Fine-scale remobilization of phosphorus by rooted macrophytes(Phragmites australis) growth in lake sediments: evidence from a holistic growth period simulation study  

湖泊沉積物中蘆葦根系驅(qū)動(dòng)磷的微尺度再遷移：基于全生長周期模擬研究的證據(jù)  

來源：Journal of Soils and Sediments, Volume 20, pages 1782–1792, (2020)

《土壤與沉積物雜志》第20卷，第1782–1792頁，2020年

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過120天沉積物微宇宙模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高分辨率透析技術(shù)（HR-Peeper）和鋯氧化物薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（Zr-oxide DGT），首次揭示蘆葦（Phragmites australis）全生長周期通過根系分泌物和鐵耦合作用驅(qū)動(dòng)沉積物磷（P）的形態(tài)轉(zhuǎn)化與遷移。核心發(fā)現(xiàn)：  

1. 磷形態(tài)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化：蘆葦生長促使沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）減少77%，鐵吸附態(tài)磷（Fe-P）增加400%，磷形態(tài)由惰性向氧化還原敏感態(tài)轉(zhuǎn)化（圖4）。  

 

2. 孔隙水磷活性增強(qiáng)：蘆葦根際區(qū)可溶性活性磷（SRP）濃度提升3倍，擴(kuò)散通量增加17倍（圖5,7），并形成與根系形態(tài)匹配的斑塊狀活性磷分布（圖6）。  

 

 

 

3. 機(jī)制解析：根系分泌有機(jī)酸溶解Ca-P，同時(shí)根際釋氧促進(jìn)Fe2?氧化形成鐵膜，通過Fe-P耦合作用調(diào)控磷的再遷移（圖2,5）。  

 

研究目的

 

1. 量化蘆葦全生長周期對沉積物磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響；  

2. 闡明根際微界面磷遷移的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；  

3. 評(píng)估水生植被修復(fù)對富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)源磷循環(huán)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。  

 

研究思路

 

1. 原位模擬設(shè)計(jì)：采集巢湖沉積物與上覆水，構(gòu)建沉積物-蘆葦微宇宙系統(tǒng)（圖1d），模擬120天生長期（萌芽至衰老）。  

 

2. 多尺度監(jiān)測：  

   ? 毫米級(jí)分辨率：HR-Peeper測定孔隙水SRP（圖5），Zr-oxide DGT獲取二維活性磷分布（圖6）；  

 

   ? 沉積物磷分級(jí)：連續(xù)提取法分析0-5 cm和5-10 cm層磷形態(tài)（圖4）；  

 

   ? 蘆葦形態(tài)參數(shù)：生物量、根長、根表面積等（圖3）。  

 

3. 通量計(jì)算：基于菲克定律計(jì)算沉積物-水界面磷擴(kuò)散通量（圖7）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 沉積物磷形態(tài)（圖4）  

   ? 數(shù)據(jù)：120天后Fe-P從19.36 mg·kg?1增至94.85 mg·kg?1（0-5 cm層），Ca-P從151.34 mg·kg?1降至35.99 mg·kg?1。  

 

   ? 意義：揭示蘆葦生長促進(jìn)惰性磷（Ca-P）向活性磷（Fe-P）轉(zhuǎn)化，增加磷生物可利用性。  

 

2. 孔隙水活性磷（圖5-6）  

   ? 數(shù)據(jù)：SRP濃度升高3倍（120天 vs 初始），DGT顯示根際區(qū)活性磷呈"自上而下"斑塊狀分布（濃度0.01-1.12 mg·L?1）。  

 

   ? 意義：證實(shí)根系活動(dòng)創(chuàng)造磷遷移熱點(diǎn)，為內(nèi)源磷釋放提供直接證據(jù)。  

 

3. 磷擴(kuò)散通量（圖7）  

   ? 數(shù)據(jù)：沉積物-水界面磷通量從31.54 μg·m?2·d?1增至525.44 μg·m?2·d?1（120天）。  

 

   ? 意義：量化植被修復(fù)中沉積物磷釋放強(qiáng)度，預(yù)警富營養(yǎng)化治理的潛在風(fēng)險(xiǎn)。  

 

4. 蘆葦形態(tài)參數(shù)（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：總生物量從12.12 g增至183.04 g，細(xì)根生物量從1.29 g增至31.46 g。  

 

   ? 意義：建立植物生長指標(biāo)與磷活化強(qiáng)度的定量關(guān)聯(lián)（R2=0.54-0.92），為生態(tài)修復(fù)提供調(diào)控靶點(diǎn)。  

 

結(jié)論

 

1. 磷活化機(jī)制：蘆葦根系分泌有機(jī)酸溶解Ca-P，根際釋氧促進(jìn)Fe-P形成，導(dǎo)致沉積物磷活性提升400%。  

2. 遷移路徑：活性磷以斑塊狀向根際遷移（DGT驗(yàn)證），擴(kuò)散通量增加17倍，加劇沉積物-水界面磷交換。  

3. 管理啟示：水生植被修復(fù)需關(guān)注根際磷活化的"雙刃劍"效應(yīng)，避免加劇內(nèi)源負(fù)荷。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

研究使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位測定沉積物溶解氧（DO）垂直剖面（圖2），其核心價(jià)值在于：  

1. 量化根際氧化層擴(kuò)展：微電極以微米級(jí)精度顯示DO滲透深度從初始4 mm增至12 mm（120天），直接驗(yàn)證蘆葦根系徑向釋氧能力（p<0.05），為"根際氧屏障促進(jìn)Fe2?氧化及Fe-P形成"的假設(shè)提供關(guān)鍵證據(jù)。  

2. 揭示氧化還原驅(qū)動(dòng)機(jī)制：DO剖面與Fe-P分布（圖4）、SRP通量（圖7）顯著正相關(guān)，闡明根際氧化環(huán)境通過Fe3?/Fe2?循環(huán)驅(qū)動(dòng)磷的溶解-再吸附過程，解析磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的氧化還原敏感特性。  

3. 支撐磷遷移模型：DO梯度數(shù)據(jù)（0-10 mm層）為菲克定律計(jì)算磷擴(kuò)散通量（圖7）提供邊界條件，量化植被生長對沉積物磷釋放的貢獻(xiàn)強(qiáng)度。