濕地植物根系泌氧能力和根表鐵膜與根系吸收重金屬的關(guān)系

李瑩，張洲，楊高明，祖艷群，李博，陳建軍

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201

對于礦區(qū)廢棄地水資源污染的修復(fù)治理一直以來都備受關(guān)注（羅才貴等，2014）。濕地生態(tài)系統(tǒng)作為礦區(qū)污染處理措施，有著凈化水質(zhì)、提高水體環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)水資源的功能（徐昔保等，2018）。濕地植物因其特有的根系形態(tài)、發(fā)達(dá)的通氣組織，有利于將O2從地上部分傳輸?shù)礁?，但其中一部分O2在運(yùn)輸途中會滲入土壤中，這便是植物的泌氧現(xiàn)象（radial oxygen loss，ROL）（Armstrong et al.，2001）。ROL不僅在濕地植物適應(yīng)淹水環(huán)境中起到重要的作用，在對重金屬的耐性方面同樣具有關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用（謝換換等，2021）。濕地植物通過向根系外部釋放O2，可以提高根際Eh、降低pH，改變環(huán)境中重金屬的形態(tài)，促進(jìn)植物對重金屬的吸收（Wang et al.，2018；毛凌晨等，2018），并且由于ROL作用使得根際環(huán)境中好氧細(xì)菌數(shù)量的增加，最終促進(jìn)環(huán)境中重金屬的去除（Yang et al.，2019）。植物根部分泌的O2和氧化還原物質(zhì)可以使?jié)竦刂参锔砻娈a(chǎn)生一層特有的無定型或結(jié)晶鐵化合物（鐵氧化物膠膜）（谷建誠等，2020）。根表鐵膜的高吸附性、高比表面積和特殊的電化學(xué)性能（劉春英等，2014），使環(huán)境中的陰陽離子更好的沉積在根表面，研究表明根表鐵膜對金屬態(tài)二價陽離子具有很強(qiáng)的吸附作用（Trivedi et al.，2000），而且根表重金屬的沉積與鐵膜厚度呈極顯著正相關(guān)（Otte et al.，1995），對重金屬有吸附或共沉淀作用（沈小雪等，2018），也有研究表明根表鐵膜對重金屬的沉積為螯合作用（陳琳等，2021）。但目前大多數(shù)研究主要分別探討根系泌氧對植物吸收重金屬的研究，或根表鐵膜對重金屬吸附沉積的研究，鮮有注意到根系泌氧、根表鐵膜共同作用對植物吸收重金屬的影響。

本研究作為處理鉛鋅礦廢棄地徑流末端水體污染的前瞻試驗，模擬了礦區(qū)重金屬復(fù)合污染的污染環(huán)境，對比紙莎草（Cyperus papyrus L.）、鳶尾（Iris tectorum Maxim.）、美人蕉（Canna indica Linn）、香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser）5種植物在污染環(huán)境中植物ROL能力和根表鐵膜形成的差異，分析并探究植物 ROL能力與根表鐵膜對植物吸收和累積重金屬的影響，為濕地系統(tǒng)重金屬污染防治提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及設(shè)計

在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院試驗大棚開展試驗。采集云南省蘭坪縣兔子山礦段磨面河的底泥，將其平鋪于PEP 材質(zhì)的培養(yǎng)箱中（0.2 m）（l×b×h=0.5 m×0.5 m×0.5 m=0.125 m3）中。選取長勢相近的紙莎草（Cyperus papyrus L.）、鳶尾（Iris tectorum Maxim.）、美人蕉（Canna indica Linn）、香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser）種植在基質(zhì)上。每箱種植4株植物，種植間距0.25 m×0.25 m。試驗共設(shè)置5組處理，每組處理3個重復(fù)，每隔5天換1次水，注水量為20 L，采用自來水進(jìn)行培養(yǎng)試驗。礦渣土中重金屬Cd、Pb、As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為108.6、12259.53、540.6 mg·kg-1。

1.2 試驗采樣

于2021年9月2日種植后開始采樣，采樣時間間隔10天，分別在10、20、30、40 d進(jìn)行破壞性采樣（以未種植的干凈植物作為第0天樣品），每組處理中每個重復(fù)各采1株植物，先用自來水清洗干凈，再用去離子水沖洗3遍，采集植物地上部和地下部樣本用于后續(xù)相應(yīng)指標(biāo)測量。

1.3 測定方法

分別于第0天和第40天時測定根長、根系通氣組織、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、地上地下部生物量、根系活力。

使用卷尺測量供試植物最長根長；采集新鮮根樣，根系通氣組織采用掃描電鏡觀測；采集植物葉片，將葉片磨碎后用乙醇提取葉綠素后用紫外分光光度計（Evolution201，ThermoFisher，中國）665、645 nm波長測量葉綠素?zé)晒鈪?shù)；待植物烘至恒重后，用電子秤稱（YP20002，金諾天平儀器，中國）取各部分生物量；根系活力用2,3,5-三苯基氯化四氮唑法（2,3,5-triphenyte-trazoliumchloride，TTC 法）測定，用紫外分光度計（Evolution201，ThermoFisher，中國）485 nm波長測量紅色TTF，查標(biāo)準(zhǔn)曲線得出TTC還原量。

分別于第0、10、20、30、40天時測定根系孔隙度、植物地上部及地下部Cd、Pb、As含量、ROL及根表鐵膜中Cd、Pb、As、Fe含量。

根系孔隙度：將植物根用去離子水沖洗干凈后，用吸水紙將其表面水分徹底吸干。選取新長出的根，并將每條根切成2—2.5 cm小段之后備用。將50 mL比重瓶裝滿去離子水后稱量質(zhì)量，稱取0.5 g根，然后置于裝滿水的比重瓶中，稱量質(zhì)量。將裝入根的比重瓶抽真空2 h后，將根取出并置于干燥的研缽中研磨至糊狀。將研磨好的根重新放入比重瓶中并稱量質(zhì)量（李奕林，2012）。

ROL：用溶解氧微電極（MM336155，Unisense，丹麥）測定。在燒杯中加入2 L營養(yǎng)液（1/10 Hoagland），曝入15 min高純N2，快速將供試植物根部沒入溶液中，迅速在溶液表面鋪上一層1.0 cm厚的石蠟油，繼續(xù)曝入15 min高純N2，用溶氧微電極連續(xù)2 h跟蹤檢測溶液中溶解氧的變化，以不加入植物的空白為對照，單位時間內(nèi)溶液中DO增加量即為ROL（黃磊等，2019）。

根表鐵膜中Cd、Pb、As、Fe含量：采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法（sodium dithionite-citrate-bicarbonate，DCB法）。根系用蒸餾水反復(fù)沖洗 2—3遍，放在干凈的濾紙上將根表面的水分吸干。剪成大約1 cm長，稱約1 g，放入50 mL離心管中，分別加入 0.3 mol·L-1檸檬酸鈉 40 mL，1.0 mol·L-1碳酸氫鈉5 mL和3.0 g連二亞硫酸鈉（保險粉）作為提取液，搖勻后置于恒溫振蕩機(jī)上振蕩3 h（25 ℃，轉(zhuǎn)速220 r·min-1）。把根取出，用去離子水沖洗3遍，將提取液過濾到100 mL容量瓶中定容（宋陽煜等，2021），采用原子吸收光譜儀（ICE3300，賽默飛世爾，德國）測定提取液中Fe、Cd、Pb含量，原子熒光聯(lián)用儀（LC-AFS9600，海光，中國）測定提取液中As含量。

植物中地上部地下部Cd、Pb、As含量：植株樣品用粉碎機(jī)磨，用HNO3-HCLO4消解植物樣，采用原子吸收光譜儀（ICE3300，賽默飛世爾，德國）測定Cd和Pb含量，原子熒光聯(lián)用儀（LC-AFS9600，海光，中國）測定As含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

植株相對生長速率（relative growth rate，RGR，mg·g-1·d-1）：

式中：

m1——第0天時測定時的植物干質(zhì)量（g）；

m2——第40天時測定時得植物干質(zhì)量（g）；

t——處理時間。

根系鐵膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

式中：

w1——根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·g-1）；

w2——提取液中鐵離子質(zhì)量（mg）；

m——提取后根的質(zhì)量（g）；

0.1591——換算系數(shù)。

葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

根系孔隙度：

式中：

Pr——根孔隙度（%）；

mgr——研磨后的根和裝滿水的比重瓶的總質(zhì)量（g）；

mr+p——未經(jīng)研磨的根和裝滿水的比重瓶的總質(zhì)量（g）；

mr——根質(zhì)量（g）；

mp——充滿水的比重瓶質(zhì)量（g）

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel和SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計和分析，應(yīng)用Origin 1.8進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濕地植物在復(fù)合重金屬污染下的生長差異

5種供試植物在高濃度Cd、Pb、As復(fù)合污染下根長，葉綠素、根系活力變化及相對生長率（RGR）如表1所示。香蒲40 d根長增加了86.8%，與其他4種供試植物相比有顯著的增加，其次是美人蕉根長增加了61.67%。5種供試植物葉綠素a、葉綠素b的含量在該環(huán)境下均不同程度下降，其中紙莎草、香蒲從第0—40天葉綠素a、葉綠素b含量下降最為顯著，葉綠素a含量分別下降了30.71%、26.64%，葉綠素b含量分別下降了35.63%、35.29%。從第0—40天，紙莎草、鳶尾、香蒲和再力花在該環(huán)境下，根系活力均有顯著增加，美人蕉的根系活力沒有顯著性變化；再力花地上部生物量相對生長率（RGR）最大，為17.17 mg·g-1·d-1，其次是紙莎草，為11.59 mg·g-1·d-1，美人蕉和香蒲的地上部RGR均要顯著低于其余3種供試植物；而美人蕉和再力花具有較高的地下部RGR，分別為24.96、23.16 mg·g-1·d-1，其次是紙莎草、鳶尾和香蒲，地下部RGR分別為14.69、12.95、14.42 mg·g-1·d-1。

表1 植物生理特性指標(biāo)Table 1 Indexes of plant physiological characteristics

2.2 不同濕地植物在復(fù)合重金屬污染下ROL和根系結(jié)構(gòu)差異

如圖1a所示，5種供試植物ROL由于濕地植物種類的不同存在明顯的差異。在受到重金屬脅迫的影響后，紙莎草、鳶尾、美人蕉和再力花4種供試植物呈先增加后降低的趨勢，而香蒲則是逐步上升的趨勢。在試驗前20 d，紙莎草和鳶尾的ROL均要顯著高于其余3種供試植物，最高分別為0.28、0.33 μmol·g-1·h-1。在30 d后，紙莎草、鳶尾、美人蕉和再力花的ROL呈下降的趨勢，在第40天時，香蒲的ROL顯著高于其他4種供試植物，為0.19 μmol·g-1·h-1。

濕地植物根孔隙度表征通氣組織的發(fā)育程度，圖1b顯示，5種供試植物在Cd、Pb、As復(fù)合污染下根部孔隙度隨生長時間的增加總體呈先增加后降低的趨勢，與植物 ROL變化趨勢大致相同。其中，紙莎草、鳶尾、美人蕉和再力花的根部孔隙度均在20—30 d達(dá)到最大，最大分別為38%、45%、25%、26%。而香蒲在第40天時，根部孔隙度達(dá)到最大，為27%。紙莎草、鳶尾和再力花第40天的孔隙度與第0天相比分別下降了18%、43%、25%，而香蒲在試驗期間根部孔隙度呈增加的趨勢，在第40天香蒲的根部孔隙度與第0天相比增加34%。

圖1 供試植物ROL及根部孔隙度變化Figure 1 Radial oxygen loss rate and root porosity changes in tested plants

由圖2可知，5種供試植物在試驗期間受到重金屬毒害后根部通氣組織均發(fā)生了不同程度的變化。其中，紙莎草、鳶尾、美人蕉和再力花在受到Cd、Pb、As復(fù)合重金屬毒害前根部通氣組織中央都具有較大的空腔，但由于受到重金屬毒害作用后，根部通氣組織的空腔有明顯縮小的趨勢，并且根部內(nèi)皮細(xì)胞層的厚度增加，減弱植物向下運(yùn)輸氧氣的能力。香蒲與其他4種供試植物根部通氣組織變化相反。在受到重金屬毒害后，香蒲根部通氣組織形成較多小型的氣室和空腔，更有利于氧氣在植物中的擴(kuò)散和運(yùn)輸。

圖2 供試植物第0天和第40天根部通氣組織變化Figure 2 Changes of aerenchyma in roots of tested plants on day 0 and day 40

2.3 供試植物不同部位Cd、Pb、As含量差異

2.3.1 供試植物地上部與地下部Cd、Pb、As含量差異

由圖3可知，在0—20 d，鳶尾地上部Cd含量顯著高于其余4種供試植物，達(dá)到1.84 mg·kg-1，在之后的30—40 d，香蒲地上部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余4種供試植物，達(dá)到4.23 mg·kg-1，分別是紙莎草、鳶尾、美人蕉、再力花的2.47、2.76、2.56、2.83倍，地下部Cd含量在試驗期間以紙莎草和香蒲地下部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，分別為5.78、5.81 mg·kg-1，其次是美人蕉地下部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為4.91 mg·kg-1，鳶尾和再力花地下部Cd含量較低。

圖3 供試植物Cd、Pb、As質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異Figure 3 Differences in Cd,Pb and As mass fraction of tested plants

5種供試植物中，美人蕉和再力花在0—20 d地上部Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余3種供試植物，分別達(dá)到19.51、19.83 mg·kg-1，在30—40 d美人蕉地上部Pb含量要顯著高于其余4種供試植物，在第40天達(dá)到最大，為81.47 mg·kg-1，紙莎草地上部Pb含量在試驗期間均要顯著低于其他供試植物。5種供試植物地下部Pb含量在0—20 d沒有大的顯著性差異，在30—40 d，美人蕉地下部Pb含量要顯著低于其余4種供試植物，為293 mg·kg-1。

在20—30 d，再力花地上部As質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著大于其余4種供試植物，最高達(dá)到5.04 mg·kg-1，在第40天時，香蒲地上部As質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，為5.76 mg·kg-1，其次鳶尾、美人蕉和再力花，地上部As質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.04、3.02、4.10 mg·kg-1，紙莎草地上部As質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為2.0 mg·kg-1。在試驗期間，紙莎草和鳶尾地下部As含量具有一個較高的濃度，在第40天時，紙莎草和鳶尾地下部As質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余3種供試植物，分別為12.43、12.30 mg·kg-1。

2.3.2 供試植物根表鐵膜中Fe、Cd、Pb、As含量差異

由圖4a可知，5種供試植物在試驗期間根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢相似，為先增加后降低，在0—20 d時，5種供試植物根表鐵膜中平均Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序為香蒲(9.12 mg·g-1)＞美人蕉 (8.56 mg·g-1)＞紙莎草(4.99 mg·g-1)＞再力花(3.86 mg·g-1)＞鳶尾(2.84 mg·g-1)，在30—40 d時，5 種供試植物的根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著降低的情況，供試植物根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序為香蒲(6.34 mg·g-1)＞美人蕉 (6.15 mg·g-1)＞紙莎草 (4.17 mg·g-1)＞再力花 (3.03 mg·g-1)＞鳶尾 (2.49 mg·g-1)。5種供試植物在試驗第20天時根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，其中美人蕉和香蒲分別為15.63 mg·g-1和13.72 mg·g-1，顯著高于其他3種供試植物，其次為紙莎草和再力花，根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.56、5.89 mg·g-1，鳶尾根表鐵膜中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少，為3.67 mg·g-1。紙莎草、美人蕉、香蒲和再力花的ROL與鐵膜中Fe含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.723、0.723、0.57、0.588（P≤0.05），而鳶尾根表鐵膜中Fe含量與ROL能力無相關(guān)性，表明ROL雖然是濕地植物根表鐵膜形成的主要因素之一，但濕地植物的種類也影響著根表鐵膜的形成。

圖4 供試植物根表鐵膜中Fe、Cd、Pb、As質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 4 Mass fraction of Fe,Cd,Pb and As in the iron plaque on root surfaces of the tested plants

從圖4b、c、d可知，5種供試植物鐵膜中Cd、Pb的含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，與鐵膜中Fe含量趨勢相一致，而鐵膜中As含量則是一直增加的趨勢。香蒲和美人蕉根表鐵膜中Cd、Pb、As含量顯著高于其他3種供試植物。其中，香蒲和美人蕉根表鐵膜中Fe、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在試驗第20天時達(dá)到最大，分別達(dá)到了306.5、307.0 mg·kg-1，分別是紙莎草、鳶尾和再力花鐵根表膜中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.9、1.6和2.2倍；香蒲根表鐵膜中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)在試驗第10—40天均有一個較高值，為3118—3315 mg·kg-1，美人蕉在試驗第30天時，根表鐵膜中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，為4044 mg·kg-1；5種供試植物在試驗期間根表鐵膜中 As質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈逐漸增加的趨勢，其中香蒲根表鐵膜中 As質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余4種供試植物，在第40天時，香蒲根表鐵膜中 As質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)最高，為1289 mg·kg-1，分別是紙莎草、鳶尾、美人蕉和再力花的4.78、2.48、3.86、6.44倍。

2.4 根系泌氧與根表鐵膜對植物吸收Cd、Pb、As的關(guān)系

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表2），5種供試植物的根表鐵膜中Fe含量與鐵膜中的Cd、Pb、As含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但與植物體內(nèi)的Cd、Pb、As呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。5種供試植物的ROL與植物體內(nèi)重金屬呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。從表3回歸性分析可知，供試植物體內(nèi)Cd、Pb、As含量與ROL和根表鐵膜中 Fe含量三者之間的關(guān)系，從回歸方程可以看出，ROL對植物吸收Cd、Pb、As的系數(shù)分別為21.352、157.04、4.56，而根表鐵膜對植物抑制 Cd、Pb、As的系數(shù)分別為-0.13、-3.501、-0.132，發(fā)現(xiàn)ROL對植物吸收Cd、Pb、As的系數(shù)絕對值遠(yuǎn)大于根表鐵膜抑制Cd、Pb、As吸收的的系數(shù)絕對值，說明ROL對植物吸收Cd、Pb、As促進(jìn)作用強(qiáng)于根表鐵膜對Cd、Pb、As的抑制作用。綜上所述，ROL較大的濕地植物對重金屬具有較好的吸收，并且濕地植物根表鐵膜可以促進(jìn)環(huán)境中的重金屬沉積到根表面，根表鐵膜作為植物接觸重金屬的第一道屏障，能在一定程度上抑制植物體內(nèi)對重金屬的吸收，減少重金屬對植物的毒害。

表2 植物根系特征與植物吸收重金屬的相關(guān)性Table 2 Correlation of plant root characteristics with plant absorption of heavy metals

表3 植物根系特征與植物體內(nèi)重金屬含量回歸分析Table 3 Regression analysis of plant root characteristics and heavy metal content in plants

3 討論

3.1 不同濕地植物ROL及根表鐵膜形成的差異

植物根孔隙度是影響植物 ROL的重要生物因素之一。研究表明植物根孔隙度、株高和單株生物量的增長，有利于氧氣從上到下的傳輸，提高ROL速率（黃鑫星等，2020）。并且植物根孔隙度與ROL速率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，通氣組織越發(fā)達(dá)，植物ROL速率越大（Xi et al.，2019）。本試驗5種供試植物在Cd、Pb、As復(fù)合污染重金屬脅迫導(dǎo)致下根部孔隙度總體呈先增加后降低的趨勢，通過對植物孔隙度的計算和表觀電鏡下根部通氣組織的觀察，發(fā)現(xiàn)植物通氣組織縮小、孔隙度降低，植物ROL速率也相應(yīng)下降。并且不同種類濕地植物根系存在須根與粗根的差別，須根型濕地植物的根孔隙度比粗根型濕地植物大、根表皮層較粗根型濕地植物薄，更有利于植物體內(nèi)的O2向外擴(kuò)散（Lai et al.，2011），這與本試驗中須根植物鳶尾、香蒲的ROL能力總體強(qiáng)于粗根植物紙莎草、再力花是相符合的。

而濕地植物 ROL能力是根表鐵膜形成的最主要的生物因素之一（王丹等，2015），ROL可直接氧化Fe2+，或間接通過根際區(qū)域好氧微生物活動形成鐵膜（Li et al.，2011）。多數(shù)研究表明，根系氧化能力強(qiáng)的濕地植物，其形成的根表鐵膜量較多，其兩者關(guān)系呈正相關(guān)（Hansel et al.，2002；Yang et al.，2014）。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，5種供試植物中紙莎草、美人蕉、香蒲和再力花根表鐵膜中Fe的含量與ROL速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而鳶尾根表鐵膜中 Fe含量與 ROL速率關(guān)系并不顯著，并且在整個試驗周期中未得出 ROL能力大的濕地植物其根表鐵膜中Fe含量最多的結(jié)論。原因如下，一是由于不同種類和品種的濕地植物生長機(jī)制和其他化合物能力的不同都將在一定程度上影響根表鐵膜的形成（Dan et al.，2010）。有研究表明，燈芯草（Juncus effusus）根表鐵膜中Fe的含量分別是茭白（Zizania latifolia）和美人蕉的2.93、10.58倍（徐德福等，2009）；王震宇等（2010）發(fā)現(xiàn)蘆竹（Arundo donax）和香蒲的根表鐵膜中Fe含量分別為20.17、7.64 mg·g-1，并且同一物種不同品種的濕地植物根表鐵膜中 Fe的含量也存在顯著的差異（張玉盛等，2021）；蔡妙珍等（2003）研究也表明，兩種根系氧化能力相似的水稻（Oryza sativa），其根表鐵膜的數(shù)量卻相差非常大。二是植物根系活力也是影響植物根表鐵膜的原因之一（鐘順清，2015）。根系活力是評價濕地植物根系呼吸作用在內(nèi)的根系代謝指標(biāo)之一（劉振國等，2016），可以直接反映植物根系的生長情況和活力水平（馮嵐等，2021）。谷建誠等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，提高濕地植物的根系活力可間接促進(jìn)植物根表鐵膜的形成；俞佳等（2021）也發(fā)現(xiàn)，香蒲在繁殖期和枯葉期時根系活力與根表鐵膜中 Fe含量呈正相關(guān)。但在本研究中5種供試植物的根系活力與其根表鐵膜中 Fe的含量并無顯著性關(guān)系。三是不同厭氧程度也會影響根表鐵膜的形成。宋陽煜等（2021）研究發(fā)現(xiàn)在非厭氧與厭氧環(huán)境下，厭氧環(huán)境更能促進(jìn)美人蕉根表鐵膜的形成，因為在相對厭氧的環(huán)境下更有利于Fe2+的形成和遷移。但濕地植物根際氧化還原環(huán)境是由植物 ROL量所決定的，而ROL量是由植物地下部生物量決定的。在本試驗中，由于紙莎草、再力花地下部生物量顯著大于其余3種供試植物，所以其向根系環(huán)境分泌的氧氣也較多，與其他3種供試植物相比紙莎草和再力花處于相對較高的好氧環(huán)境，所以其根表鐵膜中 Fe含量與其他3種供試植物相比較少。

3.2 不同濕地植物ROL及根表鐵膜對重金屬吸收的影響

ROL誘導(dǎo)形成的根表鐵膜作為濕地植物與污染物接觸的第一道屏障，會促進(jìn)重金屬在植物根表面沉積從而抑制重金屬向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，減少重金屬對組織器官的毒害（Mei et al.，2020；王丹等，2015）。濕地植物根表鐵膜對Cd2+、Pb2+等二價陽離子有強(qiáng)烈的吸附作用，對As3+和As5+則主要以專屬吸附的形式存在于鐵膜中（Trivedi et al.，2000；李方等，2010）。李開葉等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，植物根表鐵膜含量與鐵膜中Cd、As含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，張秀等（2013）研究也發(fā)現(xiàn)，根表鐵膜的含量與鐵膜中As的含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本試驗結(jié)果表明，5種供試植物鐵膜中Cd、Pb、As的含量均在第0—20天出現(xiàn)上升趨勢，與鐵膜中Fe含量趨勢相一致。但隨著時間推移，在濕地系統(tǒng)的特殊泌氧條件下，重金屬沉積物易轉(zhuǎn)化成鐵錳氧化態(tài)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)（向語兮等，2020），特別是重金屬鐵錳氧化結(jié)合態(tài)在氧化環(huán)境中易釋放，而被植物體吸收（伏簫諾等，2017）。在本試驗中，第10—20天時由于較強(qiáng)的ROL，供試植物根表鐵膜含量也得到顯著增加，使鐵膜中Cd、Pb含量在第20天有明顯上升表現(xiàn)。有研究表明，植物根表鐵膜的增加可以減少植物根部氧氣向外界釋放（鐘順清，2015），由于根表鐵膜的影響，使植物根部的氧氣更多的集中在根表面，在根表鐵膜與根表面之間形成較強(qiáng)的氧化還原環(huán)境，使鐵錳氧化態(tài)的Cd、Pb更容易釋放出來被植物吸收，所以第30—40天鐵膜上Cd、Pb含量均有不同程度的下降。As由于是類金屬，在根表鐵膜中含量一直呈現(xiàn)上升趨勢。

濕地植物 ROL不僅對根表鐵膜的形成起到作用，并且對植物吸收環(huán)境中重金屬和提高其耐性方面起著重要的作用（謝換換等，2021）。李光輝等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，濕地植物ROL與植株體內(nèi)重金屬吸收呈顯著正相關(guān)。本試驗研究結(jié)果與其相一致，5種供試植物體內(nèi)Cd、Pb、As含量與ROL通過相關(guān)性分析得出呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明濕地植物向根系外釋放氧氣可以促進(jìn)濕地植物對重金屬的吸收，這主要是因為濕地植物向根系環(huán)境釋放氧氣可以改變環(huán)境中氧化還原環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以使環(huán)境中的重金屬變?yōu)橹参锔菀孜盏男螒B(tài)（Yang et al.，2019）。并且ROL也能增加根際土壤中重金屬的遷移性及生物有效性，從而提高了植物對重金屬的吸收（楊俊興等，2014）。

綜上所述，ROL不僅可以促進(jìn)根表鐵膜的形成，將吸附在根表鐵膜的重金屬轉(zhuǎn)化為易于自身吸收的形態(tài)，也可以直接促進(jìn)植物對濕地環(huán)境中和根際土壤中重金屬的吸收。本試驗進(jìn)一步將ROL、根表鐵膜與植物體內(nèi)Cd、Pb、As含量進(jìn)行回歸性分析（表3），發(fā)現(xiàn)ROL對重金屬吸收的促進(jìn)作用遠(yuǎn)強(qiáng)于根表鐵膜對重金屬的抑制作用，這也就證明ROL是作為濕地植物根部吸收重金屬最主要的影響因素。

4 結(jié)論

（1）5種供試植物在高濃度Cd、Pb、As復(fù)合污染下生長發(fā)育指標(biāo)均受到不同程度影響。香蒲的根部特征都表現(xiàn)為促進(jìn)生長狀態(tài)，其他4種植物則都有受到相對抑制作用；5種供試植物葉綠素a、b含量均表現(xiàn)為下降趨勢；再力花植物地上部、地下部相對生長速率（RGR）表現(xiàn)較好。

（2）紙莎草、鳶尾、美人蕉和再力花在受到重金屬毒害后，其ROL能力均出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，但香蒲在受到重金屬毒害后，由于其孔隙度和通氣組織的變大導(dǎo)致其ROL速率最大，與其他4種供試植物表現(xiàn)相反。

（3）濕地植物ROL可以顯著促進(jìn)濕地植物對Cd、Pb、As的吸收，并且是根表鐵膜形成的主要因素之一，根表鐵膜中Fe含量的增加有利于促進(jìn)Cd、Pb、As在根表沉積，在一定程度上可以抑制Cd、Pb、As進(jìn)入植物體內(nèi)，但ROL促進(jìn)植物吸收Cd、Pb、As的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于根表鐵膜抑制植物吸收Cd、Pb、As的強(qiáng)度。