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動磷的微尺度再遷移：基于全生長周期模擬研究的證據  

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

 

摘要核心內容

 

研究通過120天沉積物微宇宙模擬實驗，結合高分辨率透析技術（HR-Peeper）和鋯氧化物薄膜擴散梯度技術（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動沉積物磷（P）的形態轉化與遷移。核心發現：  

1. 磷形態動態轉化：蘆葦生長促使沉積物中鈣結合態磷（Ca-P）減少77%，鐵吸附態磷（Fe-P）增加400%，磷形態由惰性向氧化還原敏感態轉化（圖4）。  

 

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

 

 

 

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

 

研究目的

 

1. 量化蘆葦全生長周期對沉積物磷形態轉化的影響；  

2. 闡明根際微界面磷遷移的驅動機制；  

3. 評估水生植被修復對富營養化湖泊內源磷循環的潛在風險。  

 

研究思路

 

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

 

2. 多尺度監測：  

   ? 毫米級分辨率：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：連續提取法分析0-5 cm和5-10 cm層磷形態（圖4）；  

 

   ? 蘆葦形態參數：生物量、根長、根表面積等（圖3）。  

 

3. 通量計算：基于菲克定律計算沉積物-水界面磷擴散通量（圖7）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. 沉積物磷形態（圖4）  

   ? 數據：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：揭示蘆葦生長促進惰性磷（Ca-P）向活性磷（Fe-P）轉化，增加磷生物可利用性。  

 

2. 孔隙水活性磷（圖5-6）  

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

 

   ? 意義：證實根系活動創造磷遷移熱點，為內源磷釋放提供直接證據。  

 

3. 磷擴散通量（圖7）  

   ? 數據：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：量化植被修復中沉積物磷釋放強度，預警富營養化治理的潛在風險。  

 

4. 蘆葦形態參數（圖3）  

   ? 數據：總生物量從12.12 g增至183.04 g，細根生物量從1.29 g增至31.46 g。  

 

   ? 意義：建立植物生長指標與磷活化強度的定量關聯（R2=0.54-0.92），為生態修復提供調控靶點。  

 

結論

 

1. 磷活化機制：蘆葦根系分泌有機酸溶解Ca-P，根際釋氧促進Fe-P形成，導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驗證），擴散通量增加17倍，加劇沉積物-水界面磷交換。  

3. 管理啟示：水生植被修復需關注根際磷活化的"雙刃劍"效應，避免加劇內源負荷。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

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

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

2. 揭示氧化還原驅動機制：DO剖面與Fe-P分布（圖4）、SRP通量（圖7）顯著正相關，闡明根際氧化環境通過Fe3?/Fe2?循環驅動磷的溶解-再吸附過程，解析磷形態轉化的氧化還原敏感特性。  

3. 支撐磷遷移模型：DO梯度數據（0-10 mm層）為菲克定律計算磷擴散通量（圖7）提供邊界條件，量化植被生長對沉積物磷釋放的貢獻強度。