富营养化湖泊沉水植被重要功能群衰退的胁迫反馈机制研究

Submersed macrophytes play irreplaceable roles in e.g. maintaining a clear-water state of shallow lake ecosystems. However, aquatic plants always heavily decline in hypereutrophic lakes, further accelerating the deep degradation and dysfunction of aquatic ecosystem. Eutrophication is considered as the main responsible for the decline, but the driving processes and effects are of space-time complexity and coactions in eutrophic lakes. At present, its complex recession mechanism is still not truly revealed, which limits the success in ecological restoration of damaged lakes. In the present study, the main stressors e.g. low light, high ammonia, hypoxia and sulfide in the eutrophic waters, were all employed in laboratory as to explore the driving mechanism of decline in plant function groups. It will be the first time to study the combined effects of these four stressors on the growth, biomass allocation, clonal propagation, C-N metabolism and antioxidative action of Vallisneria natans L., a dominate submersed macrophyte along the middle and lower reaches of the Yangtze River, under the condition of high water level. It's in favor of uncovering the driving mechanism of the population decline and stress feedback of the important submersed plant in eutrophic lakes in physiological ecology. And it can be the scientific foundation and theoretical basis for deep restoration and treatment of the Chinese eutrophic lakes in the future.

在浅水湖泊生态系统中沉水植被在维持湖泊清水稳态等方面具有不可替代的重要作用，但重富营养化湖泊中水生植被往往出现大面积衰退，加速水生态系统的深度退化和功能失调。水体富营养化被认为是沉水植物衰退的主要原因，但沉水植物衰退驱动作用具有时空和交互的复杂性，目前对其衰退机制的认识仍不全面，这也制约着受损湖泊的生态修复成功推进。本研究针对富营养化水体主要胁迫因子（低光、高氨氮、低氧和硫化物），拟开展多胁迫因子驱动沉水植物衰退的室内模拟研究。首次探索这四个主要富营养化相关因子在高水位条件下对长江中下游优势沉水植物苦草（Vallisneria natans L.）的生长、分配、克隆繁殖、碳氮资源代谢和抗氧化生理等的综合胁迫效应和动态胁迫规律，以从生理生态学角度揭示在富营养化湖泊水体中重要沉水植物功能群衰退的驱动机制以及胁迫反馈机制，来为我国富营养化湖泊深度修复与治理提供科学基础和理论依据。

为探索并揭示富营养化浅水湖泊中沉水植被的衰退机制，解析典型沉水植物—苦草对主要环境因子的胁迫机制。硫作为湖泊富营养化进程中的关键元素之一，是湖泊中重要功能群沉水植被大面积衰退的另一重要驱动力，然而目前的研究对其潜在机理的认识依然有限。本研究首次分析了不同浓度硫化物对苦草生长与C-N生理代谢的影响，并对另外两个关键胁迫因子（高铵和低光）开展复合胁迫研究，主要结论如下：.1．当硫化物浓度低于0.1 mM时，有利于促进苦草生物量的累积、资源型碳水化合物如SC的合成以及光合作用的进行。当硫化物浓度高于0.1 mM时，会对苦草株重产生严重胁迫效应，影响植物生长发育；通过阻断叶绿素（a+b）的合成而使叶片光合作用过程受阻；强烈扰乱苦草体内C-N生理代谢过程，使FAA与SC含量急剧下降。另外，高浓度硫化物处理组内苦草出现根部发黑腐烂，植物叶片脱绿变黄甚至死亡等一系列硫中毒症状。这与富营养化湖区生态修复工程实践失败所发现的症状相似。.2．急性胁迫试验研究中，低光、高铵与硫化物及其交互作用均能对苦草的生长、光合作用以及C-N代谢产生胁迫效应，且硫化物是主效急性因子。1~5 mM浓度硫化物能在短时间内强烈抑制苦草光合作用的进行并导致C-N代谢紊乱甚至毒害致死。苦草在此逆境条件下会因糖类的库存被耗尽且无法短时间补给而难以存活。另外，高铵能促进高浓度硫化物对苦草的抑制作用，而遮光会减弱硫化物、高铵的毒害效应。.3．32d亚急性胁迫试验研究表明，苦草的生长与代谢除了受高铵态氮浓度与低光的影响外，还受到高浓度硫化物的极显著影响，同时各因素之间还表现出不同程度的交互作用。硫化物对苦草叶片和根部鲜重、根系长度影响极显著，其次为低光与高铵态氮。硫化物对叶绿素（a+b）浓度影响最强，其次为光照强度与铵态氮浓度。苦草叶片与根系FAA含量、叶片SC含量受到硫化物、低光和高铵三个因子及其两两交互作用的极显著影响，苦草叶片淀粉含量受硫化物和光照强度与铵态氮的交互作用的极显著影响。