1.2 植物根表鐵膜國內(nèi)外的研究概況

國際上對于植物根表鐵膜的研究始于20世紀(jì)60年代（Armstrong,1964, 1967），國內(nèi)開始于20世紀(jì)90年代（Yi et al., 1994; Zhang et al., 1996,1997;Ye et al., 1997）。在濕地植物根表鐵膜的相關(guān)研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要針對水稻（Zhang et al., 1998; Liu et al., 1998; Yang et al., 2009; Okkenhaug et al., 2012）、蘆葦（St-Cyr L et al., 1989; Batty et al., 2002）、香蒲（Zhong et al., 2009; Ye et al., 2001）等植物的根表鐵膜展開了大量的研究（Liu et al., 2005;Yao et al., 2009; Fu et al., 2010）。

1.2.1 濕地植物根表鐵膜的形成及影響因素

1.2.1.1 濕地植物根表鐵膜的形成與分布

研究表明，厭氧條件下，濕地植物為了適應(yīng)漬水環(huán)境，根系和地上部分均能形成大量的通氣組織（Colmer et al., 2003; Shimamura et al., 2003），可以通過葉片將大氣中的氧氣輸送到植物根系，由根系將這部分氧氣和其他的氧化性物質(zhì)釋放到根際，使?jié)n水土壤中存在的還原性物質(zhì)Fe2+發(fā)生氧化，生成鐵氧化物/氫氧化物，這種物質(zhì)可在濕地植物的根表沉積，通過這種連續(xù)的氧化作用所形成的鐵氧化物/氫氧化物呈膠膜狀態(tài)包裹在根表，稱之為鐵膜（Chen et al., 1980a, b; Taylor et al., 1984; Fu et al., 2010; Mendelssohn,1995），其反應(yīng)過程可用4Fe2+O2+10H2O+4Fe(OH)3+8H+表示。鐵膜的形成過程見圖1.1。

漬水土壤中植物根表形成鐵膜必須具備兩個條件，其一是局部具有氧化條件，植物通過根系釋放氧氣或者一些氧化性物質(zhì)；二是土壤中有一定可溶性Fe2+（St-Cyr and Crowder, 1989; Chen et al.,1980b）。鐵是土壤中含量最豐富的元素之一，土壤中鐵的氧化物主要以三價鐵氧化物為主，一般在漬水條件下當(dāng)氧化還原電位在120mV時，三價鐵的氧化物會被大量還原成Fe2+，而一般濕地土壤中的Eh值在0～200mV之間，顯然淹水土壤中有較豐富的Fe2+（Taylor et al., 1984）。

至今，已發(fā)現(xiàn)多種濕地植物根表可形成鐵膜，如：沉水植物、挺水植物、浮水植物、沼澤植物、濕地木本植物等。另外，一些無脊椎動物、細(xì)菌的表面也發(fā)生有類似的現(xiàn)象（Etherigton, 1983）。表1.1為已報道的根表可形成鐵膜的主要濕地植物種類。

鐵膜在根表的沉積部位與植物種類、根系的氧化能力和介質(zhì)中鐵的有效性有關(guān)。一般在距離根尖1cm的位置開始形成鐵膜（Batty et al., 2002; Taylor et al., 1984），植物根的伸長區(qū)、根毛區(qū)及靠近根基的部位形成的鐵膜較多（Batty et al.2002），幼嫩的主根根尖和新生成的根毛上形成的鐵膜少（Chen et al.1980a, b）。鐵膜在不同植物根表沉積的形式也存在差異。Chen等（1980b）通過觀察發(fā)現(xiàn)，鐵膜在植物根表皮細(xì)胞壁內(nèi)外形成表面光滑中空的鐵氧化物多面體；Taylor et al.（1984）通過水培實驗觀察到，香蒲根表鐵膜可以滲透到根系外皮層內(nèi)約3層細(xì)胞厚度的部位；而Batty et al.（2002）在蘆葦?shù)乃鄬嶒炛袇s發(fā)現(xiàn)鐵膜并不會滲透到組織細(xì)胞內(nèi)部，而是不均勻地沉積在細(xì)胞外；Chabbi（1999）則發(fā)現(xiàn)球狀燈芯草根表鐵膜多分布在周皮、外皮層和內(nèi)皮層，而在皮層和薄壁組織鐵膜分布較少；Wang and Peverly（1999）則認(rèn)為蘆葦根際CO2促使了除根尖以外的根系其他部位鐵膜的形成。

1.2.1.2 濕地植物根表鐵膜形成的影響因素

濕地植物根表鐵膜的形成必須具備兩個條件，一是植物根際處于局部氧化狀態(tài)，二是生長介質(zhì)中存在大量的Fe2+。目前在濕地植物根表鐵膜的形成及影響因素方面主要針對Fe2+濃度、根系的氧化能力、植物種類等進(jìn)行研究。

（1）Fe2+濃度

介質(zhì)中Fe2+濃度是影響根表鐵膜形成的重要非生物因素之一。研究表明，培養(yǎng)液中Fe2+濃度從0增加到100mg·L-1時，香蒲根表鐵膜的量呈非線性增加趨勢（Taylor et al., 1984）；水稻根表鐵膜的量與溶液中鐵的濃度具有明顯的正相關(guān)性（Siqueira-Silva et al.2012; Liu et al., 2007; Zhou et al., 2007）。張希科等（1997）的研究表明水稻根表的鐵氧化物膠膜隨營養(yǎng)液中Fe2+濃度的增加而增加。Xu等（2009）對燈芯草等的研究也表明，向土壤中加入鐵能增加濕地植物根表鐵膜的含量，其原因是濕地植物根系能釋放氧氣和一些氧化物質(zhì)，使植物根際的氧化還原電位增加并呈氧化狀態(tài)，向土壤中加入鐵后，更多的Fe2+向植物根際遷移，在植物根表被氧化形成鐵膜，導(dǎo)致植物根表鐵膜含量增加。史錕等（2003）對水稻的研究也得出了相似的結(jié)論，施加鐵后，濕地植物根表鐵膜中鐵的含量比沒有施加的高，尤其是水稻孕穗期，根表鐵膜的量隨著施鐵量的增加而增加。傅友強(qiáng)等（2011）則對植物進(jìn)行添加FeCl3和FeCl2處理，發(fā)現(xiàn)FeCl2能提高根系抗氧化酶活性，增加水稻根表鐵膜的量。研究還表明，蘆葦根表鐵膜的含量與土壤/沉積物中的碳酸鐵含量有關(guān)（St-Cyr and Crowder, 1988）。

除了介質(zhì)中Fe2+的濃度之外，影響鐵的有效性和溶解性的因素均可影響鐵膜的形成（Rahman et al., 2008）。研究表明，鐵膜的形成與土壤中有機(jī)質(zhì)和無機(jī)碳酸鹽呈顯著負(fù)相關(guān)，黏粒含量高的土壤形成鐵膜數(shù)量少（Chen et al., 1980a），土壤中有機(jī)質(zhì)增多，有機(jī)質(zhì)的分解造成水稻根系生長環(huán)境的氧化還原電位降低，從而使土壤溶液中鐵的移動性增強(qiáng)，促進(jìn)更多的Fe2+向根表遷移，由于水稻根系的氧化作用，使還原態(tài)Fe2+被氧化而在根表沉積形成較厚的鐵膜（Liu et al., 2004; Meng et al., 2008）。

另外，生長介質(zhì)中P或S的供應(yīng)狀況顯著影響水稻根表鐵膜的形成（Hu et al., 2001; Liu et al., 2008）。營養(yǎng)液中缺P的水稻根系鐵膜比正常供磷高出57.5% ～84.5%（Liu et al., 2008）。而傅友強(qiáng)等（2014）的研究則表明內(nèi)源磷信號并不能誘導(dǎo)根表紅棕色鐵膜的形成，僅外源磷缺乏才能誘導(dǎo)根表紅棕色鐵膜的形成，根表紅棕色鐵膜的形成與根系周圍環(huán)境中磷鐵比有關(guān)，而根表DCB-Fe的形成僅與溶液中鐵濃度有關(guān)（沈宏等，2014）。增施硫肥顯著增加了水稻根際鐵膜的含量（Hu et al., 2001），硒在低濃度時促進(jìn)水稻根表鐵膜形成，高濃度時抑制根表鐵膜的形成（周鑫斌等，2014），但是加硅處理卻明顯降低了水稻根表鐵膜的數(shù)量（Guo et al., 2007）。

（2）根系的氧化能力

植物根的氧化能力被認(rèn)為是根表鐵膜形成的最主要的生物因素之一（Mendelssoh et al., 1995）。植物根系的氧化性物質(zhì)主要包括根系氧化酶、根系分泌氧化性物質(zhì)、氧氣和根際氧化性微生物（Liu et al., 2004; Emerson et al., 1999; King et al., 1999）。鄧泓等（2007）研究發(fā)現(xiàn)植物根系具有泌氧的特征，對淹水環(huán)境下根際土壤重金屬的化學(xué)行為和化學(xué)變化具有重要的作用。根系釋放氧的能力不同，從而使根系氧化力不同，根系氧化力強(qiáng)的其根表形成的鐵膜量較多（鄧丹等，2009; Wang et al., 2011; Wu et al., 2012）。張西科等（Zhang et al., 2002; Liu et al., 2006）研究表明，不同基因型水稻之間根系氧化能力的差異可能會導(dǎo)致根表鐵氧化物膠膜沉積量的差異。Wu et al.（2012）對水稻的研究則發(fā)現(xiàn)水稻根系通氣組織和根系泌氧對根表鐵膜的形成具有顯著的相關(guān)性。此外，水稻根系分泌的過氧化物酶和過氧化氫酶具有將Fe2+氧化為Fe3+的能力（Ando, 1983）。鐵氧化細(xì)菌（Emerson et al., 1999）和甲烷氧化細(xì)菌（King et al., 1999）對根表鐵膜的形成也起到一定的作用。但根系分泌物和微生物對鐵膜形成的影響并沒有深入的研究。

（3）濕地植物種類

濕地植物種類也是影響鐵膜形成的重要因素。不同種類和品種的濕地植物生長機(jī)制、根系泌氧能力、分泌質(zhì)子和其他化合物的能力有所不同，形成鐵膜的數(shù)量有明顯的差異。具有較高比表面積根系的植物能形成更多的鐵膜（Deng et al., 2010）。Hupfer and Dollan(2003)通過水培實驗研究菹草和伊樂藻兩種植物根表鐵膜時，發(fā)現(xiàn)鐵膜形成的差異主要是根的形態(tài)差異造成的，伊樂藻的根粗，但數(shù)量少，因此其表面積小，根表形成的鐵膜量也相對較少，而菹草根細(xì)且多，其表面積大，根表形成的鐵膜量也較多。有研究表明，燈心草根表鐵膜含量分別是茭白和美人蕉的2.93和10.58倍(Xu et al., 2009)。蘆竹和香蒲根表鐵膜的量(以根系鮮重計)分別為20170.8和7640.3mg·kg-1(王震宇等，2010)。

不同品種的水稻形成鐵膜的數(shù)量也存在明顯差異（Lee et al., 2013; Ma et al., 2013；傅友強(qiáng)等，2014），劉敏超等（2001）報道14個水稻品種間根表鐵膜的量相差2.6倍。不同水稻品種的根系孔隙率和根際放氧量不同，通氣組織結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，植物根際釋放氧的量越大（Paromita Ghosh et al. 2003）。楊婧等（2009）通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，通氣組織結(jié)構(gòu)好的揚(yáng)稻6號比農(nóng)墾57號形成的鐵膜多。孟冬梅等（孟冬梅等，2008）研究表明水稻根系通氣組織和根表鐵膜的量呈正相關(guān)的趨勢，并且探索出加入硫肥和有機(jī)質(zhì)能夠改變水稻根系通氣組織的大小進(jìn)而影響根表鐵膜的數(shù)量。

盡管不同條件下采集或培養(yǎng)的不同植物根表鐵膜的絕對數(shù)量差異較大，但根表鐵膜中鐵占植物根系鐵總量的比例均在90%左右。例如，濕地條件下采集的蘆葦根表鐵膜中含鐵約98% ～99%（Tayor and Crowder, 1983），香蒲根表鐵膜中含鐵達(dá)85%(St-Cyr and Crowder, 1989)。溶液培養(yǎng)的水稻根系鐵膜中鐵含量平均為94%( Liu et al., 2007)。由此可見整個根系的鐵主要集中在根表鐵膜中，根組織中鐵所占比例很小，說明植物根系形成鐵膜的能力很強(qiáng)。

1.2.2 濕地植物根表鐵膜的作用機(jī)理分析

目前，運(yùn)用于濕地植物根表鐵膜的表征技術(shù)主要有顯微鏡、掃描/透射電子顯微鏡技術(shù)（S/TEM）、X-射線衍射分析（XRD）技術(shù)、X-射線吸收光譜分析（XAS）技術(shù)、X-射線微探針技術(shù)（EPXM）、X-射線熒光光譜分析（XRF）技術(shù)、能量色散光譜（EDS）技術(shù)以及X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）技術(shù)等，主要應(yīng)用于根表鐵膜的分布、鐵膜的礦物組成分析以及根表鐵膜對元素的吸附機(jī)理分析（Zimmer et al., 2011; Taggart et al., 2009；陳雪萍等，2008; Hansel et al.,2001）。

1.2.2.1 根表鐵膜的分布及礦物學(xué)組成

據(jù)文獻(xiàn)報道，除了肉眼可見漬水植物根表有鐵膜沉積，顯微鏡是最早運(yùn)用于觀察實驗室誘導(dǎo)水稻(Chen et al., 1980b; Bacha et al., 1977)、香蒲(Taylor et al., 1984)等根表形成鐵膜的手段。St-Cyr et al.(1993)利用高放大倍率的S/TEM觀察了野芹菜根表鐵膜的形態(tài)，鐵膜是由多種形態(tài)的鐵顆粒物、微生物和一些黏土組成，鐵膜包裹著微生物附著在根表，根尖沒有鐵膜。Lee et al.(2013)則通過顯微鏡觀察到水稻根表鐵膜覆著在外表皮細(xì)胞上，并向內(nèi)滲透到皮質(zhì)或通氣組織上，但很少延伸到內(nèi)皮層。

氧化鐵的形態(tài)按礦物學(xué)區(qū)分，有水鐵礦、纖鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦等。除水鐵礦為無定形外，其他幾種都是以結(jié)晶態(tài)存在。無定形態(tài)的鐵氧化物比表面積大、羥基釋放量高，具有很好的活性。Bacha and Hossner(1977)利用XRD技術(shù)證明水稻根表鐵膜的基本成分只有纖鐵礦。St-Cyr et al.(1993)通過XRD數(shù)據(jù)分析可知鐵膜主要是有無定形態(tài)和結(jié)晶態(tài)鐵組成。而Taylor et al.(1984)則利用SEM觀察發(fā)現(xiàn)香蒲細(xì)胞間和細(xì)胞表面沉積的鐵膜主要為無定形態(tài)的鐵。Batty et al.(2000)通過EM-EDS聯(lián)用技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)蘆葦根表鐵膜主要也是無定形態(tài)鐵。Hansel et al.(2001)利用XAS技術(shù)發(fā)現(xiàn)虉草根表鐵膜由63%水鐵礦、32%針鐵礦和5%菱鐵礦組成，而香蒲根表鐵膜由49%水鐵礦、18%針鐵礦、5%的菱鐵礦及28%的纖鐵礦組成(Hansel et al., 2002)。Liu et al. (2006)通過XAFS技術(shù)發(fā)現(xiàn)，水稻根表鐵膜水鐵礦占81% ～100%，針鐵礦占19%。

由此可見，植物根表形成的鐵膜由不同形態(tài)的鐵組成，這些物質(zhì)可能是結(jié)晶態(tài)的，也可能是無定形態(tài)的。在鐵膜形成發(fā)育過程中，不同的組分間還可相互轉(zhuǎn)化，且形態(tài)的變化取決于溫度、pH、CO2、土壤有機(jī)質(zhì)的含量、植物根系分泌物等。Chen et al.(1980)報道，鐵膜的結(jié)晶態(tài)組分是在較為炎熱的氣候下形成的，土壤的高pH、低Eh環(huán)境有利于針鐵礦的形成。Taylor et al.(1983)則發(fā)現(xiàn)，土壤中的CO2濃度越高，通透性越好，針鐵礦形成的可能性就越大。Wang and Peverly(1999)則推測土壤中FeCO3含量較高，與O2接觸反應(yīng)后可轉(zhuǎn)化為針鐵礦，而濕地條件更利于形成針鐵礦。

1.2.2.2 植物根表鐵膜對營養(yǎng)元素和重金屬的吸附機(jī)理

目前，用于測定植物根表鐵膜的含量和形態(tài)的方法主要是DCB浸提法（Dithionite-Citrate-Bicarbonate）和EDTA/BPDS (Ethylene Diamine Tetraacetic Acid)/ (Bathophenanthroline Disulfonate), DCB浸提法通過測定根表鐵膜中鐵的含量以及吸附在鐵膜上元素的含量來推測鐵膜對元素的吸附效應(yīng)，EDTA/BPDS則可以分析鐵膜中鐵的形態(tài)，但這兩種方法都無法確定根表鐵膜中鐵氧化物與元素的結(jié)合形態(tài)和分布特征。近年來，利用礦物、植物樣品的表征技術(shù)來探討根表鐵膜與元素的結(jié)合形態(tài)取得了一定的進(jìn)展。

Hansel et al. (2001)利用顯微鏡和光譜分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)鐵和鉛在根表面的分布形式相似，都在根表形成了環(huán)狀的一圈。Pb-O原子間距為2.4，與Pb吸附在鐵的氧化物/氫氧化物上的原子間距2.27不相符合，反而與鉛吸附在有機(jī)酸和礦物質(zhì)生物膜的間距2.4相符，通過EXAFS分析表明，鉛不是與鐵氧化物/氫氧化物形成復(fù)合物，而是與細(xì)菌生物膜等有機(jī)功能團(tuán)相結(jié)合形成了有機(jī)鉛復(fù)合物。相反，錳和鋅形成獨(dú)立的金屬碳酸鹽（菱錳礦/水鋅礦）附著在根表。Cai et al.(2012)則通過顯微鏡及桑色素?zé)晒夥ǚ治鲣X沉積的部位，結(jié)果表明鋁不是與鐵氧化物相結(jié)合，而是形成了磷酸鹽與鐵膜并列在根表沉積。

鐵膜對磷和砷的作用機(jī)制與鉛和鋁等不同，磷和砷與鐵主要以專性吸附的形式在根表鐵膜中存在。Crowder和St-Cyr(1991)認(rèn)為磷酸根通過內(nèi)核配合作用強(qiáng)烈吸附在鐵氧化物表面上形成Fe-P配合物，當(dāng)介質(zhì)中磷酸鹽濃度較高時，鐵氧化物與磷酸鹽形成單核配合物（Fe·OPC(O3)或FeOOC-COOH），易于解吸附，在磷酸鹽離子濃度較低時，卻形成雙核配合物（Fe·OP(O2)O·Fe或FeOOC-COOFe），吸附較緊密，難以解吸附，從而抑制植物對磷的吸收。

Voegelin et al.(2007)通過XRF和EXAFS技術(shù)從分子尺度分析砷在鐵膜上的界面吸附機(jī)制，通過XAFS圖譜判斷砷酸鹽在鐵膜上與鐵氧化物形成了內(nèi)層復(fù)合物。AsO4四面體與FeO6八面體以角-角結(jié)合的方式形成雙齒雙核的內(nèi)層復(fù)合產(chǎn)物(Sherman et al., 2003)，見圖1.2。鐵氧化物對As5+和As3+都有較強(qiáng)的吸附能力，但這種吸附能力是由環(huán)境的氧化狀態(tài)和鐵氧化物的礦物組成決定的。水合鐵礦向針鐵礦發(fā)展可減少砷結(jié)合位點的密度，從而一部分吸附態(tài)砷由氧化物表面解吸出來(Liu et al., 2005)。在氧化條件下，以As5+為主要的存在形態(tài)，在pH值小于6的條件下，Eh越高，鐵膜上的砷以五價砷為主。反之則以三價砷為主(Zimmer et al., 2011)。Blute et al.(2004)通過XANES分析蘆葦和香蒲根表鐵膜中的鐵主要是三價鐵，大約有20%的三價砷和80%的五價砷吸附在鐵膜上。Liu et al.(Liu et al., 2006)則通過XANES分析表明，根表鐵膜上吸附的砷以砷酸鹽為主，而水稻谷粒中主要是無機(jī)砷和DMA。而陳學(xué)萍等(2008)采用EXAFS譜分析得出五價砷和鐵以砷酸鐵的形式共沉淀，在厭氧的還原條件下，砷的主要存在形態(tài)為三價砷。

由此可見，X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜分析技術(shù)（XAFS）等技術(shù)可以直接得到植物體內(nèi)微量元素的氧化態(tài)、近邊原子和配位數(shù)等化學(xué)信息，而不需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜的提取和分離等前處理。對全面探討根表鐵膜的形成機(jī)理及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有重要意義。

1.2.3 濕地植物根表鐵膜的環(huán)境效應(yīng)研究

植物根表鐵膜對濕地植物根表鐵膜是一種兩性膠體，可以通過離子之間的吸附-解吸、氧化-還原、有機(jī)-無機(jī)的絡(luò)合等作用改變根際環(huán)境中重金屬陽離子和養(yǎng)分的存在形態(tài)，從而影響這些離子的生物有效性，進(jìn)而能影響土壤-濕地植被體系中污染物和養(yǎng)分的遷移（Otte et al., 1989; St-Cyr and Crowder, 1990; Siqueira-Silva et al., 2012; Liu et al., 2011; Huang et al., 2012）。

1.2.3.1 根表鐵膜對營養(yǎng)元素的效應(yīng)

有研究認(rèn)為，植物根表鐵膜是營養(yǎng)元素的富集庫(Liang et al., 2006;Hossain et al., 2009)。水稻根表鐵膜能夠在近根區(qū)域富集大量鐵、磷、鋅、鎂、錳等植物必需的營養(yǎng)元素，當(dāng)介質(zhì)中養(yǎng)分缺乏時，鐵膜富集的營養(yǎng)元素能夠被植物活化吸收利用(Jiang et al., 2009; Zhang et al., 1998; Otte et al., 1989)。Ye et al.(Ye et al., 1997)研究發(fā)現(xiàn)，根表覆有鐵膜的香蒲，其根和地上部分含鐵量分別是無鐵膜的32倍和6倍，說明香蒲能夠吸收根表鐵膜中的鐵。植物根表鐵膜對土壤中的磷酸根離子具有較強(qiáng)的吸附能力，當(dāng)介質(zhì)中磷缺乏時又可被植物活化吸收，根表覆有鐵膜的苔草和香蒲植物體內(nèi)磷濃度要比無鐵膜的高(Chen et al., 1980a; Christensen et al., 1998)。高濃度的Fe和P能促進(jìn)冷水花植物對P的吸收(Yang et al., 2011)。紅樹屬樹木根表形成的鐵膜對重金屬和P都具有截留作用(Pi et al., 2011)。香蒲根表鐵膜增加了植物根系磷累積量和植物地上部的磷累積量(Liu et al., 2011)。有鐵膜沉積的蘆竹和香蒲P元素利用的有效性比無鐵膜的高(Wang et al., 2010)。Zhou et al.(2007a, b)對水稻根表鐵膜吸附Se的研究也得出了相似的結(jié)論。然而，曾祥忠等(2001)人發(fā)現(xiàn)根表鐵膜的形成會抑制植物對P的吸收。造成根表鐵膜抑制P吸收的原因可能是由于鐵膜中鐵氧化物對P具有很強(qiáng)的親和力，其吸附的P增多，從而降低了根際P的有效性，并導(dǎo)致植物可利用的P減少。

也有研究認(rèn)為，鐵膜對營養(yǎng)元素的富集作用與鐵膜的量有關(guān)，過厚時抑制吸收而薄時則有促進(jìn)作用（Christensen & Wigand, 1998；劉婧等，2011；曹雪瑩等，2013）。Christensen and Wigand (1998)通過野外調(diào)查研究山梗菜時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵膜的量大于30μmol·g-1時，植株中P的含量降低，但是鐵膜量小于30μmol·g-1時，植株中的P含量與沉積物中植物可利用P的含量呈顯著正相關(guān)，表明厚的鐵膜降低了P的吸收。Zhang et al.(1999)對水稻根表鐵膜的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵膜的量在24570mg Fe·kg-1RDW范圍內(nèi)，隨著鐵膜量的增加，P的吸收呈增加趨勢，而當(dāng)鐵膜量達(dá)到28260mg Fe·kg-1RDW時，植物體內(nèi)P的含量反而下降。呂世華等（1999）的研究表明，當(dāng)膠膜中等厚度（鐵膠膜量為5141mg·kg-1、錳膠膜為40mg·kg-1）時，磷的吸收量最大，而膠膜太薄和太厚均不利于水稻對磷的吸收。Otte et al.(1989)在研究根表鐵膜影響紫苑吸收鋅時發(fā)現(xiàn)，鐵膜能吸附土壤中的鋅，并在一定范圍內(nèi)，隨鐵膜厚度的增加，鋅的吸附量不斷增加，這些養(yǎng)分解吸后能被植物吸收利用。但是，如果鐵膜厚度大于2000nmol·cm-2時，鋅在鐵膜上的富集就會減少，植物的吸收量也隨之下降，當(dāng)鐵膜的量增加到12100mg·kg-1時，水稻對鋅的吸附量達(dá)到最大。而后，隨著鐵膜數(shù)量的增加，鐵膜反而會阻礙水稻對鋅的吸收(Zhang et al., 1998)。這主要是因為鐵膜有較多的負(fù)電荷基團(tuán)，鐵膜能增加鋅的吸附位點，成為鋅的富集庫，增加植物對鋅的吸收；如果包被在根表的鐵膜太厚時，因根-鐵界面鋅的數(shù)量有限，盡管鐵膜上吸附的鋅較多，但吸附在鐵膜外表的鋅要經(jīng)過解吸附及跨越鐵膜等復(fù)雜過程才能到達(dá)根表，故吸收量反而下降，因此，植物根表鐵膜對鋅的吸收主要取決于根表鐵膜的數(shù)量。

總之，根表鐵膜在一定程度上是一個土壤養(yǎng)分的富集庫，氧化物膜的厚度是養(yǎng)分富集能力的一個重要因素，另外，介質(zhì)中養(yǎng)分的濃度、土壤中鐵膜的含量和植物根系的氧化能力等也會影響?zhàn)B分的富集。

1.2.3.2 根表鐵膜對重金屬的生態(tài)效應(yīng)

根表形成的鐵氧化物與自然界的鐵氧化物有相似的特征，具有較高的比表面積和-OH功能團(tuán)，具有化學(xué)吸附特性，能起一定的氧化還原作用，能與金屬和其他的陰、陽離子反應(yīng)。具有潛在的凈化重金屬污染的功能。田間觀察發(fā)現(xiàn)，根表有鐵膜的濕地植物能夠在重金屬污染的土壤或強(qiáng)酸性的礦區(qū)土壤中生存，這引起了許多生態(tài)和環(huán)境學(xué)家的重視，希望應(yīng)用植物根表鐵膜進(jìn)行土壤植物修復(fù)，解決生態(tài)環(huán)境問題。

眾多研究表明，植物根表鐵膜對重金屬元素的吸收和運(yùn)輸起阻礙作用。根表有鐵膜的植物受銅毒、鋁毒作用小，可能是銅在根皮層被鐵鈍化以及鋁與磷酸鹽共沉淀于植物根表，形成了與鐵膜相似的物質(zhì)所致(Greipsson et al., 1992; Chen et al., 2006; Cai et al., 2012)。水稻根表鐵膜對Cd、Pb能產(chǎn)生富集作用，隨著根表鐵膜量的增加，根表鐵膜富集的Cd、Pb的含量也增加(Ma et al., 2013; Liu et al., 2011; Liu et al., 2010; Liu et al., 2010; Liu et al., 2008)，而且根表鐵膜可以阻止Pb、Cd向水稻植株移動(Ma et al., 2013; Liu et al., 2011)。鐵膜還能對Sb產(chǎn)生富集作用，大約有60% ～80% Sb(III)和40% ～60% Sb(V)累積在水稻根表鐵膜中(Okkenhaug et al., 2012; Huang et al., 2012)。有鐵膜的水稻根內(nèi)和地上部分Se的含量隨鐵膜數(shù)量的增加而下降(Zhou et al., 2007a, b)。根表鐵膜和硒單獨(dú)或聯(lián)合作用能顯著抑制水稻對無機(jī)汞和甲基汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而可以減少汞在稻米中的蓄積（李云云等，2014；周鑫斌等，2014）。

目前研究最多的是根表鐵膜對砷的影響(Lee et al., 2013; Deng et al., 2010)，砷是一種“類金屬”，對鐵氧化物具有高度親和性，可與鐵氧化物發(fā)生吸附和共沉淀作用。Hossain et al. (2009)的研究發(fā)現(xiàn)，砷在水稻根表鐵膜中的含量超過了根際土壤。鐵膜能夠富集土壤中的砷，對土壤中砷的遷移轉(zhuǎn)化起促進(jìn)作用(Zimmer et al., 2011; Ultra et al., 2009; Garnier et al., 2010)。Liu et al. (2004)的研究表明鐵膜對As5+的影響大于對As3+的影響，當(dāng)添加As3+時，大部分砷集中在根組織，而添加As5+時，大部分砷集中在根表鐵膜上。Hansel et al.(2002)則發(fā)現(xiàn)根表鐵膜上的砷主要是砷酸鹽（占82%），亞砷酸鹽的含量很少。經(jīng)過砷酸鹽和亞砷酸鹽處理的水稻，水稻內(nèi)亞砷酸鹽的含量均較高(Wu et al., 2012)。Chen et al.(2005)也得出了相似的結(jié)論。Otte et al.(1991)則認(rèn)為紫菀根表鐵膜可通過氧化還原反應(yīng)將毒性很強(qiáng)的As3+轉(zhuǎn)化為毒性較弱的As5+，這是植物去除砷毒害的重要機(jī)制之一。

鐵膜還可促進(jìn)植物對重金屬元素的吸收。劉艷菊等(2007)的研究表明，水稻吸收的鉛約有75%在根組織中，只有25%富集在根表鐵膜中，水稻根表鐵膜可能在一定程度上促進(jìn)Pb向水稻根內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。紫菀根中砷的濃度與鐵膜及根中鐵的濃度相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.868和0.969，地上部分組織中砷的濃度與鐵濃度的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.907，均達(dá)顯著性水平，說明鐵膜在植物對砷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)上起著促進(jìn)作用（Otte et al., 1991）。

也有一些研究表明少量鐵膜能促進(jìn)植物對重金屬元素的吸收，而大量鐵膜則阻止植物對重金屬元素的吸收。依純真等（依純真等，1994; Liu et al., 2006）的研究表明，在鐵濃度約40mg·L-1時，水稻根表形成的鐵膜厚度使水稻地上部分和根中鎘含量均達(dá)最高，鐵濃度下降時，鎘含量呈下降趨勢。劉文菊等（1999）通過水培實驗也發(fā)現(xiàn)水稻根表鐵膜對介質(zhì)中Cd的吸收及其在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)移起重要作用，既可以促進(jìn)也可以抑制水稻根系對Cd的吸收，當(dāng)根表鐵膜較薄時可以促進(jìn)水稻對鎘的吸收，在鐵膜數(shù)量達(dá)到20825mg·kg-1干根重時促進(jìn)作用達(dá)到最大，而后隨著鐵膜數(shù)量的繼續(xù)增加，反而抑制水稻根系對鎘的吸收。究其原因，可能是根-鐵膜界面的鎘數(shù)量有限，吸附在鐵膜外表的鎘要經(jīng)過解吸和跨越鐵膜等復(fù)雜過程之后才能到達(dá)根表，故吸附量反而下降，因此，根表鐵膜是土壤中鎘進(jìn)入水稻體內(nèi)的界面，鐵膜的物理、化學(xué)性質(zhì)直接影響土壤中鎘進(jìn)入植株體內(nèi)。

1.2.3.3 濕地植物根表鐵膜對溫室氣體排放的影響

由于濕地經(jīng)常處于濕潤或過濕狀態(tài)，土壤通氣性差，溫度低且變幅小，造成好氣性細(xì)菌數(shù)量降低，厭氧性細(xì)菌發(fā)育，致使植物殘體分解十分緩慢，逐漸形成了富含有機(jī)質(zhì)的濕地土壤，在生物圈與大氣圈之間的氣體交換中凈吸收CO2，成為碳的重要儲存場所，儲量高達(dá)770×108t，僅次于熱帶雨林（Spalding et al.,1997）。濕地中的碳主要儲存在土壤和植物體內(nèi)，而土壤碳儲存量可占到濕地總碳儲量的90%以上，且濕地土壤中的有機(jī)碳含量最高（35.6kg·m-2），其次分別為森林土壤（16.9kg·m-2）和農(nóng)業(yè)用地（14.0kg·m-2）(Krogh et al., 2003)。圖1.3分析了我國不同氣候區(qū)濕地土壤有機(jī)碳含量概況。如果氣候穩(wěn)定且沒有人類干擾，濕地相對于其他生態(tài)系統(tǒng)能夠更長期地儲存碳。

濕地土壤中的鐵影響著一些營養(yǎng)元素、重金屬、污染元素在土壤中的有效性、毒性及有機(jī)物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化等。Fe(Ⅲ)作為有效的電子受體，可以影響土壤中的碳循環(huán)，改變土壤氧化還原狀況，抑制水稻田甲烷的產(chǎn)生（曲東等，2002; Jackel et al., 2000）。Gwenaelle（2001）發(fā)現(xiàn)濕地中鐵的季節(jié)變化與濕地水體中的溶解有機(jī)碳呈明顯的相關(guān)性。Roden et al.(1996)的研究表明在富鐵的淡水濕地沉積中，微生物作用下的鐵的氧化還原可以抑制甲烷化和硫的還原，F(xiàn)e3+的還原對根層沉積物代謝所需的總碳量貢獻(xiàn)達(dá)65%，而對CH4的生成量貢獻(xiàn)為22%。與硫的還原及其甲烷化的研究相比，鐵的還原對其環(huán)境中的沉積物代謝的貢獻(xiàn)機(jī)理還不是十分明確（Roden et al., 1996,2002）。曲東等(2003)在水稻土中添加外源Fe(OH)3和纖鐵礦，試驗結(jié)果表明三價鐵還原占總電子傳遞的貢獻(xiàn)率由對照18.30%增加到63.32%和46.90%，而形成甲烷的電子傳遞貢獻(xiàn)率由對照的80.92%降至35.85%和52.32%，使土壤產(chǎn)甲烷過程被強(qiáng)烈抑制。

研究表明，濕地植物根系表面至鐵膜間的微域環(huán)境有利于有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)利用，燈芯草(Juncus bulbosus L.)在無機(jī)碳極低環(huán)境中反而生長得很好，并且根表覆鐵膜的燈芯草根系和地上部的干物質(zhì)積累量是無鐵膜的2～3倍(ABAD, 2001)。原因在于根系-鐵膜間微域環(huán)境的有機(jī)分泌物分別比湖底沉積物和湖泊水高出18～22和19～38倍，從而能為這一微域的細(xì)菌繁殖提供充足的基質(zhì)，提高細(xì)菌對根系分泌物(蘋果酸鹽、檸檬酸鹽及葡萄糖)的重復(fù)利用，有更多的有機(jī)碳被礦化成無機(jī)碳，使根-膜微區(qū)的溶解態(tài)無機(jī)碳(CO2)數(shù)量明顯高于周圍的水體和孔隙水，滿足燈芯草光合作用中對碳的需求。

1.2.4 發(fā)展趨勢

通過上述文獻(xiàn)綜述我們發(fā)現(xiàn)，根表鐵膜在濕地植物根-土界面的研究已經(jīng)成為濕地環(huán)境科學(xué)研究中的熱點。因其具有較大的表面積并帶有正負(fù)電荷基團(tuán)，可以通過吸附和共沉淀等作用改變根際環(huán)境中重金屬離子和營養(yǎng)元素的存在形態(tài)，從而影響這些離子的生物有效性，調(diào)控植物根系對重金屬和營養(yǎng)元素的阻礙或吸收作用，是濕地植物根系吸收養(yǎng)分和污染物的重要門戶。研究其作用機(jī)理及調(diào)控機(jī)制具有重要的生態(tài)環(huán)境意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對水稻根表鐵膜對營養(yǎng)元素的富集、吸收以及重金屬污染的控制問題上取得了一定的成就。目前的研究大多側(cè)重于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水稻根表鐵膜對營養(yǎng)元素的吸收富集和對重金屬污染的控制，對人工濕地處理污染物開展了一些研究，但缺乏對天然湖泊濕地植物根表鐵膜的研究。尤其是以天然濕地優(yōu)勢植物作為研究對象，探討植物根表鐵膜對重金屬在土壤-植物體系中的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的研究還沒有得到足夠的關(guān)注。其次，在鐵膜形成的影響因素研究方面，目前的研究多側(cè)重于土壤和生物因素的影響，對環(huán)境因素的研究較弱，尤其是水文情勢的變化對鐵膜的形成、生長、脫落這一動態(tài)變化過程的影響研究較少。此外根系分泌物、根際微生物等也可影響鐵膜的形成以及其發(fā)揮效應(yīng)的程度，目前這方面的研究還鮮有報道；第三，根表鐵膜的特性直接影響其對污染物的凈化能力，傳統(tǒng)的測定方法已經(jīng)不能滿足根表鐵膜的研究要求，需要應(yīng)用多領(lǐng)域多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)全面探討根表鐵膜形成的機(jī)理及生態(tài)效應(yīng)，利用SEM-EDX以及XRD、XRF、XAFS等技術(shù)從分子生物學(xué)水平上研究鐵膜的形成及作用機(jī)制等，為解決濕地環(huán)境的重金屬污染提供合理的防治和修復(fù)措施。

鄱陽湖濕地是我國首批列入《國際重要濕地名錄》的七塊區(qū)域之一。作為國際重要濕地，鄱陽湖在全球候鳥遷徙和生物多樣性保護(hù)方面具有重要地位，是長江中下游地區(qū)生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。鄱陽湖水量占長江水量的15.6%（III類水），也是洄游性魚類、珍稀水生動物的繁殖場所，是保障長江中下游水量平衡、生物多樣性和生態(tài)安全不可缺少的屏障。2014年編制出臺的《水污染防治行動計劃》的核心內(nèi)容是：1）對污染重的地方堅決進(jìn)行治理；2）對水質(zhì)較好的河湖，堅決保護(hù)起來，重點保護(hù)好生態(tài)良好的湖泊。近期，環(huán)境保護(hù)部和國土資源部發(fā)布了2005～2013年全國環(huán)境污染狀況調(diào)查公報，結(jié)果顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，全國土壤總超標(biāo)率16.1%。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖濕地土壤局部區(qū)域也已受到鉛、鎘、銅、鋅等重金屬污染（鉛，鎘，銅，鋅的含量分別為56.31～124.6mg·kg-1,0.05～5.063mg·kg-1,22.7～253.8mg·kg-1,119.8～368.3mg·kg-1）(弓曉峰等，2006)。而且濕地土壤中鐵元素的含量（4%）普遍高于全國土壤的平均水平（2.97%）（任榮榮，2012）。

綜上所述，基于濕地植物根表鐵膜的重要性及鄱陽湖保護(hù)的迫切性，開展鄱陽湖濕地植物根表鐵膜的研究以及根表鐵膜對重金屬在土壤-植物體系中的遷移轉(zhuǎn)化的效應(yīng)，對明確污染物在濕地植物根際環(huán)境中的分布、生物有效性、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制以及消減功能有重要的指導(dǎo)意義，可為發(fā)展?jié)竦赝寥牢廴镜闹参锔H高效修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)，其研究結(jié)果也可供其他淺水、淡水湖泊濕地保護(hù)借鑒與參考。