菹草莖葉微界面O2時空動態(tài)

董 彬，韓睿明，王國祥,*，毛麗娜，冀 峰,馬 杰

1南京師范大學地理科學學院, 江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設重點實驗室，南京 210023 2臨沂大學資源環(huán)境學院，臨沂 276000

菹草莖葉微界面O2時空動態(tài)

董 彬1,2，韓睿明1，王國祥1,*，毛麗娜1，冀 峰1,馬 杰1

1南京師范大學地理科學學院, 江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設重點實驗室，南京 210023 2臨沂大學資源環(huán)境學院，臨沂 276000

采用高分辨率光纖氧微電極測定了富營養(yǎng)化水體中沉水植物菹草(Potamogetoncrispus)莖葉微界面(0—2.0mm)氧(O2)。菹草葉微界面O2濃度梯度具明顯的時空變化。時間上，菹草葉微界面O2濃度具有明顯的生長階段變化和晝夜變化。幼苗期和快速生長期微界面O2濃度增加幅度較小，穩(wěn)定期葉表O2濃度梯度增加幅度最大，衰亡期葉微界面O2濃度受附著物影響具明顯的空間梯度。菹草葉微界面O2表現(xiàn)為晝高夜低的單峰變化模式，主要受光照和溫度的影響?？臻g上，越接近莖葉表面，O2濃度越高。頂部幼葉微界面O2濃度梯度增加較平緩，中部成熟葉微界面O2濃度梯度變化最陡，波動幅度最大，中部莖和基部衰老葉微界面O2濃度梯度由于受密集附著物的影響，在附著物表面達到最大值，進入附著層后略有下降。結果表明，菹草莖葉微界面O2時空變化主要受附著物和植物光合放氧能力的影響。光纖微電極是一種分析植物葉微界面氧時空分布的理想工具，對深入研究植物微界面在富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化具有重要意義，可為水生植物生理生態(tài)研究提供有力工具。

微界面；微電極；菹草；氧；附著物；時空動態(tài)

Reddy發(fā)現(xiàn)濕地植物根系附近存在富氧-厭氧微環(huán)境，提出并用同位素技術證實了根-沉積物界面的硝化-反硝化理論[1]，并結合微電極取得一系列重要的成果[2-4]。理論上，沉水植物的莖葉與水之間亦存在類似于根-土壤/沉積物的微環(huán)境(界面)。位于水面以下的沉水植物莖葉表面常有各種藻類、微生物、菌膠團、泥沙和碎屑等物質(zhì)附著，形成了特殊的生物-水微界面[5-6]。沉水植物光合作用產(chǎn)生的氧氣通過莖葉表面散逸到水中，在莖葉表面形成富氧區(qū)，而附著層內(nèi)富集的有機質(zhì)分解耗氧容易導致莖葉表面成為缺氧微區(qū)[7]，這可能將對微界面內(nèi)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化有重要影響。研究表明淡水沉水植物菹草(Potamogetoncrispus)[7]和海洋植物褐藻(Fucusvesiculosus)[8]葉微界面(0—2.0mm)內(nèi)O2濃度空間分布差異比較明顯，但僅有的上述研究均集中在光對特定生長階段水生植物葉微界面O2分布的影響上。不同生長階段、不同部位沉水植物微界面O2分布有何差異？附著物對沉水植物微界面O2分布有何影響？對此人們還了解甚少。鑒此，本研究利用光纖氧微電極技術，分別從時間(晝夜、季節(jié))和空間(不同部位)尺度上研究了菹草莖葉微界面O2的分布，揭示了造成其時空差異的可能機理，對深入研究富營養(yǎng)化水體中植物衰退機制和養(yǎng)分循環(huán)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 菹草莖葉微界面O2的測定

將整株菹草置于裝有原位水的方形玻璃缸中，使整株植物懸浮在水中，莖和葉片用訂書針固定在瓊脂板上(4%)(圖1b)。通過控溫臺使水溫保持在 (20±0.5) ℃。在鹵素光纖燈(150W)控制光密度100μmol photons/m2s下進行測定。采用德國針式光纖氧微電極(PreSens, Regensburg，德國) 進行測定。電極尖端直徑<50μm，快速響應時間小于3s，在線溫度補償，檢測范圍為0—250%飽和空氣(0—22.6mg/L)，檢測下限為0.2%飽和空氣。使用前用飽和濕空氣(100% O2)和飽和Na2SO3溶液(0% O2) 進行兩點校準。將電極固定在三維自動操縱器上，控制電極以設定的步進接近莖葉表面。借助解剖顯微鏡跟蹤電極的移動，用來確定菹草附著物的表面，可結合顯微鏡與電極信號變化來判斷葉表面[7-8]。數(shù)據(jù)通過軟件Microx TX3獲取。每個莖葉測定3個不同點，由于電極穩(wěn)定性較好，每個點測2個剖面，取3個點的平均值作圖。

圖1 成熟菹草和測試圖 Fig.1 A mature plant of Potamogeton crispus (a) and the picture of measurement (b)

1.3 菹草葉面O2晝夜變化的測定

在菹草穩(wěn)定期，采集完整成熟菹草3株，用原位水置于方形玻璃缸中在溫室內(nèi)馴化培養(yǎng)3d后測定(圖1b)。選擇晴朗天氣(2013年4月26日6:00—27日早6:00)江蘇省生態(tài)修復平臺玻璃溫室中進行，借助顯微鏡和電極信號，找到葉片表面，10min自動記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)測定24h。測定O2和溫度的同時，采用ZDR—14型照度記錄儀同步記錄光強。2013年4月26日6:00—27日6:00，溫度最高30℃，最低13℃，據(jù)國家授時中心網(wǎng)站(http://time.kepu.net.cn/)查詢得監(jiān)測時段日出、日中、日落時刻。4月26日日出時刻為05:24，日中時刻為12:03，日落時刻為18:42，4月27日日出時刻為05:23，日中時刻為12:03，日落時刻為18:42。故將26日6:00—18:42及27日05:23—6:00作為白晝。

1.4 附著生物的分離與測定

從不同菹草植株上采集典型莖葉10g左右裝入盛有200mL無菌水的聚乙烯瓶中，每個樣品3個重復，帶回實驗室。用軟毛刷和無菌水輕輕刷洗植物表面，用顯微鏡觀察確保附著物完全刷下且莖葉表面未受損。刷洗液連同軟毛刷沖洗液一并收集，將收集的樣品定容500mL。將得到的附著物懸濁液分成四等份，兩份通過預燒和預稱重的Whatman GF/C濾膜(孔徑0.45μm)(用于干重分析)真空抽濾，另兩份通過醋酸纖維濾膜(孔徑0.45μm) (用于葉綠素a分析) 真空抽濾。附著物干重(DW)通過真空抽濾后將帶有附著物的濾膜在105℃下烘24h測定。附著物灰分重(AW)通過抽濾物在馬弗爐中550℃燃燒4h測得。附著物的無灰干重(AFDW)通過燃燒損失的質(zhì)量干重與灰分重之差計算得到，也可表示附著有機物含量[6]。附著物葉綠素 a (Chl a)采用標準方法[9]，用90%的丙酮提取，分光光度法測定。得到的結果通過植物單位干重計算。

1.5 快速光響應曲線的測定

菹草快速光響應曲線(Rapid light curves, RLCs)采用水下熒光儀Diving-PAM和數(shù)據(jù)采集軟件Wincontrol(Walz GmbH, Effeltrich, 德國)進行原位測定，測定具體操作方法參照文獻[10, 11]。

1.6 統(tǒng)計分析

采用SPSS17.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析前，對所有的數(shù)據(jù)先進行正態(tài)分布和方差齊性的假設檢驗。用單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同生長階段附著物干重、灰分重、無灰干重和葉綠素含量的差異，如果差異顯著，進一步通過Tukey HSD用單因素方差分析檢驗(P﹤0.01)。不同部位附著物干重、灰分重、無灰干重和葉綠素含量的差異亦采用上述方法。采用Origin Pro 8進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 菹草附著物特征

在菹草生命周期內(nèi)，自幼苗期，隨著菹草的生長，附著在其葉表面的附著物持續(xù)增加(圖2)，到衰亡期附著量達到最大。附著物葉綠素a含量、干重、灰分重和無灰分干重在菹草幼苗期、快速生長期、穩(wěn)定期和衰亡期均存在顯著差異(圖2)。處于穩(wěn)定期的成熟菹草，幼葉、成熟葉、衰老葉附著物量依次增加，而莖附著物量介于幼葉和成熟葉的之間。除附著物葉綠素a含量外，幼葉、成熟葉、衰老葉和莖附著物的干重、灰分重和無灰干重均存在顯著差異(圖2)。

圖2 不同生長階段菹草附著物和菹草不同部位附著物特征Fig.2 Characteristics of periphyton attached on the Potamogeton crispus during different growth period and that on the different part of Potamogeton crispusChla：葉綠素a, FADW：無灰干重free ash dry weight,AW：灰分重ash weight，DW：干重dry weight

2.2 菹草葉微界面O2的時間動態(tài)

2.1.1 生長階段顯著影響菹草葉微界面O2分布

在菹草生命周期內(nèi)，不同階段菹草葉微界面O2濃度梯度具明顯的變化(圖3)。幼苗期，菹草葉微界面O2濃度隨距葉面距離的減小而顯著增加，但增加幅度較小(葉表面O2濃度為(9.65±0.04) mg/L)；進入快速生長期，葉微界面O2濃度梯度顯著增大(葉表面O2濃度為(10.90±0.21) mg/L)；穩(wěn)定期，葉微界面O2濃度梯度隨距離減小而增加幅度最大，葉表面O2濃度達到生命周內(nèi)最大((13.16±0.40) mg/L)。衰亡期，葉微界面O2濃度增加幅度較小，但由于附著層較厚，影響了O2分布的趨勢，進入附著層后O2增加幅度顯著降低甚至出現(xiàn)了O2降低的現(xiàn)象。

2.1.2 菹草葉面O2具有明顯的晝夜變化

菹草葉表面O2存在明顯的晝夜變化，呈晝高夜低的單峰變化趨勢(圖4)。受光照和溫度的影響，白天，日出后O2濃度隨光照的增強持續(xù)升高，至15:00達到全天高峰16.68mg/L，此后O2濃度隨光照減弱持續(xù)下降，日落后，O2濃度繼續(xù)下降，至日出前5:10降至全天最低 6.01mg/L。日出后，O2濃度又持續(xù)回升。

圖3 不同生長階段菹草葉微界面氧分布 Fig.3 Oxygen concentration in micro-boundary layer around Potamogeton crispus leaves during different growth periods.Three profiles were measured in different points on P.crispus leaf.0indicates leaf surface

圖4 菹草葉表面O2晝夜變化 Fig.4 Diurnal variations of oxygen concentration on the surface of Potamogeton crispus leaves

2.2 菹草不同部位微界面O2的變化

不同部位微界面O2的分布顯著不同(圖5)。幼葉由于光合活性較弱和附著物較少，O2隨距葉面距離的減小而增加，但增加幅度相對較小，葉面O2濃度為 (11.21±0.22) mg/L。而成熟葉微界面中，O2濃度梯度增加幅度最大，進入附著層后O2增加幅度顯著降低，但由于成熟葉較強的光合活性和附著層的屏障作用，O2在附著層內(nèi)繼續(xù)增大，在葉表面O2濃度達到最大值(13.05±0.61) mg/L。衰老葉和莖微界面中，離附著物越近O2濃度越高，在附著物表面達到最大值，分別為(10.02±0.10) mg/L，(10.55±0.30) mg/L，進入附著層后，O2濃度略呈下降趨勢。去除附著物后莖葉微界面O2分布發(fā)生了明顯變化。莖葉表面O2濃度明顯降低，幼葉和成熟葉表面O2濃度分別降至11.07和12.67mg/L(圖5)。衰老葉和莖由于去除了較厚的附著物呈逐漸增加的趨勢。

圖5 菹草不同部位葉微界面氧分布Fig.5 Oxygen concentration in micro-boundary layer around different parts on Potamogeton crispus.The 0indicated macrophyte surface

3 討論

3.1 微界面O2分布的時間變化機制

作為世界廣布種的沉水植物菹草生命周期與多數(shù)水生植物不同。秋季發(fā)芽，冬春生長，4—5月開花結果，夏季6月后逐漸衰亡腐爛，同時形成石芽(冬芽)以度過不適環(huán)境。菹草的光合作用能力主要受光照、水溫及自身葉綠素含量等因素的影響?？焖俟忭憫€(RLCs)是電子傳遞速率隨光強的變化曲線，可衡量植物葉片的光合作用能力，反應實際的光合作用狀態(tài)[10, 12]。本研究中，在菹草生長的不同階段，快速光響應曲線不同(圖6a)。隨著環(huán)境溫度逐漸升高和光照增強，菹草電子傳遞速率(ETR)逐漸增加，至穩(wěn)定期達到最大。進入衰亡期，由于植物葉綠素含量降低和附著物的持續(xù)積累造成的遮蔭，使得菹草電子傳遞速率降至生命周期中的最低。菹草生命周期內(nèi)不同生長階段快速光響應曲線的變化趨勢與葉微界面O2分布的變化趨勢一致(圖3)，表明菹草光合放氧能力是影響葉微界面O2濃度的重要因素。

菹草附著物的持續(xù)積累影響了葉微界面O2濃度梯度(圖2，圖3)。在菹草的幼苗期和快速生長期(2月—4月中旬)，附著物稀疏，O2較容易向周圍環(huán)境擴散，加之菹草光合放氧能力相對較低，對微界面O2濃度梯度的影響不明顯，O2波動幅度較小(圖3)。在菹草穩(wěn)定期(4月中旬—5月上旬)，隨著水環(huán)境溫度的逐漸上升，更適宜菹草生長，菹草生物量和表面積持續(xù)增加，附著生物量持續(xù)增多，附著層增厚，使菹草葉面O2濃度波動增大(圖3)，離附著層越近，O2越高，進入附著層后，由于無機成分和好氧有機成分的存在，O2增加幅度略有降低，穿過附著層后，由于附著層的屏障作用，加之菹草光合放氧能力強，O2繼續(xù)增大，在葉表面O2濃度達到最大。此階段，沉水植物菹草借助碳酸酐酶的作用，通過光合作用等代謝活動，消耗了水中的大量可溶性無機碳(DIC)，并在葉表沉積出碳酸鈣。進入衰亡期(5月中旬—6月上旬)，菹草生長幾乎停止，莖從基部開始出現(xiàn)斷裂，葉片出現(xiàn)孔洞，附著物大量增加，葉片通過自溶作用分泌出大量的溶解性有機物[13]，促進附著藻類和菌類的附著和生長，水溫的持續(xù)升高更適合附著細菌的生長和繁殖，菹草葉面顆粒物大量積累，附著物量達到最大，附著層較厚，雖然氧不易擴散，但由于衰亡期菹草光合放氧能力極弱，O2濃度未再出現(xiàn)增加，而是略有降低。該微界面中的附著物阻礙了宿主植物對光的獲取、養(yǎng)分的吸收和氣體擴散[14-16]，長期持續(xù)的附著制約了沉水植物的生長發(fā)育[6,17-19]。

葉表面O2濃度的明顯的晝夜變化主要由光照和水溫的變化造成的(圖4)。光照和水溫的變化直接引起了菹草光合放氧能力的變化。菹草葉表O2濃度主要受菹草光合放氧速率和呼吸好氧速率的綜合影響。日出后，光照強度逐漸增強，葉面O2濃度逐漸升高。一般來說，水體中O2濃度與水溫呈反相關關系，即溫度越高，水體O2濃度越低。本研究中，并未觀測到隨水溫升高而O2濃度下降的現(xiàn)象，可能是由于光對植物放氧的影響更大，抵消了因溫度升高造成的O2濃度下降的部分。研究已發(fā)現(xiàn)菹草適宜的生長溫度為15—25℃， 適宜的光照為500—1000μmol光子 m-2s-1，在水溫20℃左右和光照強度為1000μmol光子 m-2s-1左右(光飽和點)時菹草光合作用的產(chǎn)氧量最高[20]。本研究中，在12:00—13:40，光照為923—1107μmol光子 m-2s-1，雖接近最適宜光照，但溫度已超過29℃，由于呼吸作用加強和O2溶解度降低以及向大氣放氧，因此此階段葉表O2濃度并未出現(xiàn)最高，直至15:00才出現(xiàn)峰值。此后，隨著光照的減弱，菹草光合放氧能力減弱，葉表O2濃度隨之相應降低。日落后，雖然水溫持續(xù)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，所以葉表O2濃度持續(xù)降低，至日出前降至最低值6.00mg/L。這與王錦旗等[21]研究的菹草種群內(nèi)O2濃度的晝夜變化趨勢一致。Sand-Jensen等運用Unisens Clark 微電極測定了菹草葉微界面O2的變化，發(fā)現(xiàn)越接近植物葉表O2濃度越高，且隨著光照強度增強而升高，葉微界面O2的空間分布差異明顯，6月菹草葉微界面O2濃度梯度顯著大于8月(衰亡期)[7]。Sorrell和Dromgoole亦發(fā)現(xiàn)水蘊草(Egeriadensa)莖的放氧能力亦存在晝夜差異，白天放氧能力明顯高于夜間[22]，這與本研究結果一致。

3.2 微界面O2隨空間變化的可能機理

穩(wěn)定期，菹草已處于成熟狀態(tài)，在同一株菹草上自尖端至基部同時存在幼葉、成熟葉和衰老葉，葉片大小、顏色、形態(tài)和葉面附著物具有明顯差異(圖1a)。所以可以根據(jù)葉片在植株上著生的位置來對應葉片的發(fā)育程度。幼葉、成熟葉和衰老葉光合作用能力具有顯著差異(圖6)。位于頂部的幼葉，由于光合作用能力相對較弱(圖6)，加之附著物稀疏，因此幼葉微界面O2濃度增加幅度較小(圖5)。位于中部的成熟葉光合作用能力強(圖6)，附著物也顯著增多(圖2)，葉微界面O2濃度梯度較陡，增加幅度最大(圖5)。而位于基部的衰老葉，由于生理活性的降低(圖6)和附著物厚度的增加(圖2)，離附著物表面越近葉微界面O2濃度越高，進入附著層后O2濃度增加幅度顯著下降。位于中部的莖是成熟葉著生的部位，附著物較密，但由于光合活性相對較低，因此微界面O2濃度在附著物表面達到最高，與幼葉表面的相當，進入附著層后未再繼續(xù)增加(圖a)。

一般來說，隨著植物的生長發(fā)育，附著物的密度和生物多樣性逐漸增加。在衰亡期，病原體和細菌可通過受傷的部位侵入葉表皮細胞并迅速擴展，主動地降解周圍的細胞壁。侵入的病原體分泌有機酸，破壞了葉片細胞壁的微纖維結構，被侵入細胞和相鄰細胞壁聚合物的晶格結構脆弱松散[23]。在菹草衰老葉片中，可能是附著物尤其是細菌在侵入前分泌的有機酸逐步進入葉肉和表皮，使細胞發(fā)生膨脹和解體。本研究中，去除附著物這一屏障后，微界面O2分布產(chǎn)生了明顯變化，莖葉表面O2濃度明顯降低，可能是O2擴散阻力和距離減小的緣故。因此，附著物大量而持續(xù)的附著可能加速了沉水植物衰亡和衰退[6]。而富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)鹽含量和懸浮顆粒過高可顯著增加附著物[6, 19, 24]。因此，菹草莖葉微界面O2濃度的分布可為研究水生植物生理生態(tài)和富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化提供了重要信息。

圖6 菹草不同生長階段和不同部位快速光響應曲線特征Fig.6 Characteristics of rapid light curves of Potamogeton crispus at different growing stages and that on different part of P.crispus Values with bars indicate standard deviations, n=3

3.3 光纖微電極測定沉水植物莖葉微界面的可行性評價

固體表面(沉積物、生物膜)與其周圍水之間溶解性有機分子、無機離子和氣體的交換是海洋和湖泊中重要的生物和地球化學過程[25]。界面層可限制上覆水與固體間的物質(zhì)運輸，因此影響生物過程。具明顯化學梯度的臨近活性表面的這一界面層區(qū)域通常稱為擴散界面層(Diffusive boundary layer, DBL)。相對于周圍水體，基質(zhì)內(nèi)任何物質(zhì)的凈生產(chǎn)或消耗都可在擴散界面層和基質(zhì)內(nèi)形成濃度梯度。通常來說，擴散界面層的厚度僅有幾十μm[25]至幾個mm[7]，因此能測定這一薄層內(nèi)理化變量的梯度變化而又不對這些梯度生產(chǎn)明顯的擾動的方法非常重要。早期對沉積物—水界面的氧分布或厭氧微環(huán)境的研究多是基于間接證據(jù)和理論計算[26-27]，存在較大的誤差。后來，非侵入光學分析、激光多普勒分析水流、核磁共振成像[28]和正電子成像術[29]等技術均能滿足測定微界面內(nèi)理化變量的要求，但多數(shù)具高空間分辨率的方法是基于微電極的。

近幾十年發(fā)展起來的微電極可在較小的時空尺度上測定微界面內(nèi)理化變量的空間分布且對樣品無明顯干擾。目前文獻中對光纖針式氧電極和電化學氧電極的描述相對較多[30-33]。早期利用Clark型氧微電極對菹草葉微界面[7,34]和海洋植物褐藻組織內(nèi)外的O2分布[8]進行了研究，揭示了高度動態(tài)的微環(huán)境。但由于丹麥Clark型電極在測定過程中可能發(fā)生漂移和耗氧；極化時間較長；要求流速穩(wěn)定；長期儲存可能使其穩(wěn)定性降低并引起損壞[35]；制作復雜(手工拉制)、價格昂貴和脆弱性等缺點，限制了其應用普及。而近些年德國PreSens開發(fā)的光纖氧微電極是一種研究微界面的理想工具，可在較小時空尺度上研究微環(huán)境中氧的變化。與Clark型電極相比，具有如下優(yōu)點：1)具有較高的時間(t90<3s)和空間(<50μm)分辨率，可測定氣相和液相中的氧，電極本身不耗氧；2)可在比傳統(tǒng)方法更大的溫度范圍內(nèi)測定；3)較短的預熱時間足可得到可靠的數(shù)據(jù)；4)信號穩(wěn)定，不受H2S、CO2和其他相關化學因子的影響；5)對待測樣品無干擾，可原位測定；6)機械穩(wěn)定性好，可長期保存，價格相對低廉[36-37]。光纖氧電極、溫度電極和pH微電極已成功應用于沉積物、動物和植物組織等微環(huán)境研究[35-36, 38]。光纖氧電極在水環(huán)境中多用于沉積物、微生物墊和根際中O2梯度的測定[4,39-41]。本研究將光纖氧微電極成功拓展到沉水植物莖葉微界面研究上，揭示了菹草莖葉微界面內(nèi)(2mm) O2濃度的時空變化，證明了富營養(yǎng)化水體中沉水植物莖葉微界面是一個高度動態(tài)的微環(huán)境。結果表明光纖氧微電極是一種研究沉水植物莖葉微界面O2分布的理想工具。

4 結論

(1)菹草葉微界面O2分布具有明顯的生長階段變化和晝夜變化。不同生長階段微界面O2濃度梯度變化主要受植物光合作用能力和附著物的影響。葉表面O2濃度顯著的單峰晝夜變化主要受光照和溫度的影響。

(2)菹草不同部位莖葉微界面O2分布具有明顯的差異。這種差異主要受植物生理活性和附著物的綜合影響。

(3)光纖氧微電極是一種測定沉水植物莖葉微界面O2分布的理想工具，可在較高的精度上揭示微環(huán)境中O2濃度梯度的時空變化。

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Micro-optode analysis of the spatio-temporal dynamics of O2in the micro-boundary layer aroundPotamogetoncrispusleaves and stems

DONG Bin1,2, HAN Ruiming1,WANG Guoxiang1,*, MAO Lina1, JI Feng1, MA Jie1

1CollegeofGeographicalScience,NanjingNormalUniversity,JiangsuKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,Nanjing210023,China2CollegeofResourceandEnvironment,LinyiUniversity,Linyi276000,China

Submerged macrophytes constitute an important natural component in shallow aquatic ecosystems.The submersed aquatic plants are characterized by leaf morphology with a high area-to-volume ratio and a thin cuticula, which facilitates a rapid exchange of gases between the plants and bulk water.The micro-boundary layer around the submerged macrophyte surface plays a significant ecological role in plant growth and nutrient transformation in the aquatic environment.Potamogetoncrispusis one of the dominant species in eutrophic shallow lakes in China, and oxygen (O2) is the key parameter shaping the oxidation-reduction heterogeneous microenvironment around submerged plants.Thus, the characterization of the O2microgradients in the micro-boundary layer around submerged macrophytes is of particular interest.Using micro-optodes, O2in the micro-boundary layer aroundP.crispusleaves and stems was investigated across different growing stages at various leaf positions relating to diurnal variations.The periphyton and rapid light curves were measured by conventional methods and the pulse amplitude modulated fluorometer (Diving-PAM), respectively.Results showed that significant spatio-temporal variations in O2concentration gradients existed in the micro-boundary layer aroundP.crispusleaves.In the vertical direction from the stem/leaf surface, the O2concentration in the micro-boundary layer increased markedly with decreasing distance from the surface of leaf/stem and peaked at the leaf/stem surface.At the temporal scale, O2concentration in the micro-boundary layer varied significantly among different growing stages within the entire life cycle.The fluctuation in O2concentrations in the micro-boundary layer was the lowest during seedling stages (9.08—9.65mg/L) while its amplitude peaked (9.28—13.16mg/L) at stable growing stages.However, O2gradients markedly differentiated spatially at declining stages, and O2concentrations decreased significantly relative to that of stably growing stages.The O2concentration at the surface of the leaf displayed diurnal variations with a significant unimodal pattern.The O2concentration increased gradually and reached the maximum of 16.68mg/L at 15:00, and then decreased with the decreasing light intensity.The O2concentration dropped rapidly after sunset and reached the minimum of 6.01mg/L at 05:10.The O2concentration was effected mainly by light and water temperature during the diurnal cycle.At the spatial scale, marked differences in the O2concentration were observed in the micro-boundary layer of leaves at different parts of individual plants.O2concentrations in the micro-boundary layer around young leaves at the shoot apex fluctuated slightly, while those of the mature leaves at the middle shoot were steep, with the greatest amplitude of fluctuation.However, O2concentrations in the micro-boundary layer around stems at the middle shoot and around senescent leaves at the basal shoot maximized at the surface of periphyton which possessed higher dense, and declined slightly when entering the periphyton layer.In conclusion, among different growing stages, O2concentration gradients in the micro-boundary layer aroundP.crispusleaves and stems were mainly affected synergistically by the photosynthetic capability and the attached periphyton.However, among different positions on individual plants, O2in the micro-boundary layer was mainly affected synergistically by plant physiological characteristics and the periphyton.The micro-optodes are ideal oxygen microsensors for investigating the micro-boundary layer around submerged macrophytes for fine spatial (<50μm) and temporal (s) resolutions.This study provides methods for better understanding the ecological role of the micro-boundary layer around submersed macrophytes and for verifying the processes within the micro-boundary layer for regulating nutritional cycling in eutrophic waters.

micro-boundary layer;micro optode;Potamogetoncrispus;oxygen;periphyton;spatio-temporal dynamics

國家自然科學基金(41173078);江蘇省太湖水環(huán)境治理專項基金(TH2012304);江蘇省自然科學基金青年基金(BK20140922)

2014-06-10; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201406101195

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangguoxiang@njnu.edu.cn

董彬，韓睿明，王國祥，毛麗娜，冀峰,馬杰.菹草莖葉微界面O2時空動態(tài).生態(tài)學報,2015,35(24):8202-8210.

Dong B, Han R M,Wang G X, Mao L N, Ji F, Ma J.Micro-optode analysis of the spatio-temporal dynamics of O2in the micro-boundary layer aroundPotamogetoncrispusleaves and stems.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8202-8210.