摘要：植物生态浮床技术具有原位修复环境效果好、运行成本低、操作方便等特点，已成为当前水产养殖水体净化的主要技术之一，给水产养殖业带来了显著效益。浮床植物根系构建了具有巨大表面积的生物膜，导致不同种类的微生物群落在根系着生，对净化水体起重要作用。本文阐述了浮床植物根系的生理生态化学特性，植物根际周围微生物群落的形成、分布状况，根系与根系分泌物间的相互关系，根系泌氧状况以及产生的一系列生态响应，并对未来浮床植物根系的研究方向进行了展望，以便为研究浮床植物的净化机制提供理论依据。
关键词：生态浮床；根系；化学特性；生态响应
中图分类号： X171文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）03-0231-06
收稿日期：2016-04-25
基金项目：江苏省南京市生态循环农业项目（编号：NNC2015138）。
作者简介：赵婉婉（1993—），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向为污染生态学及环境生物学。E-mail：wanwan1170232873@qq.com。
通信作者：吴伟，研究员，主要从事污染生态学及环境生物学研究。Tel：（0510）85559935；E-mail：wuw@ffrc.cn。
近年来，高密度集约化水产养殖的迅速发展，在带来较大经济利益的同时，也带来了严重的水污染问题。由于养殖饲料中所含的氮、磷等营养物质只有少部分能被鱼体同化[1]，所以这种高密度放养、大量施肥投饵的养殖模式，往往導致残剩饲料以及排泄物的累积，致使水体污染日趋严重[2]。植物生态浮床是在水污染处理中逐渐发展起来的一项生物修复技术，因具有投资小、无环境污染等众多优点而备受关注。但目前相关研究主要涉及浮床的设计、面积、浮床植物选择以及浮床植物本身对水体污染物的吸收和净化，没有针对浮床植物在水体中的根系发展、相应表现出的生态化学特性及其相关的生态响应进行深入细致的研究，对植物根系控制水体生态的机制研究得不够深入。本文阐述了浮床植物根系的生理生态化学特性，植物根际周围微生物群落的形成、分布状况与根系分泌物间的相互关系，根系泌氧状况以及产生的一系列生态响应，并对浮床植物根系未来的研究方向进行了展望，以期为研究浮床植物的净化机制提供理论依据。
1浮床植物根系生理生态研究
1.1根系构型
根系构型是指同一根系中不同类型的根（直根系或须根系），在生长介质中的空间造型和分布[3]。它是植物根系生长和分枝的结果，包含了二维平面与三维立体的几何构型，并能随着环境变化适时调整。根系构型是重要的生态学指标，它不仅决定了根搜索周围环境（如土壤、水体）能力的大小，而且与植物吸收运输养分的能力、植物的生产力水平密切相关。
1.2根际研究
根际的相关研究一直是国际研究的前沿领域，是国内外生态学、植物学、植物生理学、环境生物学、土壤学、微生物学等联合研究的热点。1904年德国微生物学家Hiltner通过研究豆科植物根际微域，最早提出“根际”这一概念，并将根际定义为根系周围受根系生长影响的土体[4]。“根际微域”是以mm甚至μm来计算的微区土壤范围，因此要求测定技术既要有较高的分辨率，又要有一定精确度。而当时各项技术的不成熟使这一研究领域仅局限于微生物根际效应。1939年离子接触交换学说首次被运用在根际研究中，并尝试解释了阳离子在植物根系与土壤界面上的迁移过程。20世纪60年代初，电子显微镜的应用初步明确了植物根系、根际微生物、土壤之间的存在关系。同时，植物根系对土壤中营养元素的截获、质流、扩散机理被提出。经过一百多年的研究，现今“根际”被定义为：植物根系与土壤微生物之间相互作用形成的独特圈带，它以植物根系为中心聚集了大量的细菌、真菌等微生物和蚯蚓、线虫等土壤动物，形成了一个特殊的生物群落[5]。由于根际周围富含根系分泌物提供的营养和能量，因此产生了根际效应，即根际周围微生物数量和活性高于根外土壤[6]。对于浮床植物而言，其根际可认为是浮床植物根系与水体微生物之间相互作用所形成的独特圈带。
1.3根系对植物生长的作用及意义
浮床植物可以直接吸收水层和底泥中的氮、磷等营养物质供自身生长所需。浮床植物对氮、磷等营养物质的吸收速率受植物种类、水体营养物质含量、周围环境等的影响。营养物质在浮床植物体内较为稳定，在合适的环境条件下，浮床植物能够以营养繁殖的方式大量积累生物量，提高对氮、磷等营养物质的固定能力。而根系在植物吸收营养物质、促进自身生长发育以及修复环境过程中发挥着重要作用。根的形态、长短等生理生态特征决定了植物对营养物质的吸收率。植物对营养物质的吸收与根系表面积密切相关，较大的根系表面积除了自身能够积累更多的营养物质外，还附着大量的微生物群落，根外菌丝能够延展数厘米，吸收营养元素并传递给根系，促进了氮、磷等营养元素的循环。为了适应环境，在生长发育过程中，植物根系能够产生多种分泌物，影响了根际pH值和氧化还原电位等化学特征，此外根系的一些分泌物还可以反映出周围环境营养物质缺乏的状况。
作为浮床植物的参考借鉴对象，湿地植物根系的研究比较深入。湿地植物根系发达，能吸收富集氮、磷、重金属离子以及其他污染物质。植物可通过改变根系的形态性状以适应不同的环境，包括根含水率、总根长、根体积、根表面积、根尖数、根重叠数、平均根直径等方面。嵇庆才等在水稻根系形态及其活力研究中发现，水稻根系形态在土培、水培条件下有很大差异，土培处理下水稻平均根长及最长根长与相应水培处理相比均有较大提高；另外，增加氮肥时，土培条件下会促进叶而抑制根的生长，而水培条件下则会促进根而抑制叶的生长[7]。Marschener等研究发现，拥有较大表面积的根系能够吸收更多的磷[8]。Ingram等研究表明，干旱条件下植物根系会通过增加侧根数量来增大根体积的方式来提高对水分摄取能力[9]。Dong等研究发现，在一定程度上较长的根系与较短的根系相比，或者根毛数量较多与根毛数量较少的根系相比，会增加植物对营养物的吸收[10]，这与Gross等发现的营养物充足的环境会促进植物根系根毛数量和根长的增加研究结果[11]相一致。