基于生态化学计量学的长江中下游富营养化湖泊沉水植被退化原因与机理研究

随着湖泊营养水平的增加，水生植被特别是沉水植被退化的现象在世界范围内普遍出现。尽管国内外对富营养化湖泊沉水植被退化的原因与机理的研究较多，但以沉水植物C:N:P化学计量比及其动态平衡为切入点研究富营养化湖泊沉水植被退化的原因与机理的研究还未见报道。因此，本项目通过野外大量的湖泊调查和统计学分析，阐明长江中下游不同营养水平湖泊环境(水体/底泥)与沉水植物C:N:P化学计量比是否匹配以及影响匹配的主要因素；将野外调查与室内受控实验相结合，阐释动态平衡理论和生长速率理论对富营养化湖泊现存沉水植物形态特征(长期适应)和生理代谢过程(短期响应)的影响。运用生态化学计量学理论揭示长江中下游富营养化湖泊C、N、P元素失衡对沉水植物个体、种群、群落动态及湖泊生态系统稳定性的影响，对退化湖泊生态系统水生植被的恢复与重建、富营养化湖泊的治理及实现湖泊生态系统稳态转换都具有重要的理论指导意义。

随着湖泊营养水平的增加，水生植被特别是沉水植被退化的现象在世界范围内普遍出现。尽管国内外对富营养化湖泊沉水植被退化的原因与机理的研究较多，但以沉水植物组织内元素化学计量比及其动态平衡为切入点研究富营养化湖泊沉水植被退化的原因与机理的研究还未见报道。生态化学计量学综合了生物学、化学和物理学的基本原理，利用生态过程中能量和多重化学元素的平衡关系，为研究碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素在生态系统过程中的耦合关系提供了一种综合方法。C、N、P是所有生命体组成的基础，也是目前生态化学计量学研究最多的三种元素。其他元素，如硫(S)、硅(Si)和一些金属元素，也是有机体生长的重要元素。因此，除C、N、P元素外，研究植物体内其他元素的化学计量学也是至关重要的。.本项目首先通过野外大量的湖泊调查，测定了长江中下游不同营养水平湖泊环境(水体/底泥)与沉水植物元素的化学计量特征，并应用统计分析，筛选出相对限制性因子；然后，在室内受控条件下，研究了外界N:P的改变对三种沉水植物生理学的影响，以“生长速率假说”的验证来阐述沉水植物体内元素动态平衡的重要性；最后，综合野外调查和室内受控实验结果，得出富营养化湖泊沉水植物的退化机理。主要结果如下：（1）除C外，N、P、S、Si元素间具有较好的耦合关系，呈显著的相关性；沉水植物体内低含量的C (光照)和Si可能是造成长江中下游湖泊沉水植物退化的主要原因；（2）大茨藻对重金属砷(As)和镉(Cd)有较强的超富集能力，金鱼藻对重金属钴(Co)、铬(Cr)和铁(Fe)有较强的超富集能力，苦草对重金属铅(Pb) 较强的超富集能力金鱼藻和大茨藻较其他沉水植物能积累多种金属元素；金属元素的多度富集对沉水植物产生不利影响；（3）微齿眼子菜的Protein:RNA随其生长速率的增加而降低，符合“生长速率假说”；穗花狐尾藻和苦草的Protein:RNA随其生长速率的增加而增加，不符合“生长速率假说”，即微齿眼子菜可通过调节其生长速率来维持体内动态平衡，具有更高的内稳性；穗花狐尾藻和苦草体内元素失衡导致其最终死亡。.运用生态化学计量学理论揭示长江中下游富营养化湖泊C、N、P元素失衡对沉水植物个体、种群、群落动态及湖泊生态系统稳定性的影响，对退化湖泊生态系统水生植被的恢复与重建、富营养化湖泊的治理及实现湖泊生态系统稳态转换都具有重要的理论指导意义。