湖泊水动力对水生植物的机械作用及其在植被分布中的影响机制

Hydrodynamics from water currents may limit aquatic vegetation plant establishment, but the mechanical constrains on the ability of organisms to occupy ecological nich and the heterogeneity of vegetation community structure in large lakes are still unclear. This project will use a self-designed in situ device to observe the wave stress on aquatic vegetation. Considered factors for the observation include wave height, plant part, biomass and distance of canopy to water surface, and the relationship between hydraulic forces and these factors will be analyzed. Biomechanical properties of aquatic plants will be studied in laboratory with a testing machine to determine the breaking force of roots, stems, leaves and other important parts for each species. Furthermore to identify the fragile parts and the relationship between plant growth phase and mechanical resistance. Based on the comparative analysis of hydrodynamic stress and mechanical resistance of aquatic plants, and the GIS spatial overlap analysis of vegetation distribution, furthermore to explicate the mechanical effect of hydrodynamics on aquatic vegetation in lakes. The study of this project will provide useful information for aquatic plant restoration and plant community structure management in lake ecosystems.

水动力作为植被恢复的关键限制性因子，其对水生植物的机械作用及植被分布空间差异的动力机制是当前迫切需要关注的科学问题。本项目以太湖水生植物为研究对象，利用水生植物受力原位监测装备与方法专利技术，开展波浪作用下不同水生植物受力原位观测和极端受力观测以及风场、波浪的同步观测，建立湖泊中植物受力与植物株高、生物量、冠层所处水深及风浪波高、波周期等要素的定量关系；利用测力装置对植株根、茎、叶等关键部位及其连接处的断裂应力进行室内测定，识别各物种易受损器官以及植物机械抗性与其生长期的关系；基于水生植物受力特征与机械抗性对比分析，及其与植被分布的GIS空间叠合分析，揭示湖泊水动力对水生植物的机械作用及其在植被分布中的影响机制，为湖泊水生植被修复和群落结构优化提供理论依据和技术参数。

在目前我国湖泊水生植被保护与修复受到高度重视，并成为改善湖泊水质核心任务和手段的形势下，研究水动力对水生植物的机械作用，不但有利于加深对湖泊水生植物空间分布动态演变规律的认识，还能为湖泊水生植被恢复提供关键参数。. 本项目通过水生植物机械抗性测定以及植被与波浪强度的空间分布特征研究，探讨了太湖不同沉水植物在风浪作用下的受力特性，获取了各物种及其不同部位的机械抗性参数，研究了水动力对水生植物的机械作用及其在太湖植被空间分布中的影响机制。. 研究发现水生植物机械抗性在各物种间具有一定的差异。茎基拉力抗性变化范围1.23~18.16N，马来眼子菜断裂应力最大，拉力抗性最强，其次是大茨藻，金鱼藻茎基拉力抗性最小；茎中断裂应力变化范围0.78~10.39N，最大和最小断裂应力均低于茎基，其中马来眼子菜茎中断裂应力最大，其次是茎中直径较粗的狐尾藻，剩余的物种茎中断裂应力急剧下降；茎顶端断裂应力变化范围0.64~10.12N，马来眼子顶端茎断裂应力明显高于其他受试物种；苦草叶基抗性最大，断裂应力为6.6N，明显高出其他受试物种，其次是马来眼子菜和狐尾藻，为1.27N和0.74N。各物种对波浪表现出不同的敏感性，由于机械抗性较弱，苦草、轮叶黑藻在不同季节对波浪强度都比较敏感，为随波浪强度增加会迅速减少。对波浪强度次为敏感的是狐尾藻，在不同季节均与波浪强度负相关，尤其是秋季。马来眼子菜由于自身较强的机械抗性，对波浪响应相对较小，但在风浪较强区域其将损失更多的叶片，减少被连根拔起或从根基断裂的风险。上述物种的机械抗性特征，一定程度上决定其不能在风浪较强的开阔水域存活，只能分布在湖湾内或近岸水域。