內源營養負荷對4種常見沉水植物生長、形態和資源分配策略的影響

龐偉程 付貴萍* 沈哲文 孫尚省 馬 巾 華兆暉 丑慶川*

(1.深圳大學生命與海洋科學學院海洋生物資源與生態環境重點實驗室, 深圳 518055; 2.上海海洋大學環境DNA技術與水生態健康評估工程中心, 上海 201306; 3.中國科學院水生生物研究所淡水生態和生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072)

近百年來, 在人類活動不斷影響下, 水體富營養化成為全球性的環境問題, 我國約有66%以上的湖庫受富營養化的影響[1,2]。富營養化的加劇往往會導致浮游植物水華暴發, 沉水植物消亡[3], 并導致湖泊生態系統的結構、功能和穩定性不斷遭到破壞[4,5]。穩態轉換理論認為, 由于外界環境的干擾淺水湖泊可在以沉水植物主導的清水態和以浮游植物主導的濁水態之間切換[6]。沉水植物作為清水態水體的主要初級生產者, 在水生態系統中有著不可替代的作用。當沉水植物豐富時, 水體表現為水質清澈、溶解氧高、藻類密度低、生物多樣性高等特點, 即“草型清水態”; 反之, 當沉水植物消失,水體處于較高營養狀態時, 容易發生藻類瘋長、生物多樣性降低、水質渾濁、景觀惡劣等現象, 即“藻型濁水態”[6—10]。因此, 沉水植物群落的存在與維持是水體富營養化狀況能夠得到改善的重要因素, 而沉水植物恢復和穩定群落構建是受損湖泊生態修復的關鍵。

沉水植物的生長受多重因素的影響, 如水深、光照強度、水溫和沉積物等因子[11—13]。一般認為水深是通過影響光照進而影響沉水植物的生長、繁殖和分布[14]。Yang等[11]發現高光和低光對苦草的株高、根長、生物量都會產生抑制作用。而水溫則會影響沉水植物的生長速率, 在冬季水溫的升高會提高沉水植物的相對生長速度, 有利于植物的生長; 而在夏季, 過高的水溫并不會促進沉水植物的生長, 反而使植物需要更多養分抵抗溫度的上升,這不利于植物的生長[15,16]。而沉積物是沉水植物根系的固著點, 其營養狀況對沉水植物的生長具有重大的影響。

沉積物營養含量是決定沉水植物生長與分布的重要限制因子, 并且植物的形態特征、生物量等都會對沉積物營養含量作出響應[17]。Gu等[18]發現富含營養的沉積物會增加水體氮負荷對苦草的脅迫作用, 降低苦草的生物量。也有不少學者發現沉積物營養差異會使得沉水植物改變其資源分配策略[19—21]。Guo等[22]發現氮(尿素)的添加會減少植物群落對地下部分生物量分配, 而增加地上生物量的分配, 這有利于植物種群的擴散, 但也會降低植物應對極端環境變化的抵抗能力。沉水植物光合色素的合成受到沉積物中養分含量的影響, 徐蘇男等[23]的研究結果則表明植物葉綠素和類胡蘿卜素含量隨底質營養含量升高而增加, 而葉綠素/類胡蘿卜素比值基本不變。

綜上, 沉積物營養狀況會對沉水植物的生長、形態特征及資源分配等都會造成影響, 同時在自然生境中, 由于沉積物組分、粒徑大小、含水率等的差異, 沉積物營養含量有著較大的時空異質性, 而營養的差異可能會導致不同沉水植物表現出不同的生長策略, 最終影響沉水植物的群落重建。因此探究沉積物營養差異對沉水植物生長的影響是沉水植物群落重建中的重要一環。本研究通過控制沉積物營養含量, 系統比較沉積物養分含量對苦草(Vallisneria natans)、黑藻(Hydrilla verticillata)、穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum) 和竹葉眼子菜(Potamogeton wrightii) 4種常見沉水植物生長、形態和資源分配策略的影響, 這將為生態修復中沉水植物的重建提供重要的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

本實驗于2022年5月30日至2022年8月30日在中國科學院水生生物研究所洱海湖泊生態系統試驗站(25°56′N, 100°08′E)進行。本研究選用苦草(V.natans)、黑藻(H.verticillata)、穗狀狐尾藻(M.spicatum) 和竹葉眼子菜(P.wrightii) 4種常見沉水植物作為實驗材料。實驗用沉積物均來自洱海紅山灣,將洱海沉積物與細沙按0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0比例混合共得到6個營養濃度處理。4種沉水植物與6個營養濃度梯度交互, 共計24個處理,每個處理設置4個平行, 各處理組營養物質含量見表1。將混合好的基質裝入400 L的塑料桶中(底部直徑79 cm; 頂部直徑89 cm; 高度70 cm), 每桶裝60 L混合基質, 鋪平后高約10 cm, 然后在其上均勻種植20株大小一致的沉水植物。實驗用種苗來自試驗站的水生植物種質資源基地, 種苗規格見表2。最后往桶中注滿自來水(-N: 0.30 mg/L;-N:0.01 mg/L; TN: 0.52 mg/L; TP: 0.02 mg/L), 此時水深約60 cm。在實驗過程中, 由于蒸發作用桶中水位下降, 因此每月均需往桶中補充自來水。

表1 各處理組沉積物營養含量Tab.1 Nutrient content of sediment in each treatment group

表2 沉水植物種苗的處理與生物量Tab.2 Treatment and biomass of submerged plant seedlings

1.2 指標測定

在實驗結束后, 先利用虹吸法將桶內的水排出,然后將所有沉水植物從沉積物中完整取出, 用自來水洗凈, 吸干表面水分后測定生物量及其形態指標,留取部分葉片樣品放入-20℃冰柜保存, 用于測定葉片光合色素含量。

種群數量與生物量測定首先, 將吸干表面水分后的植物樣品全部稱量, 得到總生物量(Total biomass, TB); 其次, 將所有樣品按株進行計數, 統計其種群數量; 最后, 將所有植株從基部進行分割,分別測定地上生物量(Aboveground biomass, AGB)和地下生物量(Belowground biomass, BGB), 并計算根 冠 比(Root-to-shoot ratio, R/S; R/S=BGB/AGB)。

形態指標測定從每桶收集到的樣品中隨機選取5株, 測定其株重、株高和根長。

葉片光合色素含量測定[27]將葉片樣品取出解凍后, 加入液氮研磨至粉末狀, 稱取一定質量的粉末(FW, g) 置于10 mL離心管中, 加入10 mL 96%的乙醇在4℃黑暗條件下提取24h, 混勻后在4000 r/min下離心10min, 取上清液, 以96%乙醇為空白, 用分光光度計分別在662、645和470 nm下測定吸光值, 然后按照以下公式計算葉綠素a(Ca, mg/g)、葉綠素b(Cb, mg/g)和類胡蘿卜素(Cx+c, mg/g)的含量:

沉積物理化性質的測定將沉積物風干至恒重, 用研缽磨碎。C、N含量采用元素分析儀(Flash EA1112series, CE Instruments, Italy)測定; P含量采用濃硫酸-過氧化氫消解, 鉬銻抗分光光度計法測定[28]。沉積物 pH、氧化還原電位使用 WTW pH 3310 型便攜式 pH、ORP 檢測儀現場測定。沉積物含水率使用烘干法測定。

1.3 數據統計

實驗數據均為實驗中相應處理的平均值, 使用Microsoft Excel 2020 和SPSS 26.0軟件進行數據統計與分析, 所有數據由平均值±標準誤差表示。利用單因素方差分析(One-way ANOVA)進行各處理組間的差異性分析, 使用R-E-G-W 法對沉水植物各項生長指標數據進行事后多重比較, 使用Origin軟件進行繪圖。

2 結果

2.1 沉積物理化性質對沉水植物生長的影響

如圖1所示, 對于苦草, 其第一軸解釋率為70.1%,第二軸解釋率為14.6%, 兩軸共同解釋率為 84.7%(圖1a)。對于黑藻, 其第一軸解釋率為66.2%, 第二軸解釋率為11.1%, 兩軸共同解釋率為 77.3% (圖1b)。對于穗狀狐尾藻, 其第一軸解釋率為54.5%, 第二軸解釋率為15.6%, 兩軸共同解釋率為 60.1% (圖1c)。對于竹葉眼子菜, 其第一軸解釋率為72.9%, 第二軸解釋率為13.1%, 兩軸共同解釋率為 85.0% (圖1b)。通過主成分分析可知, 沉積物的理化性質中的含水率(SWC)養分指標(STC、STN和STP)與大部分的沉水植物生長指標有著較為密切的正相關關系; 而沉積物的pH和氧化還原電位(SRP)與沉水植物指標多呈負相關關系甚至不存在密切的相關性。對于沉水植物的生長, 沉積物養分起著重要的促進作用,是主要的環境影響因子。

圖1 沉積物理化性質與沉水植物生長指標的主成分分析Fig.1 Principal component analysis of sedimentary physicochemical properties and growth indexes of submerged plants

2.2 內源負荷對沉水植物種群數量與生物量的影響

實驗初始幼苗數量均為42株/m2, 在實驗結束后, 苦草、黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜的種群數量分別為463—1401、63—911、23—75和46—721 株/m2(圖2a)。在T1—T5處理間, 營養含量的升高顯著促進了苦草、黑藻和竹葉眼子菜種群數量的增長, 但過高的營養含量反而會對沉水植物的種群數量有抑制作用, 在T6處理下3種沉水植物的種群數量相較T5處理均有所下降。而實驗中穗狀狐尾藻的種群數量沒有明顯的增長, 在T2—T6間其種群數量沒有顯著性的差異(P＞0.05)。

圖2 不同內源營養負荷下4種沉水植物種群數量(a)、單株重量(b)和總生物量(c)Fig.2 Population size (a), plant weight (b) and total biomass (c)of four submerged plants under different internal nutrient loading

在實驗結束時, 苦草、黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜的單株重量分別為0.52—2.55、0.82—4.29、2.56—6.69和0.32—2.74 g (圖2b); 總生物量分別在220—2696、42—2021、133—1342和56—1640 g/m2(圖2c)。對于沉水植物單株重量, 苦草和竹葉眼子菜株重隨著內源負荷增加而上升; 而黑藻和竹葉眼子菜則是先升高后降低。沉積物營養的升高明顯促進了4種沉水植物總生物量的增長, 只有穗狀狐尾藻在T5和竹葉眼子菜在T6時兩者的總生物量出現下降, 但并未出現顯著性差異(P＞0.05)。在4種沉水植物中, 苦草的種群數量和總生物量在各處理組均比其他3種沉水植物高, 能夠適應更廣的營養梯度。

2.3 內源負荷對沉水植物形態特征的影響

內源營養負荷的差異對不同沉水植物的形態特征有著不同的影響。對苦草而言, 營養的增加促進了其株高的增長, 株高的最大值出現在T5處理組(圖3a)。對于黑藻, 隨著營養含量的升高, 其株高先升高后降低的趨勢, 株高最大值均出現在T4處理組(圖3b)。對于穗狀狐尾藻, 其株高隨著營養濃度上升而逐漸增加(圖3c)。對于竹葉眼子菜, 其株高同樣隨著沉積物營養負荷的增加而升高(圖3d)。苦草、黑藻和穗狀狐尾藻根長并沒有表現出明顯的變化規律, 而竹葉眼子菜在T1—T3處理的根長顯著小于T4—T6處理的根長(P＜0.05)。

圖3 不同內源營養負荷下4種沉水植物株高和根長Fig.3 Plant height and root length of four submerged plants under different internal nutrient loading

2.4 內源負荷對沉水植物資源分配策略的影響

沉水植物地上-地下生物量的分配生物量的分配是沉水植物適應不同環境的重要手段。實驗結果顯示4種沉水植物在不同內源營養負荷條件下表現出不同的生物量分配策略(圖4)。隨著沉積物營養濃度的上升, 苦草種群地上部分生物量(AGB)和地下部分生物量 (BGB) 均逐漸升高, 其變化分別在83.33—1665.13和136.94—981.10 g/m2(圖4a)。同時, 苦草的根冠比(R/S)從T1的1.64顯著下降至T4的0.54 (P＜0.05), 而后的處理中R/S沒有顯著性的變化(P＞0.05)。

圖4 不同內源營養負荷下4種沉水植物地上生物量 (AGB)、地下生物量 (BGB) 和根冠比 (R/S)Fig.4 Aboveground biomass (AGB), belowground biomass (BGB) and root-to-shoot ratio (R/S) of four submerged plants under different internal nutrient loading

黑藻的AGB和BGB均隨沉積物養分含量的上升而增加, 且AGB在各處理間均存在顯著性的差異(P＜0.05), 而BGB則在T2和T3、T3和T4及T5和T6之間沒有顯著性差異(P＞0.05), 其AGB和BGB變化分別為36.92—1775.38和5.19—224.77 g/m2(圖4b)。黑藻的R/S在0.08—0.22變化, 最大值出現在T2處理, 最小值則在T4處理。

隨著沉積物營養濃度的上升, 穗狀狐尾藻AGB逐漸上升, 但其BGB在所有處理間沒有顯著性差異(P＞0.05), 其AGB和BGB變化分別為116.65—1241.14和16.02—100.75 g/m2(圖4c)。穗狀狐尾藻的R/S在0.07—0.24變化, 最大值在出現在T2處理組, 隨后顯著下降并在后續處理之間無顯著差異(P＞0.05)。

竹葉眼子菜的AGB隨著營養含量的升高而上升, 而BGB只在T2時出現顯著的升高(P＜0.05), 隨后BGB沒有顯著的變化(P＞0.05), 并且在高營養負荷T6處理組時竹葉眼子菜的AGB和BGB都出現了下降, AGB和BGB變化分別為36.44—1142.15和9.31—104.28 g/m2(圖4d)。竹葉眼子菜的R/S在0.37—1.55變化, 在T2時最大, 隨后逐漸下降。

沉水植物的光合色素的組成光合色素是植物維持光合作用的基礎, 沉積物營養含量會顯著影響沉水植物光合色素的含量。在所有處理中, 苦草、黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜葉綠素 (a+b)含量分別為0.11—0.49 、0.07—0.53、0.09—0.55和0.23—0.97 mg/g (圖5)。4種沉水植物的葉綠素(a+b) 含量基本上隨著沉積物營養濃度增加而升高,但苦草和黑藻會在T6處理出現下降。苦草、黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜類胡蘿卜素含量分別為0.05—0.16、0.03—0.16、0.04—0.21和0.11—0.32 mg/g, 并且其變化趨勢與葉綠素(a+b)保持一致。光合色素之間的比值關系能夠反映沉水植物體內的生理狀態。4種沉水植物的葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素比值均呈現出隨著沉積物營養濃度上升而增加的趨勢, 苦草、黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素比值的波動范圍分別為2.40—2.98、2.14—3.30、1.99—2.63和2.19—3.02。苦草、黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜葉綠素a/b值分別在2.36—2.59、2.51—2.81、2.55—3.04和2.55—2.81波動; 其中苦草的葉綠素a/b值隨著沉積物營養濃度的增加無顯著變化; 穗狀狐尾藻的葉綠素a/b值隨著沉積物營養濃度的增加有顯著升高的趨勢; 而黑藻和竹葉眼子菜的葉綠素a/b值則表現出隨營養濃度增加逐漸下降的趨勢。

圖5 不同內源營養負荷下4種沉水植物光合色素的組成Fig.5 Composition of photosynthetic pigments of four submerged plants under different internal nutrient loading

3 討論

3.1 內源營養負荷對沉水植物生長的影響

沉水植物是清水態水體的主要初級生產者, 沉積物是其生長所需營養物質的主要來源, 內源營養負荷的變化會對沉水植物的生長、形態和資源分配策略等產生顯著的影響。在本研究中, 內源營養負荷的增加顯著地促進了苦草、黑藻和竹葉眼子菜的種群數量, 提高了沉水植物的繁殖能力, 然而穗狀狐尾藻的種群數量沒有出現顯著的增加, 這種現象可能與沉水植物的繁殖方式有關。苦草、黑藻和竹葉眼子菜主要利用根莖進行無性繁殖, 內源營養負荷的增加促進了它們根莖的生長, 有利于它們種群的擴增; 而穗狀狐尾藻的繁殖方式主要通過斷枝進行的[29], 在實驗過程中也出現了穗狀狐尾藻出現斷枝漂浮在水面的現象, 但由于實驗設計的限制, 穗狀狐尾藻的斷枝無法順利漂浮到淺水區域定植, 導致穗狀狐尾藻的種群數量維持在較低的水平。此外苦草種群數量在各處理組均比黑藻和竹葉眼子菜高, 這種種群數量的差異可能與沉水植物的克隆生長特性和克隆構件特征有關。苦草的匍匐莖上不具有節, 分株之間沒有不定根, 無法為植物提供固著能力和吸收營養, 因此苦草往往選擇通過縮短分株間的距離而更快速地形成分株, 形成密集型種群結構; 相反, 黑藻和竹葉眼子菜匍匐莖存在莖節, 在適應生長的環境條件下會增加分株間的間隔, 擴大種群范圍[30]。而在T6處理時, 苦草、黑藻和竹葉眼子菜種群數量有所下降, 這可能與沉水植物在高營養時選擇通過有性繁殖進行種群擴散有關。王亞等[31]的研究表明當提高土壤養分時會增加植物的種子的數量和重量, 促進植物的有性繁殖能力。

沉水植物的生長發育需要大量的C、N、P等營養元素以滿足合成纖維素、木質素等結構性物質, 以及蛋白質、核酸等生命物質的需求, 因此當沉積物中養分含量充足時, 能夠提高沉水植物的生長速度, 促進沉水植物生物量的增長。營養負荷的增加明顯地促進了苦草和黑藻的生長, 其總生物量隨著營養負荷的增加顯著提高 (P＜0.05)。但在個體水平下, 黑藻單株株重在T4處理達到最大, 然后開始下降, 黑藻的總生物量增加更多是由于種群數量在不斷升高。穗狀狐尾藻的總生物量在T2—T5并沒有顯著性差異, 這可能與穗狀狐尾藻的克隆繁殖無法順利進行有關。竹葉眼子菜總生物量在T6時有所下降, 但單株株重并未出現下降, 原因是其種群數量出現了下降, 在高營養條件下竹葉眼子菜的種群擴增受到了限制。張俊等[32]在對沉水植物的研究中就發現過高的營養含量會抑制植物的生長。

3.2 內源營養負荷對沉水植物資源分配的影響

沉水植物在生長過程中, 生物量在不同器官間的分配是其適應環境的結果。在本研究中, 4種沉水植物在低營養時R/S相對較高, 隨著沉積物營養含量的上升其根冠比逐漸下降。這是當沉水植物無法從沉積物中獲取足夠N、P等養分時, 植物會通過降低對地上部分的投入, 將更多的資源投入到地下部分以獲取更多養分, 從而保證自身正常生長;而當沉積物營養含量升高后, 營養物質的獲取不再是限制其生長的主要因素, 沉水植物則優先將更多資源分配到地上部分, 從而實現種群的擴散, 避免在突發事件中種群的滅絕。以上結果符合植物最優分配理論, 即植物優先將生物量分配至能夠獲取限制性資源的器官上, 從而增強植物競爭力。

光合色素是光合作用機制的重要組成部分, 在光合作用中參與吸收、傳遞光能或引起原初光化學反應。光合色素的合成需要C、N等元素, 沉積物養分的增加能夠促進光合色素的合成。實驗結果顯示4種沉水植物光合色素含量均隨營養物質含量的增加有所提高, Yu等[21]的研究也發現沉積物養分的增加能夠提高光合色素的含量, 李善鵬等[33]也發現了隨著沉積物營養含量升高, 黑藻、苦草和大茨藻葉綠素含量也會升高, 這些結果與本研究結果基本吻合。沉水植物在缺氮時會使得葉片失綠而黃化, 但過高的氮含量也會對植物的生理狀況造成不利影響[34]。李海霞等[35]研究發現隨著供氮濃度增加, 蒙古櫟幼苗葉片中葉綠素含量表現為先升高后降低的趨勢, 過量氮引起負效應。本研究中苦草和黑藻在T1到T5處理時, 光合色素含量均逐漸升高, 但在T6處理時出現了下降, 說明T6內源營養負荷已經對苦草和黑藻的葉綠素合成造成了負效應。

植物光合色素之間的比值能夠反映植物生長狀況, 當植物葉片活性下降時, 其葉綠素a/b上升,而葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素下降[36]。在本實驗中,4種沉水植物葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素顯著升高, 反映了隨內源營養負荷增加沉水植物葉片生理活性逐漸增強。苦草葉綠素a/b在各處理組間未存在顯著性差異, 而黑藻和竹葉眼子菜的葉綠素a/b逐漸下降, 也說明了營養負荷的升高有利于黑藻和竹葉眼子菜的生長。而穗狀狐尾藻的葉綠素a/b有一定的上升趨勢, 這可能是由于隨著內源營養負荷的增加, 穗狀狐尾藻株高逐漸升高并大于其他3種沉水植物, 能更容易獲取陽光, 需要更多的葉綠素a將光能轉換為電能, 而葉綠素b承擔的是吸收光能和傳遞光能的作用[36], 因此其葉綠素a/b也隨著內源營養負荷的增加而上升。此外還有研究表明不同類型陸生植物的葉綠素a/b比值會有所不同, 喜陽植物的葉綠素a/b比值約為3/1, 而喜陰植物的葉綠素a/b比值約為2.3/1, 即喜陰植物會通過提高葉綠素b的相對含量來捕獲更多的光能[37]。在本研究涉及的4種沉水植物中, 苦草葉綠素a/b的比值最低, 更接近陸生喜陰植物平均值2.3/1, 這是因為苦草是蓮座型沉水植物, 屬于耐低光物種[38], 相比直立型或冠層型沉水植物, 苦草接受到的陽光更少, 即需要提高葉綠素b比例獲取光能。而穗狀狐尾藻的葉綠素a/b比值最高, 最接近3/1, 在實驗過程中也只有部分穗狀狐尾藻的枝條頂端可以漂浮出水面, 能夠獲取更多的陽光。

綜上, 內源營養負荷的變化會對沉水植物的生長、形態和資源分配策略等產生顯著的影響。首先, 沉積物營養含量的升高能夠促進沉水植物種群數量和總生物量的增加, 但同時沉水植物的種群數量還與自身的繁殖特性有關。其次, 沉水植物地上及地下部分生物量的分配遵循最優分配理論, 以保證沉水植物能夠獲得更多的生長資源。最后, 沉積物營養的增加有利于沉水植物光合色素的合成, 但也存在高負荷的負效應, 在高營養負荷下苦草和黑藻的光合色素合成受阻, 并且光合色素的比值反映了沉水植物的生理狀態, 過低或過高的負荷都會對沉水植物的生理狀態產生不利影響。以上結果明確了沉水植物功能性狀與沉積物營養負荷之間的響應關系, 對于恢復受損水生植被具有重要的指導意義。在本實驗中苦草表現出較強的生長能力, 在一定水深下選擇苦草作為先鋒種進行種植能有效提高沉水植物的修復效率。