浅水湖泊沉水植物、附着藻类和螺类之间的相互关系及其对热浪的响应

Aquatic plants are the key community for the health of the shallow lake ecosystem. With the stress of eutrophication, the decay or disappearance of aquatic plants, especially submerged macrophytes, happened in many shallow lakes in a global scale. Macrophyte-epiphyton-snail complexity is considered as one of the most important positive feedback that submerged macrophyte use to maintain the clear state in shallow lakes, but the role of the complexity described above in different climate regions or in different submerged macrophyte communities is still highly debated according to the recent studies. More frequent extreme events like heat wave were expected under the warmer future, but the responses of macrophyte-epiphyton-snail complexity to heat wave are still unknown. Here, we choose several common species of submerged macrophytes and their epiphytic algae and snails in shallow lakes in China, run a more systematic investigation on the relationship of macrophyte, epiphyton and snails in natural lakes, summarize the connection between macrophyte-epiphyton-snail complexity and environmental factors, verify the trend of the complexity structure changes under different water nutrient levels and its responses to the heat wave in the experimental lakes, evaluate the effects of climate change, especially heat wave, on macrophyte-dominated clear lake ecosystem by using a PCLake model, and therefore provide the theoretical guides for lake and macrophyte restoration in a future of global climate change.

水生植物是湖泊生态系统健康运转的关键生物类群，水生植物特别是沉水植物对维持湖泊清水稳态具有重要的作用。在水体富营养化的胁迫下，沉水植物衰退和消失的现象在世界范围内都普遍出现。沉水植物-附着藻类-螺类复合体作为沉水植物维持清水稳态重要的正反馈之一，它在不同气候区域和不同的沉水植物优势群落中所起的作用有所不同，而现有的研究结果之间还存在许多分歧。在全球变化的背景下，极端气候事件如热浪将越来越频繁地出现，而浅水湖泊中沉水植物、附着藻类和螺类之间相互关系对热浪的响应至今仍不明确。本项目以中国浅水湖泊中十几种常见沉水植物、附着藻类和螺类为对象，系统地研究沉水植物-附着藻类-螺类复合体与环境因子的关系，结合人工模拟系统中不同富营养化程度下该复合体对热浪事件的的响应特征，并利用模型评估热浪对草型湖泊清水稳态的影响，从而为在全球气候变化背景下的水体富营养化治理、水生植被恢复提供理论指导。

气候变化显著地影响着水生生态系统。气候变化的表征除了均温的升高，还有极端气候事件的频发，如热浪、极端降雨等。本项目基于受控实验体系研究了极端气候事件对沉水植物及其附着藻的影响，并评估了其他环境因子（如螺类）对沉水植物-附着藻类的影响。研究结果表明均温的增加显著地改变了水生生态系统的初级生产者如沉水植物、附着藻类和丝状藻类等。通过氮同位素示踪还发现沉水植物和丝状藻类是氮循环的主要生物组分，其氮周转速率约为一个月。受控实验还表明热浪对沉水植物的影响显著强于均温的升高，但热浪对附着藻类的影响存在时间依赖性，在不同时间尺度上效应不同。极端降雨事件会同时引发水位的骤增和营养的脉冲式输入，实验结果表明极端水位/营养变化对沉水植物为主导的清水系统影响较小，特别是在清水系统中螺类与附着藻类并无显著的正相关和负相关，显示上行或下行效应间的权衡。同时，本研究还在寡营养条件下开展受控实验研究螺类对沉水植物的直接取食作用，研究结果表明沉水植物对螺类的直接取食具有显著的物种特异性，如狐尾藻在螺类取食后产生更多的分株，而极易被螺类取食的龙舌草，其叶片在被取食后仍会通过茉莉酸途径进行抗取食的反馈。本研究的成果可以为在全球变化的条件下富营养化浅水湖泊修复和沉水植物群落重建提供理论指导和解决方案。