水稻根表铁膜形成机制及其生态环境效应

许多水生植物的根系表面及其根际微环境都具有形成铁膜的能力,根表铁膜是植物适应水生环境的重要机制。本文叙述了水稻根表铁膜的形成条件、化学组成与空间分布,分析了根表铁膜形成的生理与分子机理。探讨了根系氧化酶、氧化性物质、根系泌氧能力、根际氧化性微生物活性及相关基因在铁膜形成过程中的作用; 在此基础上,进一步分析了水稻根表铁膜的营养效应和阻止重金属离子对根系的毒害效应。最后就根表铁膜的研究方法与调节机制进行了展望。     

鄱阳湖湿地植物根表铁膜形成的影响因素分析

湿地植物为了适应渍水环境,形成了大量的通气组织,植物可以通过通气组织将氧气输送到根系,从而将Fe2+氧化成铁的氧化物或氢氧化物沉积在植物的根表,形成铁膜。淹水土壤中植物根表形成铁膜必须具备两个条件,一是植物根际处于局部氧化状态,二是生长介质中存在大量的Fe2+。通过溶液培养和土-砂联合培养法,研究了Fe2+浓度、植物种类、诱导时间、p H值、水位变化、根系分泌物对根表铁膜形成的影响。结果表明:苔草和虉草根表铁膜的含量随Fe2+浓度的增加而增加,随诱导时间的延长呈上升的趋势,根系分泌物浓度与铁膜的量呈负相关,随水位的增加呈现先升高后降低的趋势,在水位2~3 cm,p H为5.5~6时根表铁膜的生成量达到最大值。     

磷饥饿诱导水稻根表铁膜形成机理初探

采用溶液培养的方法,初步探索了磷饥饿诱导水稻根表铁膜形成的机理。磷饥饿24h后水稻的根表出现了明显的红棕色物质的沉积,扫描电镜的能谱分析结果显示,红棕色物质是铁的氧化物。针对这一现象,首先研究了没有水稻生长的正常磷营养液和缺磷营养液的变化,结果表明二者之间全波长的扫描图谱没有出现差异。采用酸碱混合指示剂的琼脂染色方法,观察了水稻根系表面及根际pH值的变化情况,并分别测定了正常磷营养（P）和缺磷（P0）2种条件下水稻的根系活力。结果看出,缺磷时水稻根系活力高于磷营养正常的处理,尤其是基因型Jin23A,其P和P0处理间根系活力差异极显著。水稻根表三价铁的浓度高于二价铁,并且缺磷根系表面三价铁和二价铁浓度均明显高于供磷处理;缺磷处理水稻根质外体沉积的铁浓度也明显高于供磷处理。因此,初步确定磷饥饿诱导水稻根表铁膜形成是生物学基础上的化学反应过程。     

根表铁膜对元素吸收的效应及其影响因素

水生植物根系表面普遍形成铁膜,铁膜的形成是水生植物适应淹水和其他环境胁迫的重要机制之一.大量研究表明铁膜在植物吸收有益营养元素和有害元素中有重要作用.本文总结了植物根表铁膜形成的过程及铁膜的形态、组分、数量等特征,阐述了铁膜对植物吸收元素的效应.水生植物根表的铁膜能够阻止植物对金属元素的吸收,也可充当植物根系表面的养分"库",在植物需要养分时铁膜中的养分可以被活化并被植物吸收利用.此外铁膜的效应还与根表铁膜的数量有关,少量铁膜能够促进植物对养分的吸收,而大量铁膜则阻止植物对养分的吸收.造成铁膜不同效应的因素包括植物、重金属和研究采用的手段和技术等.如植物种类、品种、生育阶段以及营养状况、植物的培养方式、所研究的金属离子种类以及根表铁膜的分析技术等均可影响试验结果.进一步的研究工作需考虑铁膜形成的外部环境,利用原位技术以确定铁膜中元素的分布和化学形态,并将铁膜的效应与土壤植物的整体反应结合起来进行系统的研究.     

中轻度砷污染土壤-水稻体系中砷迁移行为研究

通过土-砂根袋培养生物学模拟试验,运用砷形态分级的连续提取方法研究了水稻整个生育时期内砷在中轻度砷污染土壤-氧化性根际-水稻体系中的时空分布规律。结果表明:(1)该品种水稻(远诱一号)生长旺期(第三生长时期和第四生长时期)由于根系活化作用产生明显根际效应,根际土壤中各砷形态总量、无定形态砷含量均显著高于非根际土(p0.05),而有效性最低的残渣态则低于非根际土。(2)水稻根表铁氧化物膜(简称:铁膜)主要以无定型态铁和结晶态铁为主(90%),在生长旺盛期老化程度最高,且对砷富集能力与第一时期相比降低60%,与第二时期相比降低10%;根表铁膜对砷的富集作用并不完全随铁膜数量的增减而变化,还与铁膜中铁的组成形态(尤其无定形态铁)密切相关。(3)砷在土壤-根际-水稻(远诱一号)体系中迁移规律:砷随铁氧化物的还原由非根际向根际迁移并在氧化性根际富集,由于铁膜的缓冲层作用,砷很少进入作物根系,迁移至地上部的砷含量低于根中砷含量;生育初期(前两个生长时期),水稻根表铁膜主要起富集库作用,具有很强的富集砷能力,但富集的砷易解吸进入作物根系,生育后期(后三个生长时期),铁膜逐渐老化,主要起缓冲层作用,使根系砷含量与生育初期相比降低50%～90%。     

干湿交替下黄土区苜蓿根系抗拔力学性能

[目的]研究黄土区干湿交替过程对草本植物根系抗拔力学性能的影响，以期为草本植物根系固土护坡工程提供一定的理论支持和依据。[方法]选取紫花苜蓿为研究对象，采用重塑土根系拉拔试验，研究苜蓿根系抗拔力学性能及其与根径、根长、土壤容重、干湿交替作用等影响因素的关系。[结果](1)苜蓿根系抗拔力学性能指标与根径、根长和土壤容重存在幂函数或指数函数关系。(2)相比未干湿交替试样，干湿交替试样根系抗拔力学性能指标均显著减小。(3)砂壤土中苜蓿根系抗拔力学性能指标均优于壤土，且干湿交替在砂壤土中对苜蓿根系抗拔力学性能指标的影响小于在壤土中的影响。(4)根径、根长及容重和干湿交替的耦合作用对根系抗拔力学性能指标有显著影响。[结论]在干湿交替作用下，根径、根长和土壤容重对苜蓿根系抗拔力学性能有一定影响。     

外源稀土作用下根–土界面元素转化、分布及其植物有效性的研究进展

外源稀土（RE）可导致根-土界面物理、化学及生物学特性发生根本性变化,特别是根系主导的根际动态过程的变化。如施用不同剂量RE条件下,稀土元素（REE）与根系的相互作用使根系生长、酶活性、细胞质膜透性等受到不同程度的影响。根系生长、酶活性的变化反映了植物可能通过根系形态学、生理学的适应性和非适应性变化机制来改变根系吸收养分、REE及重金属离子的能力,直接影响根际离子进入根系中的含量;而根系细胞质膜透性的变化则反映了植物可能通过根系分泌作用的适应性和非适应性变化机制来改变根系有机酸、质子等的分泌状况,使之作用于根际环境,制约养分、REE及重金属元素在根际的形态转化与迁移分布模式,从而间接影响根际离子进入根系中的含量。本文从外源RE对根系生长状况和酶活性的影响;对根系细胞质膜透性和分泌作用的影响;对根际养分、REE及重金属元素动态的影响;对根系养分、REE及重金属元素吸收分布的影响等4个方面的国内外文献出发,就土壤-植物系统中外源RE作用下根-土界面养分、REE及重金属元素的转化、分布及其植物有效性的响应变化与相关机制做出综述,同时提出目前研究中存在的问题,对今后的研究方向进行展望。     

根表铁膜对水稻吸收污灌土壤中的锌的影响

采用土-石英砂联合培养的盆栽试验，研究两个不同基因型的水稻根表铁膜的形成情况及其对水稻吸收污灌土中的锌的影响。结果表明，两基因型水稻在不同不分条件下根表铁膜的形成情况不同：淹水条件下形成的铁膜数量最多，高于湿润和干-湿交替，后二者之间差异不明显。不同基因型水稻（金优22与90-68-2）根表铁膜的形成趋势一致，只是数量稍有差异；不同基因型秸秆及籽粒中锌的含量存在差异，不同铁处理的根表铁膜数量、地上部锌含量均不同。     

干湿交替灌溉与施氮耦合对水稻根际环境的影响

为了探讨不同水氮耦合对水稻根际土壤环境及根系分泌有机酸总量的影响,以新稻20号为材料,进行盆栽试验,设置浅水层、轻度(-20 k Pa)和重度干湿交替灌溉(-40 k Pa)3种灌溉方式及不施氮肥,中氮(normal nitrogen,MN,240 kg/hm~2)和高氮(high nitrogen,HN,360 kg/hm~2)3种氮肥水平9个处理。结果表明:轻度干湿交替灌溉及中氮增加了土壤酶活性,提高土壤中微生物数量,根系分泌有机酸总量显著提高(P0.05);重度干湿交替灌溉及重施氮肥则降低土壤酶活性及微生物的数量,显著(P0.05)减少根系分泌有机酸的总量;相关分析表明:根际土壤酶活性及微生物数量与不同生育期根系分泌有机酸总量呈显著(P0.05)或极显著(P0.01)的正相关关系。土壤酶活性、微生物数量及有机酸总量的供氮效应为正效应,轻度干湿交替灌溉供水效应及耦合效应均为正效应,而重度干湿交替灌溉的控水及耦合效应则为负效应。研究可为通过水氮耦合调控水稻良好的根际环境提供依据。     

水稻根表铁氧化物胶膜对水稻吸收磷的影响

本文采用营养液培养方法研究了根表铁氧化物胶膜对水稻吸收磷的影响。结果表明，水稻报表的铁氧化物胶膜随营养液中Fe2+浓度的增加而增加。铁氧化物胶膜可富集生长介质中的磷，根表铁膜数量越多，富集的磷量也越多。根表铁股可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。根表铁膜数量为24570mp／kg时，促进作用达到最大，此后随着铁膜数量的增加，水稻吸收磷的数量下降，但仍高于根表没有铁膜的水稻。因此，水稻根表形成的铁氧化物胶膜在一定程度上是一个磷富集库，对水稻吸收磷起促进作用。在此过程中，缺铁条件下水稻根分泌物中的植物铁载体对淀积铁氧化物胶膜的水稻根系吸收磷没有明显的作用。     

滤纸法测定干湿循环下膨胀土基质吸力变化规律

为了获得干湿循环作用下膨胀土基质吸力的变化规律,首先采用人工模拟降雨和蒸发的方法开展了膨胀土室内干湿循环试验,然后利用滤纸法进行了不同含水率下试样的基质吸力测定试验,获得了干湿循环条件下膨胀土的土水特征曲线,求出了相应的进气值与残余值,结合Fredlund土水特征曲线模型对经历不同干湿循环次数下的土壤土水特征曲线进行了拟合,最终建立了考虑干湿循环效应的膨胀土土水特征曲线模型。结果表明:1)随着干湿循环次数的增加,土壤的进气值呈下降趋势,从循环1次时的134.5 k Pa降至循环4次时的58.5 k Pa,降幅达56.5%。从循环1次至2次的进气值下降较大,往后降幅明显减小,趋于基本稳定,这表明对土壤进气值的影响以初次干湿循环为主。2)残余值亦呈下降趋势,从循环1次时的1 040.5降至循环4次时的528.5 k Pa,降幅达49.2%。每经历一次干湿循环,残余值降幅均较大,尚未趋于稳定,这表明干湿循环效应对土壤残余值的影响比对土壤进气值的影响要大。3)新建土水特征曲线模型中的拟合参数与干湿循环次数成较好线性关系,表明随着干湿循环次数的增加,土壤进气值逐渐减小,水分变化速率有所降低,而残余含水率逐渐增加。该成果可为深入研究土壤基质吸力及其工程应用提供参考。     

Do water regimes affect iron‐plaque formation and microbial communities in the rhizosphere of paddy rice?

Pot experiments were conducted to investigate the effect of soil water regimes on the formation of iron (Fe) plaque on the root surface of rice seedlings (Oryza sativa L.) and on the microbial functional diversity in a paddy soil. The rice seedlings were subjected to three moisture regimes (submergence, 100%, and 60% water‐holding capacity [WHC]), and were grown for 5 and 11 weeks. Aerobic lithotrophic Fe(II)‐oxidizing (FeOB) and acetate‐utilizing Fe(III)‐reducing bacteria (FeRB) in the rhizosphere and non‐rhizosphere soil were determined at 5 weeks using the most probable number (MPN) method. The carbon substrate use patterns of the microbial communities in the rhizosphere and non‐rhizosphere soil samples were determined at 11 weeks using Biolog‐GN2 plates. The amount of Fe plaque (per unit dry root weight) was much higher under submerged conditions than at lower soil moisture contents and decreased with plant age. There was a positive correlation between the amount of Fe plaque and phosphorus accumulated in the Fe plaque at both sampling times (r = 0.98 and 0.92, respectively, n = 12). Numbers of FeOB and FeRB in the submerged soil were lower than in aerobic soil, but by two orders of magnitude higher in the rhizosphere than in the bulk soil. On the other hand, the functional diversity of the rhizosphere microbial communities was much higher than that of the non‐rhizosphere soil, irrespective of soil water regimes. We conclude that soil flooding results in a decreased number and diversity of Fe‐oxidizing/reducing bacteria, while increasing the Fe‐plaque formation.     

干湿循环作用下云南红土裂缝发展研究

以干湿循环为控制条件,考虑初始干密度、增湿次数和脱湿次数等影响因素,采用室内试验和图像处理相结合的方法,研究云南红土裂缝的产生及其发展演化。控制初始干密度为1.20,1.30,1.40,1.50g/cm~3,通过增湿、脱湿的干湿循环及膨胀率等试验方法,观察红土样裂缝的变化,并应用Matlab图像处理技术提取红土样的裂缝特征参数。结果表明:干湿循环作用下,初始干密度越大,红土样越容易开裂,干密度较小时(1.20g/cm~3)土样始终不开裂,随干密度增大(1.30,1.40g/cm~3),红土样在第3次增湿中开裂,干密度达1.50g/cm~3时,红土样在第2次增湿中开裂,增湿过程对红土样裂缝发展的影响显著大于脱湿过程的影响;红土样的膨胀率随浸泡时间延长逐渐增大,干密度为1.20,1.30,1.40g/cm~3时约8min膨胀基本稳定,干密度为1.50g/cm~3时约36min膨胀趋于稳定;对应红土样的裂缝条数、长度、面积和宽度等特征参数随增湿次数、脱湿次数增大而增大;随干密度增大,红土样的裂缝条数、长度与面积增大,裂缝宽度在干密度约1.30g/cm~3处存在峰值。干湿循环作用引起云南红土开裂的关键因素在于增湿过程中红土样的不均匀膨胀,红土裂缝属于膨胀裂缝,其发展过程包括裂缝孕育期(0~2次)、裂缝形成发展期(2~6次)和裂缝稳定期(6~8次)3个阶段,这3个阶段综合作用的结果,最终影响了红土裂缝的发展演化趋势。     

Mapping water,oxygen, and pH dynamics in the rhizosphere of young maize roots

Rhizosphere processes are highly dynamic in time and space and strongly depend on each other. Key factors influencing pH changes in the rhizosphere are root exudation, respiration, and nutrient supply, which are influenced by soil water content levels. In this study, we measured the real‐time distribution of soil water, pH changes, and oxygen distribution in the rhizosphere of young maize plants using a recently developed imaging approach. Neutron radiography was used to capture the root system and soil water distribution, while fluorescence imaging was employed to map soil pH and soil oxygen changes. Germinated seeds of maize (Zea mays L.) were planted in glass rhizotrons equipped with pH and oxygen‐sensitive sensor foils. After 20 d, the rhizotrons were wetted from the bottom and time‐lapsed images via fluorescence and neutron imaging were taken during the subsequent day and night cycles for 5 d. We found higher water content and stronger acidification in the first 0.5 mm from the root surface compared to the bulk soil, which could be a consequence of root exudation. While lateral roots only slightly acidified their rhizosphere, crown roots induced stronger acidification of up to 1 pH unit. We observed changing oxygen patterns at different soil moisture conditions and increasing towards lateral as well as crown roots while extending laterally with ongoing water logging. Our work indicates that plants alter the rhizosphere pH and oxygen also depending on root type, which may indirectly arise also from differences in age and water content changes. The results presented here were possible only by combining different imaging techniques to examine profiles at the root‐soil interface in a comprehensive way during wetting and drying.     

水稻根际中铁的形态转化

本文以熟化红壤性水稻土、淀浆白土、红壤和赤红壤为样品,研究了植稻后根际中铁的形态转化.结果表明,两种水稻土根际中无定形氧化铁、游离氧化铁、络合态铁、土壤中氧化铁的活化度及两种红壤上根际中的络合态铁均低于非根际土;而两种红壤上其余各项在根际内外分布趋势均与水稻土相反.用穆斯堡尔谱仪分析表明,所有根际土与非根际土相比,四极矩分裂增大,内磁场下降,说明根际中氧化铁被活化.同时,水稻土上根际中Fe²⁺增多,赤红壤中根际出现新矿物磁赤铁矿.根际中铁被活化,可能会影响根际中重金属等污染物的吸附和解吸特性、植物的铁素营养及对其它养分的吸收.     

膨胀土胀缩裂隙演化及其扰动规律分析

为定量研究膨胀土胀缩裂隙的演化特征及其对土体的扰动规律,从而探究其引发工程和生态环境灾害的机理。论文对合肥膨胀土进行干湿循环-CT(computed tomography)扫描试验,从获取的CT图中提取灰度值以及灰度共生矩阵特征值:角二阶矩(angular second moment,ASM)和对比度(contrast,CON),研究在干湿循环作用下裂隙图像的灰度值及其纹理的变化规律;并通过三轴剪切试验研究了在干湿循环作用下膨胀土的强度特征。结果表明:1)图像灰度值随裂隙的发育状态而变化;初始阶段灰度值沿试样轴向分布比较离散,但在后期逐渐均匀,离散系数在3次干湿循环后达到最大值,比干湿循环前增加了106%,随后逐渐减小;2)ASM随干湿循环次数的增加而减小,并且在0°和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值大9%;CON随干湿循环次数的增加而减小,并且在0和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值小52%,其对纹理的方向差异性更加敏感;3)胀缩裂隙对原状膨胀土的结构性会造成破坏,强度劣化显著;在5次干湿循环后,2种土强度分别降低62%和46%,并且原状膨胀土与重塑膨胀土强度的差值也由347.3 kPa降至21.3 kPa;4)由ASM和CON定义的扰动函数与由土体原生联结结构强度定义的扰动函数,扰动过程中函数变化曲线吻合度高,故基于灰度共生矩阵特征值的扰动函数能很好地描述胀缩裂隙扰动下的膨胀土强度特性。     

不同土壤的还原状况对铁镉形态转化和水稻吸收的影响

采用土壤-蛭石联合培养,以填充蛭石的网袋模拟根际,置于红壤、水稻土、盐土中后淹水栽培水稻13 d.试验结果表明,水稻栽培期问,红壤、水稻土、盐土pH变化范围分别为6.05 ～6.78、6.47 ～7.33、6.42 ～7.44;有机质处理下,除红壤根际pH明显升高外,其余土壤根际和非根际pH均有所下降.各土壤对照根际Eh保持在233 ～ 385 mV;有机质处理使根际Eh下降,同时也导致除盐土外的非根际Eh上升.土壤还原溶解Fe与蛭石吸附Fe的90％以上均米自铁锰氧化物结合态铁(Oxide-Fe)组分,与溶液Eh、pe+ pH均有显著相关性,表明两表面同为Fe的氧化还原反应,但方向相反.水稻根表Fe膜的形成与根际氧化还原状况有关,在对照根际(高Eh)环境下,根表Fe含量随pH升高而降低,在有机质处理根际(低Eh)环境下则随pH升高而升高;在红壤中,根表Fe膜阻碍Fe的吸收,在水稻土和盐土中,根表Fe膜促进Fe吸收.根表Cd含量与根内Cd、地上部Cd有显著正相关;在红壤中,根表Fe膜阻碍了水稻Cd的吸附和吸收;水稻土和盐土中,根表Fe膜促进了水稻Cd的吸附和吸收.     

不同栽培方式对镉污染水稻土籼、粳稻根表铁膜铁、镉含量及根镉含量的影响

通过对镉污染水稻土籼、粳稻分蘖、孕穗、灌浆和收获期根表铁膜的铁、镉和根系镉含量的测定,研究淹水、覆膜、覆草和湿润栽培对籼、粳稻吸镉量的影响。结果表明:1)分蘖期,淹水和覆草栽培籼稻根表铁膜铁含量高于粳稻;覆膜和湿润栽培的粳稻根镉含量高于籼稻。2)孕穗期,淹水和覆膜栽培的籼稻根表铁膜铁含量高于粳稻;湿润栽培的籼稻根表铁膜镉含量高于粳稻;覆膜、覆草和湿润栽培的籼稻根镉含量低于粳稻。3)灌浆期,淹水和湿润栽培籼稻根表铁膜铁含量高于粳稻;覆膜和湿润栽培的籼稻根表铁膜镉含量低于粳稻;根镉含量籼稻低于粳稻。4)收获期,根表铁膜铁含量籼稻低于粳稻;根表铁膜镉含量覆膜栽培的籼稻高于粳稻;根镉含量覆膜、覆草和湿润栽培的籼稻低于粳稻。