根部泥土污染水体。采用磷酸二氢钾（KH2PO4）固体配制磷酸盐浓度为500 mg/L的母液，然后逐级稀释至目标浓度［12］。

1.2 试验方法

1.2.1

磷酸盐对苦草种子发芽率的影响。磷酸盐浓度分别设置为0（去离子水）、10、50、100、200、300 mg/L，分别编号为Ⅰ～Ⅵ组。每组设置3个平行，并以Ⅰ组为试验对照组。用培养皿作为种子的培养容器，并使用含有不同浓度的浸湿滤纸为种子提供磷营养盐，且每天定时用滴管给种子添加对应浓度的磷酸盐溶液，以保持滤纸的湿润。种子发芽试验共进行12 d［13］。分别在0、3、6、9、12 d的固定时间观察并记录种子发芽率及根长。试验初期对种子进行遮光处理，后期给予种子一定的光照，但要防止强光损伤种子。

1.2.2

磷酸盐对苦草单株生理指标的影响。选取生长状态良好、生长发育情况相似的单株，去除黄叶枯叶反复洗净后分别放入编号为Ⅰ～Ⅵ的烧杯中，并在烧杯中加入250 mL的磷酸盐溶液，浓度同种子发芽试验，每组处理设置3个平行。试验共进行20 d，每隔5 d取样一次，测定溶液中PO43--P浓度以及植株叶片的生理代谢参数（主要包括叶绿素和丙二醛含量）。每次取样后添加去离子水补充取样、蒸发、植物蒸腾所消耗的水分。

1.2.3

苦草根际泌氧分析。苦草根际泌氧情况以及根周pH使用平面光极技术（PO）［14］对苦草根际周围O2和pH分布进行拍照成像，首先是调节灯与苦草之间的距离，设置光强参数，其次将苦草容器前窗替换为O2偏光器和pH偏光器窗，接着保持环境的黑暗进行拍照成像，并用ImageJ软件绘制O2和pH的二维分布图，观察植物根系泌氧和泌酸的过程。

1.3 生理参数测定

1.3.1

磷酸盐浓度的测定。溶液中磷酸盐浓度采用《水和废水监测分析方法》（第四版）中钼锑抗分光光度法［15］测定。

1.3.2

叶绿素含量的测定。叶绿素含量的测定参考刘湘庆等［16］的方法。具体如下：选取成熟的苦草叶片，将叶片用去离子水冲洗干净后吸干表面水分，称取0.1 g的叶片并将其剪碎成长宽均约为2 mm的碎块后放入50 mL试管中，加入25 mL叶绿素提取剂（丙酮、无水乙醇和去离子水按4.5∶4.5∶1混合配制），盖上盖子，避光浸提24 h，以提取剂作为空白，分别在663和645 nm波长下测定其吸光度。并根据以下公式计算叶绿素a、叶绿素b浓度（mg/L）：

Chl a=12.72A633-2.69A645（1）

Chl b=22.80A645-4.67A663（2）

在得到叶绿素的浓度后，再按下式计算组织中鲜重的各种色素的含量：

W=（Chl×v×n）/g（3）

式中：W为叶绿素含量（mg/g）；Chl为色素浓度（mg/L）；v为提取液体积（mL）；n为稀释倍数；g为样品鲜重（g）。

1.3.3 丙二醛（MDA）含量的测定。MDA含量的测定参考张琼等［17］的方法。具体如下：称0.5 g叶片于研磨钵中，然后加入2 mL l0%的三氯乙酸（TCA）和少量石英砂研磨至匀浆，匀浆以4 000 r/min的速度离心10 min，然后吸取上清液2 mL（对照为2 mL去离子水），之后加入2 mL 0.6%硫代巴比妥酸（TBA）溶液，于沸水浴中反应15 min，迅速冷却后再离心10 min。用紫外分光光度计在450、532、600 nm波长下测定上清液吸光度。MDA含量计算公式如下：

C=6.45（A532-A600）-0.56A450（4）