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2、結(jié)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(zhǎng)，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(dá)到最大。附著物葉綠素a含量、干重、灰分重和無(wú)灰分干重在菹草幼苗期、快速生長(zhǎng)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(wú)灰干重均存在顯著差異(圖2)。
圖2不同生長(zhǎng)階段菹草附著物和菹草不同部位附著物特征
2.2菹草葉微界面O2的時(shí)間動(dòng)態(tài)
2.1.1生長(zhǎng)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(jìn)入快速生長(zhǎng)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(dá)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(shì)，進(jìn)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(shì)(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(qiáng)持續(xù)升高，至15:00達(dá)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(zhǎng)階段菹草葉微界面氧分布
圖4菹草葉表面O2晝夜變化
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(duì)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(jìn)入附著層后O2增加幅度顯著降低，但由于成熟葉較強(qiáng)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(dá)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(dá)到最大值，分別為(10.02±0.10)mg/L，(10.55±0.30)mg/L，進(jìn)入附著層后，O2濃度略呈下降趨勢(shì)。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(shì)。
圖5菹草不同部位葉微界面氧分布
3、討論
3.1微界面O2分布的時(shí)間變化機(jī)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(zhǎng)，4—5月開(kāi)花結(jié)果，夏季6月后逐漸衰亡腐爛，同時(shí)形成石芽(冬芽)以度過(guò)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。快速光響應(yīng)曲線(RLCs)是電子傳遞速率隨光強(qiáng)的變化曲線，可衡量植物葉片的光合作用能力，反應(yīng)實(shí)際的光合作用狀態(tài)。本研究中，在菹草生長(zhǎng)的不同階段，快速光響應(yīng)曲線不同(圖6a)。隨著環(huán)境溫度逐漸升高和光照增強(qiáng)，菹草電子傳遞速率(ETR)逐漸增加，至穩(wěn)定期達(dá)到最大。進(jìn)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(zhǎng)階段快速光響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)與葉微界面O2分布的變化趨勢(shì)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(zhǎng)期(2月—4月中旬)，附著物稀疏，O2較容易向周圍環(huán)境擴(kuò)散，加之菹草光合放氧能力相對(duì)較低，對(duì)微界面O2濃度梯度的影響不明顯，O2波動(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)增大(圖3)，離附著層越近，O2越高，進(jìn)入附著層后，由于無(wú)機(jī)成分和好氧有機(jī)成分的存在，O2增加幅度略有降低，穿過(guò)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(qiáng)，O2繼續(xù)增大，在葉表面O2濃度達(dá)到最大。此階段，沉水植物菹草借助碳酸酐酶的作用，通過(guò)光合作用等代謝活動(dòng)，消耗了水中的大量可溶性無(wú)機(jī)碳(DIC)，并在葉表沉積出碳酸鈣。
進(jìn)入衰亡期(5月中旬—6月上旬)，菹草生長(zhǎng)幾乎停止，莖從基部開(kāi)始出現(xiàn)斷裂，葉片出現(xiàn)孔洞，附著物大量增加，葉片通過(guò)自溶作用分泌出大量的溶解性有機(jī)物，促進(jìn)附著藻類和菌類的附著和生長(zhǎng)，水溫的持續(xù)升高更適合附著細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，菹草葉面顆粒物大量積累，附著物量達(dá)到最大，附著層較厚，雖然氧不易擴(kuò)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(duì)光的獲取、養(yǎng)分的吸收和氣體擴(kuò)散，長(zhǎng)期持續(xù)的附著制約了沉水植物的生長(zhǎng)發(fā)育。
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(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，葉面O2濃度逐漸升高。一般來(lái)說(shuō)，水體中O2濃度與水溫呈反相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，水體O2濃度越低。
本研究中，并未觀測(cè)到隨水溫升高而O2濃度下降的現(xiàn)象，可能是由于光對(duì)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(zhǎng)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(qiáng)度為1000μmol光子m-2s-1左右(光飽和點(diǎn))時(shí)菹草光合作用的產(chǎn)氧量最高。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(guò)29℃，由于呼吸作用加強(qiáng)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(yīng)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。這與王錦旗等研究的菹草種群內(nèi)O2濃度的晝夜變化趨勢(shì)一致。Sand-Jensen等運(yùn)用Unisens Clark微電極測(cè)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(qiáng)度增強(qiáng)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)。Sorrell和Dromgoole亦發(fā)現(xiàn)水蘊(yùn)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，這與本研究結(jié)果一致。
光纖氧微電極揭示菹草葉微界面O2分布、濃度梯度的時(shí)空變化（一）
