Oxygen, pH, and Eh microprofiles around submerged macrophyte Vallisneria natans response to growing stages

沉水植物苦草周圍氧氣、pH和Eh微剖面對其生長階段的響應(yīng)

來源：IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 82, 2017, Article ID 012026

《IOP會議系列：地球與環(huán)境科學》，第82卷，2017年，文章編號012026

 

摘要

摘要闡述了研究調(diào)查了沉水植物苦草在不同生長階段的附生生物特性、氧氣（O2）、pH和Eh微剖面。結(jié)果表明，在苦草生長期間，O2濃度和pH在葉片表面0-2毫米范圍內(nèi)下降，而Eh上升。隨著苦草生長，O2和pH逐漸增加，在穩(wěn)定生長階段達到峰值，而Eh下降。在衰退階段，O2和pH逐漸下降，Eh上升。總體，O2和pH響應(yīng)苦草生命周期呈單峰模式，峰值在穩(wěn)定生長階段，谷值在快速生長和衰退階段。研究表明，苦草生長通過增加擴散邊界層厚度、植物光合能力和附生生物量，在富營養(yǎng)化水體中誘導(dǎo)了O2濃度、pH和Eh的陡峭梯度。

 

研究目的

研究目的是調(diào)查沉水植物生長階段如何影響擴散邊界層（DBL）中的微環(huán)境變量，如O2、pH和Eh微剖面，并探討附生生物-植物關(guān)聯(lián)的精細結(jié)構(gòu)。旨在揭示植物生命周期對DBL微環(huán)境動態(tài)的影響，以理解DBL在富營養(yǎng)化水體中的生態(tài)功能，特別是對營養(yǎng)循環(huán)的調(diào)控機制。

 

研究思路

研究思路包括從中國南四湖微山湖區(qū)采集苦草根莖和沉積物，在溫室中培養(yǎng)苦草幼苗，移植到桶中模擬富營養(yǎng)化水體條件。每月測量苦草生長指標，包括O2、pH和Eh微剖面（使用微傳感器）、附生生物特性（干重、灰重、無灰干重、葉綠素a含量和厚度）以及快速光曲線（RLC）。微剖面測量使用丹麥Unisense微傳感器，在控制光強下進行，附生生物從葉片刮取分析。數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計方法（如單因素方差分析和Tukey HSD檢驗）處理，以比較不同生長階段的差異。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. O2、pH和Eh微剖面：使用微傳感器測量葉片表面以上不同距離（0-2毫米）的O2濃度、pH和Eh值，顯示隨生長階段變化。數(shù)據(jù)來自圖1和圖3。研究意義是直接量化DBL微環(huán)境梯度，揭示植物生長階段對氧氣產(chǎn)生、酸堿度和氧化還原電位的動態(tài)影響，為理解植物-微生物相互作用提供基礎(chǔ)。

 

 

2. 附生生物特性：測量附生生物的干重（DW）、無灰干重（AFDW）、灰重（AW）、葉綠素a含量和厚度，顯示從6月到12月逐漸增加。數(shù)據(jù)來自表1。研究意義是評估附生生物積累與植物生長的關(guān)系，表明附生生物量增加可能影響DBL結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)循環(huán)。

 

3. 快速光曲線（RLC）：測量苦草葉片的光合電子傳輸速率（ETR），顯示光合能力隨生長階段變化，峰值在9月。數(shù)據(jù)來自圖2。研究意義是關(guān)聯(lián)植物光合活性與微環(huán)境變化，證明光合能力驅(qū)動O2和pH梯度。

 

 

結(jié)論

1. 苦草生長階段顯著影響DBL微環(huán)境，O2和pH呈單峰模式，在穩(wěn)定生長階段最高，快速生長和衰退階段較低；Eh變化相反。

2. 微剖面變化由植物光合能力和附生生物量共同驅(qū)動：穩(wěn)定生長階段光合能力最強，附生生物厚，導(dǎo)致O2和pH梯度陡峭；衰退階段植物活性下降，附生生物主導(dǎo)微環(huán)境。

3. DBL厚度和復(fù)雜性隨植物生長增加，可能阻礙物質(zhì)運輸，影響植物生長和營養(yǎng)循環(huán)。

4. 研究強調(diào)了植物生命周期在富營養(yǎng)化水體微環(huán)境調(diào)控中的重要性，為水生植物管理和生態(tài)修復(fù)提供見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微傳感器（如O2微電極、pH和Eh微電極）測量微剖面數(shù)據(jù)具有重要研究意義。這些傳感器提供高分辨率、實時的O2、pH和Eh梯度數(shù)據(jù)，精度達微米級，使能直接觀測擴散邊界層內(nèi)的微觀變化。在本研究中，Unisense電極數(shù)據(jù)揭示了苦草葉片表面0-2毫米范圍內(nèi)的陡峭環(huán)境梯度，證實了植物光合作用和附生生物活動對微環(huán)境的塑造作用。例如，O2濃度在葉片表面最高，隨距離增加而下降，反映了光合產(chǎn)氧和呼吸耗氧的平衡；pH變化關(guān)聯(lián)碳酸鹽系統(tǒng)和光合碳吸收；Eh梯度指示氧化還原狀態(tài)變化。這些數(shù)據(jù)幫助量化了植物生長階段對微環(huán)境的影響，驗證了DBL在營養(yǎng)循環(huán)中的關(guān)鍵角色。此外，Unisense電極的高靈敏度允許檢測微小變化，如快速生長與穩(wěn)定生長階段的差異，提升了研究的準確性和可靠性。總體，Unisense電極數(shù)據(jù)為水生生態(tài)微環(huán)境研究提供了可靠工具，推動了對植物-微生物相互作用的深入理解。