2、结果与分析


2.1菹草附着物特征


在菹草生命周期内，自幼苗期，随着菹草的生长，附着在其叶表面的附着物持续增加(图2)，到衰亡期附着量达到最大。附着物叶绿素a含量、干重、灰分重和无灰分干重在菹草幼苗期、快速生长期、稳定期和衰亡期均存在显著差异(图2)。处于稳定期的成熟菹草，幼叶、成熟叶、衰老叶附着物量依次增加，而茎附着物量介于幼叶和成熟叶的之间。除附着物叶绿素a含量外，幼叶、成熟叶、衰老叶和茎附着物的干重、灰分重和无灰干重均存在显著差异(图2)。

图2不同生长阶段菹草附着物和菹草不同部位附着物特征


2.2菹草叶微界面O2的时间动态


2.1.1生长阶段显著影响菹草叶微界面O2分布


在菹草生命周期内，不同阶段菹草叶微界面O2浓度梯度具明显的变化(图3)。幼苗期，菹草叶微界面O2浓度随距叶面距离的减小而显著增加，但增加幅度较小(叶表面O2浓度为(9.65±0.04)mg/L)；进入快速生长期，叶微界面O2浓度梯度显著增大(叶表面O2浓度为(10.90±0.21)mg/L)；稳定期，叶微界面O2浓度梯度随距离减小而增加幅度最大，叶表面O2浓度达到生命周内最大((13.16±0.40)mg/L)。衰亡期，叶微界面O2浓度增加幅度较小，但由于附着层较厚，影响了O2分布的趋势，进入附着层后O2增加幅度显著降低甚至出现了O2降低的现象。


2.1.2菹草叶面O2具有明显的昼夜变化


菹草叶表面O2存在明显的昼夜变化，呈昼高夜低的单峰变化趋势(图4)。受光照和温度的影响，白天，日出后O2浓度随光照的增强持续升高，至15:00达到全天高峰16.68mg/L，此后O2浓度随光照减弱持续下降，日落后，O2浓度继续下降，至日出前5:10降至全天最低6.01mg/L。日出后，O2浓度又持续回升。

图3不同生长阶段菹草叶微界面氧分布

图4菹草叶表面O2昼夜变化


2.2菹草不同部位微界面O2的变化


不同部位微界面O2的分布显著不同(图5)。幼叶由于光合活性较弱和附着物较少，O2随距叶面距离的减小而增加，但增加幅度相对较小，叶面O2浓度为(11.21±0.22)mg/L。而成熟叶微界面中，O2浓度梯度增加幅度最大，进入附着层后O2增加幅度显著降低，但由于成熟叶较强的光合活性和附着层的屏障作用，O2在附着层内继续增大，在叶表面O2浓度达到最大值(13.05±0.61)mg/L。衰老叶和茎微界面中，离附着物越近O2浓度越高，在附着物表面达到最大值，分别为(10.02±0.10)mg/L，(10.55±0.30)mg/L，进入附着层后，O2浓度略呈下降趋势。去除附着物后茎叶微界面O2分布发生了明显变化。茎叶表面O2浓度明显降低，幼叶和成熟叶表面O2浓度分别降至11.07和12.67mg/L(图5)。衰老叶和茎由于去除了较厚的附着物呈逐渐增加的趋势。

图5菹草不同部位叶微界面氧分布


3、讨论


3.1微界面O2分布的时间变化机制


作为世界广布种的沉水植物菹草生命周期与多数水生植物不同。秋季发芽，冬春生长，4—5月开花结果，夏季6月后逐渐衰亡腐烂，同时形成石芽(冬芽)以度过不适环境。菹草的光合作用能力主要受光照、水温及自身叶绿素含量等因素的影响。快速光响应曲线(RLCs)是电子传递速率随光强的变化曲线，可衡量植物叶片的光合作用能力，反应实际的光合作用状态。本研究中，在菹草生长的不同阶段，快速光响应曲线不同(图6a)。随着环境温度逐渐升高和光照增强，菹草电子传递速率(ETR)逐渐增加，至稳定期达到最大。进入衰亡期，由于植物叶绿素含量降低和附着物的持续积累造成的遮荫，使得菹草电子传递速率降至生命周期中的最低。菹草生命周期内不同生长阶段快速光响应曲线的变化趋势与叶微界面O2分布的变化趋势一致(图3)，表明菹草光合放氧能力是影响叶微界面O2浓度的重要因素。


菹草附着物的持续积累影响了叶微界面O2浓度梯度(图2，图3)。在菹草的幼苗期和快速生长期(2月—4月中旬)，附着物稀疏，O2较容易向周围环境扩散，加之菹草光合放氧能力相对较低，对微界面O2浓度梯度的影响不明显，O2波动幅度较小(图3)。在菹草稳定期(4月中旬—5月上旬)，随着水环境温度的逐渐上升，更适宜菹草生长，菹草生物量和表面积持续增加，附着生物量持续增多，附着层增厚，使菹草叶面O2浓度波动增大(图3)，离附着层越近，O2越高，进入附着层后，由于无机成分和好氧有机成分的存在，O2增加幅度略有降低，穿过附着层后，由于附着层的屏障作用，加之菹草光合放氧能力强，O2继续增大，在叶表面O2浓度达到最大。此阶段，沉水植物菹草借助碳酸酐酶的作用，通过光合作用等代谢活动，消耗了水中的大量可溶性无机碳(DIC)，并在叶表沉积出碳酸钙。


进入衰亡期(5月中旬—6月上旬)，菹草生长几乎停止，茎从基部开始出现断裂，叶片出现孔洞，附着物大量增加，叶片通过自溶作用分泌出大量的溶解性有机物，促进附着藻类和菌类的附着和生长，水温的持续升高更适合附着细菌的生长和繁殖，菹草叶面颗粒物大量积累，附着物量达到最大，附着层较厚，虽然氧不易扩散，但由于衰亡期菹草光合放氧能力极弱，O2浓度未再出现增加，而是略有降低。该微界面中的附着物阻碍了宿主植物对光的获取、养分的吸收和气体扩散，长期持续的附着制约了沉水植物的生长发育。


叶表面O2浓度的明显的昼夜变化主要由光照和水温的变化造成的(图4)。光照和水温的变化直接引起了菹草光合放氧能力的变化。菹草叶表O2浓度主要受菹草光合放氧速率和呼吸好氧速率的综合影响。日出后，光照强度逐渐增强，叶面O2浓度逐渐升高。一般来说，水体中O2浓度与水温呈反相关关系，即温度越高，水体O2浓度越低。


本研究中，并未观测到随水温升高而O2浓度下降的现象，可能是由于光对植物放氧的影响更大，抵消了因温度升高造成的O2浓度下降的部分。研究已发现菹草适宜的生长温度为15—25℃，适宜的光照为500—1000μmol光子m-2s-1，在水温20℃左右和光照强度为1000μmol光子m-2s-1左右(光饱和点)时菹草光合作用的产氧量最高。本研究中，在12:00—13:40，光照为923—1107μmol光子m-2s-1，虽接近最适宜光照，但温度已超过29℃，由于呼吸作用加强和O2溶解度降低以及向大气放氧，因此此阶段叶表O2浓度并未出现最高，直至15:00才出现峰值。此后，随着光照的减弱，菹草光合放氧能力减弱，叶表O2浓度随之相应降低。


日落后，虽然水温持续降低，但由于菹草光合作用停止不再放氧，加之呼吸作用耗氧，所以叶表O2浓度持续降低，至日出前降至最低值6.00mg/L。这与王锦旗等研究的菹草种群内O2浓度的昼夜变化趋势一致。Sand-Jensen等运用Unisens Clark微电极测定了菹草叶微界面O2的变化，发现越接近植物叶表O2浓度越高，且随着光照强度增强而升高，叶微界面O2的空间分布差异明显，6月菹草叶微界面O2浓度梯度显著大于8月(衰亡期)。Sorrell和Dromgoole亦发现水蕴草(Egeriadensa)茎的放氧能力亦存在昼夜差异，白天放氧能力明显高于夜间，这与本研究结果一致。


光纤氧微电极揭示菹草叶微界面O2分布、浓度梯度的时空变化（一）

光纤氧微电极揭示菹草叶微界面O2分布、浓度梯度的时空变化（二）

光纤氧微电极揭示菹草叶微界面O2分布、浓度梯度的时空变化（三）