典型沉水植物莖葉微界面特性及其生態(tài)效應(yīng)

1、典型沉水植物莖葉微界面特性及其生態(tài)效應(yīng) 沉水植物莖葉微界面因其特殊的結(jié)構(gòu)組成在富營養(yǎng)化水體中具有重要的生 態(tài)作用。以典型沉水植物莖葉微界面為研究對象 , 綜合利用掃描電鏡技術(shù)、高分 辨率微電極測定技術(shù)、微量化學(xué)分析技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)等 , 分析了微界面結(jié) 構(gòu)、組成、時空特征、影響因素及其生態(tài)效應(yīng)。揭示了典型沉水植物莖葉微界面結(jié)構(gòu)的時空變化規(guī)律 , 探明了典型沉水植物 莖葉微界面的生態(tài)效應(yīng)及其對水體氮素轉(zhuǎn)化的調(diào)控功能。 為科學(xué)利用沉水植物的 生態(tài)調(diào)控功能改善水體環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)支撐。本研究主要結(jié)果如下 :(1) 沉水植物微界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,異質(zhì)性高 ,生態(tài)環(huán)境意 義重大。附著物是微界面的重要物質(zhì)

2、組成部分 , 是細(xì)菌、藻類、基質(zhì)等聯(lián)合構(gòu)成 的附著生物碳酸鹽粘液復(fù)合體 , 由附著層、真正擴(kuò)散邊界層和過渡邊界層構(gòu) 成,主要由附著藻類、 原生動物、微生物、泥沙、鈣化質(zhì)顆粒及無機(jī)碎屑等組成。擴(kuò)散邊界層(DBL)厚度為1062-1202卩m,主要受附著物厚度和植物生長狀況的影響。附著物以無機(jī)成分為主(主要以CaCO3為主),占附著物總量的76.59%-83.38%;附著物的養(yǎng)分含量豐富，附著物TOC和TN含量分別為75.29-106.99 g kg-1和2.43-7.01 g kg-1,可為附著生物提供豐富的基質(zhì)。(2) 沉水植物微界面具明顯的時空特征?？臻g上 , 在垂直范草 (Potamoge

3、toncrispus)莖葉表面方向，距莖葉表面越近,02和pH越高,ORP越低。成熟葉微界面O2 pH和ORP弟度波動幅度最大，衰老葉的最小，這種差異主 要受植物生理活性和附著物的綜合影響。時間上 , 隨植物生長和附著物的積累 , 微界面O2pH和ORP變化幅度逐漸增大，穩(wěn)定期葉微界面O2濃度和pH梯度隨距 離減小而增加幅度最大，ORP降低幅度達(dá)到最大，葉微界面O2濃度和pH達(dá)到生命 周期內(nèi)最大(葉面02濃度為401.3卩mol L-1 pH為8.37),ORP則降至生命周期內(nèi)最低 (428.51 mv) 。菹草葉表面02濃度受光照和溫度的影響呈晝高夜低的單峰變化。附著物隨 菹草生長持續(xù)增加

4、, 至衰亡期達(dá)到最大。微界面02和pH分布與微界面結(jié)構(gòu)組成存在線性正相關(guān)關(guān)系,微界面ORP與 微界面結(jié)構(gòu)組成存在線性負(fù)相關(guān)關(guān)系 , 對水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化具有重要 意義。 (3) 水體營養(yǎng)鹽負(fù)荷、底質(zhì) ( 沉積物 ) 、光照和生境是影響沉水植物微界面 結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。隨著湖泥比例的增大,苦草(Vallisneria natans)微界面附著物顯著增加,S5(全部為湖泥)的最高,S1(全部為粘土)的最低。沉水植物對光強(qiáng)快速轉(zhuǎn)換響 應(yīng)迅速 , 在葉微界面形成了高度動態(tài)的微環(huán)境。隨著光照強(qiáng)度逐漸增加，葉微界面O2濃度梯度和增加幅度均顯著增大，植物 的光合作用速率、光合放氧能力、葉表 02濃

5、度和DBL厚度明顯增加。水體營養(yǎng) 鹽負(fù)荷、底質(zhì)(沉積物)和生境通過影響附著物組成、 數(shù)量和植物生長影響微界面 的結(jié)構(gòu)和厚度 , 光照通過影響植物光合放氧過程影響微界面厚度。(4) 植物種類影響沉水植物微界面結(jié)構(gòu)。馬來眼子菜 (Potamogetonmalaianus)葉微界面O2濃度和pH增加幅度最大，波動最明顯，葉表O2濃度和pH 最高 , 菹草的其次 , 苦草的最小 , 這與植物的光合作用能力和附著物厚度有關(guān)。不同物種沉水植物微界面附著物存在明顯差異。 附著藻類的總密度、 平均生 物量和附著動物均以菹草的最大 ,苦草的居中,馬來眼子菜的最小。而附著物厚度、附著物干重、無灰干重、灰分重、葉綠

6、素a含量、TOC含量和DBL厚度均以菹草的最大,馬來眼子菜的居中,苦草的最小。但附著物TN和TP 以馬來眼子菜的最高 (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) 沉水植物生長使莖葉微界面結(jié)構(gòu)分異增加。馬來眼子菜莖、葉和苦草葉 微界面02濃度和pH均隨著生長進(jìn)入旺盛期而逐漸增大，空間差異逐漸加大，垂直 莖、葉表面方向自莖、葉向外逐漸減小 ; 進(jìn)入衰亡期 , 出現(xiàn)相反的變化趨勢。0RP垂直莖、葉表面方向自莖、葉向外逐漸增大，馬來眼子菜莖、葉微界面 和苦草葉微界面0RP均隨著植物生長逐漸減小，空

7、間差異逐漸增大；進(jìn)入衰亡期, 微界面0RP降低的幅度明顯減小。在整個生長季節(jié)，附著物持續(xù)增加，附著層持續(xù) 增厚, 至12月達(dá)到最大。在生長期 , 主要受植物的影響 , 附著物由于比較稀疏 , 影響不明顯。在衰亡期 , 由于植物生理活性的降低和附著物的持續(xù)積累增厚 ,微界面02 pH和0RF的分布 主要受附著物的影響。(6) 沉水植物微界面具有降低植物光合作用和促進(jìn)水體氮轉(zhuǎn)化的生態(tài)效應(yīng)。 微界面附著物增加了 02的波動和擴(kuò)散阻力 ,明顯降低了微界面氧通量。幼苗期、成熟期和衰老期具附著物的馬來眼子菜葉ETRmax(23.70卩molm-2 s-' 32.50 卩 mol m-2 s-1 和 9.50 卩 mol m-2 S-1)顯著低于去除附著 物葉片的(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), 表明附著物密集的馬來眼子菜葉片的光合作用能力低于去除附著物的葉片 , 附著 物可降低植物的光合作用 ,制約沉水植物的生長發(fā)育 ,促進(jìn)植物提前衰亡。 微界面 附著生物反硝化作用可觀，附著生物的反硝化作用速率為 33.35-40.12卩 mol m-2 - h-1湖泊單位面積，可與沉積物的相