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

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

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

 

摘要

摘要闡述了研究調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毫米范圍內下降，而Eh上升。隨著苦草生長，O2和pH逐漸增加，在穩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響應苦草生命周期呈單峰模式，峰值在穩定生長階段，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，在富營養化水體中誘導了O2濃度、pH和Eh的陡峭梯度。

 

研究目的

研究目的是調查沉水植物生長階段如何影響擴散邊界層（DBL）中的微環境變量，如O2、pH和Eh微剖面，并探討附生生物-植物關聯的精細結構。旨在揭示植物生命周期對DBL微環境動態的影響，以理解DBL在富營養化水體中的生態功能，特別是對營養循環的調控機制。

 

研究思路

研究思路包括從中國南四湖微山湖區采集苦草根莖和沉積物，在溫室中培養苦草幼苗，移植到桶中模擬富營養化水體條件。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。數據通過統計方法（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。

 

測量的數據及研究意義

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。數據來自圖1和圖3。研究意義是直接量化DBL微環境梯度，揭示植物生長階段對氧氣產生、酸堿度和氧化還原電位的動態影響，為理解植物-微生物相互作用提供基礎。

 

 

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。數據來自表1。研究意義是評估附生生物積累與植物生長的關系，表明附生生物量增加可能影響DBL結構和營養循環。

 

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。數據來自圖2。研究意義是關聯植物光合活性與微環境變化，證明光合能力驅動O2和pH梯度。

 

 

結論

1. 苦草生長階段顯著影響DBL微環境，O2和pH呈單峰模式，在穩定生長階段最高，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動：穩定生長階段光合能力最強，附生生物厚，導致O2和pH梯度陡峭；衰退階段植物活性下降，附生生物主導微環境。

3. DBL厚度和復雜性隨植物生長增加，可能阻礙物質運輸，影響植物生長和營養循環。

4. 研究強調了植物生命周期在富營養化水體微環境調控中的重要性，為水生植物管理和生態修復提供見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微傳感器（如O2微電極、pH和Eh微電極）測量微剖面數據具有重要研究意義。這些傳感器提供高分辨率、實時的O2、pH和Eh梯度數據，精度達微米級，使能直接觀測擴散邊界層內的微觀變化。在本研究中，Unisense電極數據揭示了苦草葉片表面0-2毫米范圍內的陡峭環境梯度，證實了植物光合作用和附生生物活動對微環境的塑造作用。例如，O2濃度在葉片表面最高，隨距離增加而下降，反映了光合產氧和呼吸耗氧的平衡；pH變化關聯碳酸鹽系統和光合碳吸收；Eh梯度指示氧化還原狀態變化。這些數據幫助量化了植物生長階段對微環境的影響，驗證了DBL在營養循環中的關鍵角色。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電極數據為水生生態微環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。