典型沉水植物茎叶微界面特性及其生态效应

1、典型沉水植物茎叶微界面特性及其生态效应 沉水植物茎叶微界面因其特殊的结构组成在富营养化水体中具有重要的生 态作用。以典型沉水植物茎叶微界面为研究对象 , 综合利用扫描电镜技术、高分 辨率微电极测定技术、微量化学分析技术、同位素示踪技术等 , 分析了微界面结 构、组成、时空特征、影响因素及其生态效应。揭示了典型沉水植物茎叶微界面结构的时空变化规律 , 探明了典型沉水植物 茎叶微界面的生态效应及其对水体氮素转化的调控功能。 为科学利用沉水植物的 生态调控功能改善水体环境质量提供科学支撑。本研究主要结果如下 :(1) 沉水植物微界面结构复杂 ,异质性高 ,生态环境意 义重大。附着物是微界面的重要物质

2、组成部分 , 是细菌、藻类、基质等联合构成 的附着生物碳酸盐粘液复合体 , 由附着层、真正扩散边界层和过渡边界层构 成,主要由附着藻类、 原生动物、微生物、泥沙、钙化质颗粒及无机碎屑等组成。扩散边界层(DBL)厚度为1062-1202卩m,主要受附着物厚度和植物生长状况的影响。附着物以无机成分为主(主要以CaCO3为主),占附着物总量的76.59%-83.38%;附着物的养分含量丰富，附着物TOC和TN含量分别为75.29-106.99 g kg-1和2.43-7.01 g kg-1,可为附着生物提供丰富的基质。(2) 沉水植物微界面具明显的时空特征。空间上 , 在垂直范草 (Potamoge

3、toncrispus)茎叶表面方向，距茎叶表面越近,02和pH越高,ORP越低。成熟叶微界面O2 pH和ORP弟度波动幅度最大，衰老叶的最小，这种差异主 要受植物生理活性和附着物的综合影响。时间上 , 随植物生长和附着物的积累 , 微界面O2pH和ORP变化幅度逐渐增大，稳定期叶微界面O2浓度和pH梯度随距 离减小而增加幅度最大，ORP降低幅度达到最大，叶微界面O2浓度和pH达到生命 周期内最大(叶面02浓度为401.3卩mol L-1 pH为8.37),ORP则降至生命周期内最低 (428.51 mv) 。菹草叶表面02浓度受光照和温度的影响呈昼高夜低的单峰变化。附着物随 菹草生长持续增加

4、, 至衰亡期达到最大。微界面02和pH分布与微界面结构组成存在线性正相关关系,微界面ORP与 微界面结构组成存在线性负相关关系 , 对水生态系统中物质的迁移转化具有重要 意义。 (3) 水体营养盐负荷、底质 ( 沉积物 ) 、光照和生境是影响沉水植物微界面 结构的主要环境因子。随着湖泥比例的增大,苦草(Vallisneria natans)微界面附着物显著增加,S5(全部为湖泥)的最高,S1(全部为粘土)的最低。沉水植物对光强快速转换响 应迅速 , 在叶微界面形成了高度动态的微环境。随着光照强度逐渐增加，叶微界面O2浓度梯度和增加幅度均显著增大，植物 的光合作用速率、光合放氧能力、叶表 02浓

5、度和DBL厚度明显增加。水体营养 盐负荷、底质(沉积物)和生境通过影响附着物组成、 数量和植物生长影响微界面 的结构和厚度 , 光照通过影响植物光合放氧过程影响微界面厚度。(4) 植物种类影响沉水植物微界面结构。马来眼子菜 (Potamogetonmalaianus)叶微界面O2浓度和pH增加幅度最大，波动最明显，叶表O2浓度和pH 最高 , 菹草的其次 , 苦草的最小 , 这与植物的光合作用能力和附着物厚度有关。不同物种沉水植物微界面附着物存在明显差异。 附着藻类的总密度、 平均生 物量和附着动物均以菹草的最大 ,苦草的居中 , 马来眼子菜的最小。而附着物厚度、附着物干重、无灰干重、灰分重、

6、叶绿素a含量、TOC含量和DBL厚度均以菹草的最大,马来眼子菜的居中,苦草的最小。但附着物TN和TP 以马来眼子菜的最高 (7.01 g.kg- 0.39 g.kg-1), 苦草的次之 , 菹草的最小 (2.43 g.kg-1,0.15 g.kg-1) 。(5) 沉水植物生长使茎叶微界面结构分异增加。马来眼子菜茎、叶和苦草叶 微界面02浓度和pH均随着生长进入旺盛期而逐渐增大，空间差异逐渐加大，垂直 茎、叶表面方向自茎、叶向外逐渐减小 ; 进入衰亡期 , 出现相反的变化趋势。0RP垂直茎、叶表面方向自茎、叶向外逐渐增大，马来眼子菜茎、叶微界面 和苦草叶微界面0RP均随着植物生长逐渐减小，空间差

7、异逐渐增大；进入衰亡期, 微界面0RP降低的幅度明显减小。在整个生长季节，附着物持续增加，附着层持续 增厚, 至 12 月达到最大。在生长期 , 主要受植物的影响 , 附着物由于比较稀疏 , 影响不明显。在衰亡期 , 由于植物生理活性的降低和附着物的持续积累增厚 ,微界面02 pH和0RF的分布 主要受附着物的影响。(6) 沉水植物微界面具有降低植物光合作用和促进水体氮转化的生态效应。 微界面附着物增加了 02 的波动和扩散阻力 , 明显降低了微界面氧通量。幼苗期、成熟期和衰老期具附着物的马来眼子菜叶ETRmax(23.70卩molm-2 s- 32.50 卩 mol m-2 s-1 和 9.50 卩 mol m-2 S-1)显著低于去除附着 物叶片的(23.93 卩 mol m-2 s-1、66.5 卩 mil m-2 s-1 和 15.9 卩 mol m-2 s-1), 表明附着物密集的马来眼子菜叶片的光合作用能力低于去除附着物的叶片 , 附着 物可降低植物的光合作用 , 制约沉水植物的生长发育 , 促进植物提前衰亡。 微界面 附着生物反硝化作用可观，附着生物的反硝化作用速率为 33.35-40.12卩 mol m-2 - h-