内源营养负荷对4种常见沉水植物生长、形态和资源分配策略的影响

庞伟程 付贵萍* 沈哲文 孙尚省 马 巾 华兆晖 丑庆川*

(1.深圳大学生命与海洋科学学院海洋生物资源与生态环境重点实验室, 深圳 518055; 2.上海海洋大学环境DNA技术与水生态健康评估工程中心, 上海 201306; 3.中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉 430072)

近百年来, 在人类活动不断影响下, 水体富营养化成为全球性的环境问题, 我国约有66%以上的湖库受富营养化的影响[1,2]。富营养化的加剧往往会导致浮游植物水华暴发, 沉水植物消亡[3], 并导致湖泊生态系统的结构、功能和稳定性不断遭到破坏[4,5]。稳态转换理论认为, 由于外界环境的干扰浅水湖泊可在以沉水植物主导的清水态和以浮游植物主导的浊水态之间切换[6]。沉水植物作为清水态水体的主要初级生产者, 在水生态系统中有着不可替代的作用。当沉水植物丰富时, 水体表现为水质清澈、溶解氧高、藻类密度低、生物多样性高等特点, 即“草型清水态”; 反之, 当沉水植物消失,水体处于较高营养状态时, 容易发生藻类疯长、生物多样性降低、水质浑浊、景观恶劣等现象, 即“藻型浊水态”[6—10]。因此, 沉水植物群落的存在与维持是水体富营养化状况能够得到改善的重要因素, 而沉水植物恢复和稳定群落构建是受损湖泊生态修复的关键。

沉水植物的生长受多重因素的影响, 如水深、光照强度、水温和沉积物等因子[11—13]。一般认为水深是通过影响光照进而影响沉水植物的生长、繁殖和分布[14]。Yang等[11]发现高光和低光对苦草的株高、根长、生物量都会产生抑制作用。而水温则会影响沉水植物的生长速率, 在冬季水温的升高会提高沉水植物的相对生长速度, 有利于植物的生长; 而在夏季, 过高的水温并不会促进沉水植物的生长, 反而使植物需要更多养分抵抗温度的上升,这不利于植物的生长[15,16]。而沉积物是沉水植物根系的固着点, 其营养状况对沉水植物的生长具有重大的影响。

沉积物营养含量是决定沉水植物生长与分布的重要限制因子, 并且植物的形态特征、生物量等都会对沉积物营养含量作出响应[17]。Gu等[18]发现富含营养的沉积物会增加水体氮负荷对苦草的胁迫作用, 降低苦草的生物量。也有不少学者发现沉积物营养差异会使得沉水植物改变其资源分配策略[19—21]。Guo等[22]发现氮(尿素)的添加会减少植物群落对地下部分生物量分配, 而增加地上生物量的分配, 这有利于植物种群的扩散, 但也会降低植物应对极端环境变化的抵抗能力。沉水植物光合色素的合成受到沉积物中养分含量的影响, 徐苏男等[23]的研究结果则表明植物叶绿素和类胡萝卜素含量随底质营养含量升高而增加, 而叶绿素/类胡萝卜素比值基本不变。

综上, 沉积物营养状况会对沉水植物的生长、形态特征及资源分配等都会造成影响, 同时在自然生境中, 由于沉积物组分、粒径大小、含水率等的差异, 沉积物营养含量有着较大的时空异质性, 而营养的差异可能会导致不同沉水植物表现出不同的生长策略, 最终影响沉水植物的群落重建。因此探究沉积物营养差异对沉水植物生长的影响是沉水植物群落重建中的重要一环。本研究通过控制沉积物营养含量, 系统比较沉积物养分含量对苦草(Vallisneria natans)、黑藻(Hydrilla verticillata)、穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum) 和竹叶眼子菜(Potamogeton wrightii) 4种常见沉水植物生长、形态和资源分配策略的影响, 这将为生态修复中沉水植物的重建提供重要的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本实验于2022年5月30日至2022年8月30日在中国科学院水生生物研究所洱海湖泊生态系统试验站(25°56′N, 100°08′E)进行。本研究选用苦草(V.natans)、黑藻(H.verticillata)、穗状狐尾藻(M.spicatum) 和竹叶眼子菜(P.wrightii) 4种常见沉水植物作为实验材料。实验用沉积物均来自洱海红山湾,将洱海沉积物与细沙按0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0比例混合共得到6个营养浓度处理。4种沉水植物与6个营养浓度梯度交互, 共计24个处理,每个处理设置4个平行, 各处理组营养物质含量见表1。将混合好的基质装入400 L的塑料桶中(底部直径79 cm; 顶部直径89 cm; 高度70 cm), 每桶装60 L混合基质, 铺平后高约10 cm, 然后在其上均匀种植20株大小一致的沉水植物。实验用种苗来自试验站的水生植物种质资源基地, 种苗规格见表2。最后往桶中注满自来水(-N: 0.30 mg/L;-N:0.01 mg/L; TN: 0.52 mg/L; TP: 0.02 mg/L), 此时水深约60 cm。在实验过程中, 由于蒸发作用桶中水位下降, 因此每月均需往桶中补充自来水。

表1 各处理组沉积物营养含量Tab.1 Nutrient content of sediment in each treatment group

表2 沉水植物种苗的处理与生物量Tab.2 Treatment and biomass of submerged plant seedlings

1.2 指标测定

在实验结束后, 先利用虹吸法将桶内的水排出,然后将所有沉水植物从沉积物中完整取出, 用自来水洗净, 吸干表面水分后测定生物量及其形态指标,留取部分叶片样品放入-20℃冰柜保存, 用于测定叶片光合色素含量。

种群数量与生物量测定首先, 将吸干表面水分后的植物样品全部称量, 得到总生物量(Total biomass, TB); 其次, 将所有样品按株进行计数, 统计其种群数量; 最后, 将所有植株从基部进行分割,分别测定地上生物量(Aboveground biomass, AGB)和地下生物量(Belowground biomass, BGB), 并计算根 冠 比(Root-to-shoot ratio, R/S; R/S=BGB/AGB)。

形态指标测定从每桶收集到的样品中随机选取5株, 测定其株重、株高和根长。

叶片光合色素含量测定[27]将叶片样品取出解冻后, 加入液氮研磨至粉末状, 称取一定质量的粉末(FW, g) 置于10 mL离心管中, 加入10 mL 96%的乙醇在4℃黑暗条件下提取24h, 混匀后在4000 r/min下离心10min, 取上清液, 以96%乙醇为空白, 用分光光度计分别在662、645和470 nm下测定吸光值, 然后按照以下公式计算叶绿素a(Ca, mg/g)、叶绿素b(Cb, mg/g)和类胡萝卜素(Cx+c, mg/g)的含量:

沉积物理化性质的测定将沉积物风干至恒重, 用研钵磨碎。C、N含量采用元素分析仪(Flash EA1112series, CE Instruments, Italy)测定; P含量采用浓硫酸-过氧化氢消解, 钼锑抗分光光度计法测定[28]。沉积物 pH、氧化还原电位使用 WTW pH 3310 型便携式 pH、ORP 检测仪现场测定。沉积物含水率使用烘干法测定。

1.3 数据统计

实验数据均为实验中相应处理的平均值, 使用Microsoft Excel 2020 和SPSS 26.0软件进行数据统计与分析, 所有数据由平均值±标准误差表示。利用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行各处理组间的差异性分析, 使用R-E-G-W 法对沉水植物各项生长指标数据进行事后多重比较, 使用Origin软件进行绘图。

2 结果

2.1 沉积物理化性质对沉水植物生长的影响

如图1所示, 对于苦草, 其第一轴解释率为70.1%,第二轴解释率为14.6%, 两轴共同解释率为 84.7%(图1a)。对于黑藻, 其第一轴解释率为66.2%, 第二轴解释率为11.1%, 两轴共同解释率为 77.3% (图1b)。对于穗状狐尾藻, 其第一轴解释率为54.5%, 第二轴解释率为15.6%, 两轴共同解释率为 60.1% (图1c)。对于竹叶眼子菜, 其第一轴解释率为72.9%, 第二轴解释率为13.1%, 两轴共同解释率为 85.0% (图1b)。通过主成分分析可知, 沉积物的理化性质中的含水率(SWC)养分指标(STC、STN和STP)与大部分的沉水植物生长指标有着较为密切的正相关关系; 而沉积物的pH和氧化还原电位(SRP)与沉水植物指标多呈负相关关系甚至不存在密切的相关性。对于沉水植物的生长, 沉积物养分起着重要的促进作用,是主要的环境影响因子。

图1 沉积物理化性质与沉水植物生长指标的主成分分析Fig.1 Principal component analysis of sedimentary physicochemical properties and growth indexes of submerged plants

2.2 内源负荷对沉水植物种群数量与生物量的影响

实验初始幼苗数量均为42株/m2, 在实验结束后, 苦草、黑藻、穗状狐尾藻和竹叶眼子菜的种群数量分别为463—1401、63—911、23—75和46—721 株/m2(图2a)。在T1—T5处理间, 营养含量的升高显著促进了苦草、黑藻和竹叶眼子菜种群数量的增长, 但过高的营养含量反而会对沉水植物的种群数量有抑制作用, 在T6处理下3种沉水植物的种群数量相较T5处理均有所下降。而实验中穗状狐尾藻的种群数量没有明显的增长, 在T2—T6间其种群数量没有显著性的差异(P＞0.05)。

图2 不同内源营养负荷下4种沉水植物种群数量(a)、单株重量(b)和总生物量(c)Fig.2 Population size (a), plant weight (b) and total biomass (c)of four submerged plants under different internal nutrient loading

在实验结束时, 苦草、黑藻、穗状狐尾藻和竹叶眼子菜的单株重量分别为0.52—2.55、0.82—4.29、2.56—6.69和0.32—2.74 g (图2b); 总生物量分别在220—2696、42—2021、133—1342和56—1640 g/m2(图2c)。对于沉水植物单株重量, 苦草和竹叶眼子菜株重随着内源负荷增加而上升; 而黑藻和竹叶眼子菜则是先升高后降低。沉积物营养的升高明显促进了4种沉水植物总生物量的增长, 只有穗状狐尾藻在T5和竹叶眼子菜在T6时两者的总生物量出现下降, 但并未出现显著性差异(P＞0.05)。在4种沉水植物中, 苦草的种群数量和总生物量在各处理组均比其他3种沉水植物高, 能够适应更广的营养梯度。

2.3 内源负荷对沉水植物形态特征的影响

内源营养负荷的差异对不同沉水植物的形态特征有着不同的影响。对苦草而言, 营养的增加促进了其株高的增长, 株高的最大值出现在T5处理组(图3a)。对于黑藻, 随着营养含量的升高, 其株高先升高后降低的趋势, 株高最大值均出现在T4处理组(图3b)。对于穗状狐尾藻, 其株高随着营养浓度上升而逐渐增加(图3c)。对于竹叶眼子菜, 其株高同样随着沉积物营养负荷的增加而升高(图3d)。苦草、黑藻和穗状狐尾藻根长并没有表现出明显的变化规律, 而竹叶眼子菜在T1—T3处理的根长显著小于T4—T6处理的根长(P＜0.05)。

图3 不同内源营养负荷下4种沉水植物株高和根长Fig.3 Plant height and root length of four submerged plants under different internal nutrient loading

2.4 内源负荷对沉水植物资源分配策略的影响

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适应不同环境的重要手段。实验结果显示4种沉水植物在不同内源营养负荷条件下表现出不同的生物量分配策略(图4)。随着沉积物营养浓度的上升, 苦草种群地上部分生物量(AGB)和地下部分生物量 (BGB) 均逐渐升高, 其变化分别在83.33—1665.13和136.94—981.10 g/m2(图4a)。同时, 苦草的根冠比(R/S)从T1的1.64显著下降至T4的0.54 (P＜0.05), 而后的处理中R/S没有显著性的变化(P＞0.05)。

图4 不同内源营养负荷下4种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均随沉积物养分含量的上升而增加, 且AGB在各处理间均存在显著性的差异(P＜0.05), 而BGB则在T2和T3、T3和T4及T5和T6之间没有显著性差异(P＞0.05), 其AGB和BGB变化分别为36.92—1775.38和5.19—224.77 g/m2(图4b)。黑藻的R/S在0.08—0.22变化, 最大值出现在T2处理, 最小值则在T4处理。

随着沉积物营养浓度的上升, 穗状狐尾藻AGB逐渐上升, 但其BGB在所有处理间没有显著性差异(P＞0.05), 其AGB和BGB变化分别为116.65—1241.14和16.02—100.75 g/m2(图4c)。穗状狐尾藻的R/S在0.07—0.24变化, 最大值在出现在T2处理组, 随后显著下降并在后续处理之间无显著差异(P＞0.05)。

竹叶眼子菜的AGB随着营养含量的升高而上升, 而BGB只在T2时出现显著的升高(P＜0.05), 随后BGB没有显著的变化(P＞0.05), 并且在高营养负荷T6处理组时竹叶眼子菜的AGB和BGB都出现了下降, AGB和BGB变化分别为36.44—1142.15和9.31—104.28 g/m2(图4d)。竹叶眼子菜的R/S在0.37—1.55变化, 在T2时最大, 随后逐渐下降。

沉水植物的光合色素的组成光合色素是植物维持光合作用的基础, 沉积物营养含量会显著影响沉水植物光合色素的含量。在所有处理中, 苦草、黑藻、穗状狐尾藻和竹叶眼子菜叶绿素 (a+b)含量分别为0.11—0.49 、0.07—0.53、0.09—0.55和0.23—0.97 mg/g (图5)。4种沉水植物的叶绿素(a+b) 含量基本上随着沉积物营养浓度增加而升高,但苦草和黑藻会在T6处理出现下降。苦草、黑藻、穗状狐尾藻和竹叶眼子菜类胡萝卜素含量分别为0.05—0.16、0.03—0.16、0.04—0.21和0.11—0.32 mg/g, 并且其变化趋势与叶绿素(a+b)保持一致。光合色素之间的比值关系能够反映沉水植物体内的生理状态。4种沉水植物的叶绿素(a+b)/类胡萝卜素比值均呈现出随着沉积物营养浓度上升而增加的趋势, 苦草、黑藻、穗状狐尾藻和竹叶眼子菜叶绿素(a+b)/类胡萝卜素比值的波动范围分别为2.40—2.98、2.14—3.30、1.99—2.63和2.19—3.02。苦草、黑藻、穗状狐尾藻和竹叶眼子菜叶绿素a/b值分别在2.36—2.59、2.51—2.81、2.55—3.04和2.55—2.81波动; 其中苦草的叶绿素a/b值随着沉积物营养浓度的增加无显著变化; 穗状狐尾藻的叶绿素a/b值随着沉积物营养浓度的增加有显著升高的趋势; 而黑藻和竹叶眼子菜的叶绿素a/b值则表现出随营养浓度增加逐渐下降的趋势。

图5 不同内源营养负荷下4种沉水植物光合色素的组成Fig.5 Composition of photosynthetic pigments of four submerged plants under different internal nutrient loading

3 讨论

3.1 内源营养负荷对沉水植物生长的影响

沉水植物是清水态水体的主要初级生产者, 沉积物是其生长所需营养物质的主要来源, 内源营养负荷的变化会对沉水植物的生长、形态和资源分配策略等产生显著的影响。在本研究中, 内源营养负荷的增加显著地促进了苦草、黑藻和竹叶眼子菜的种群数量, 提高了沉水植物的繁殖能力, 然而穗状狐尾藻的种群数量没有出现显著的增加, 这种现象可能与沉水植物的繁殖方式有关。苦草、黑藻和竹叶眼子菜主要利用根茎进行无性繁殖, 内源营养负荷的增加促进了它们根茎的生长, 有利于它们种群的扩增; 而穗状狐尾藻的繁殖方式主要通过断枝进行的[29], 在实验过程中也出现了穗状狐尾藻出现断枝漂浮在水面的现象, 但由于实验设计的限制, 穗状狐尾藻的断枝无法顺利漂浮到浅水区域定植, 导致穗状狐尾藻的种群数量维持在较低的水平。此外苦草种群数量在各处理组均比黑藻和竹叶眼子菜高, 这种种群数量的差异可能与沉水植物的克隆生长特性和克隆构件特征有关。苦草的匍匐茎上不具有节, 分株之间没有不定根, 无法为植物提供固着能力和吸收营养, 因此苦草往往选择通过缩短分株间的距离而更快速地形成分株, 形成密集型种群结构; 相反, 黑藻和竹叶眼子菜匍匐茎存在茎节, 在适应生长的环境条件下会增加分株间的间隔, 扩大种群范围[30]。而在T6处理时, 苦草、黑藻和竹叶眼子菜种群数量有所下降, 这可能与沉水植物在高营养时选择通过有性繁殖进行种群扩散有关。王亚等[31]的研究表明当提高土壤养分时会增加植物的种子的数量和重量, 促进植物的有性繁殖能力。

沉水植物的生长发育需要大量的C、N、P等营养元素以满足合成纤维素、木质素等结构性物质, 以及蛋白质、核酸等生命物质的需求, 因此当沉积物中养分含量充足时, 能够提高沉水植物的生长速度, 促进沉水植物生物量的增长。营养负荷的增加明显地促进了苦草和黑藻的生长, 其总生物量随着营养负荷的增加显著提高 (P＜0.05)。但在个体水平下, 黑藻单株株重在T4处理达到最大, 然后开始下降, 黑藻的总生物量增加更多是由于种群数量在不断升高。穗状狐尾藻的总生物量在T2—T5并没有显著性差异, 这可能与穗状狐尾藻的克隆繁殖无法顺利进行有关。竹叶眼子菜总生物量在T6时有所下降, 但单株株重并未出现下降, 原因是其种群数量出现了下降, 在高营养条件下竹叶眼子菜的种群扩增受到了限制。张俊等[32]在对沉水植物的研究中就发现过高的营养含量会抑制植物的生长。

3.2 内源营养负荷对沉水植物资源分配的影响

沉水植物在生长过程中, 生物量在不同器官间的分配是其适应环境的结果。在本研究中, 4种沉水植物在低营养时R/S相对较高, 随着沉积物营养含量的上升其根冠比逐渐下降。这是当沉水植物无法从沉积物中获取足够N、P等养分时, 植物会通过降低对地上部分的投入, 将更多的资源投入到地下部分以获取更多养分, 从而保证自身正常生长;而当沉积物营养含量升高后, 营养物质的获取不再是限制其生长的主要因素, 沉水植物则优先将更多资源分配到地上部分, 从而实现种群的扩散, 避免在突发事件中种群的灭绝。以上结果符合植物最优分配理论, 即植物优先将生物量分配至能够获取限制性资源的器官上, 从而增强植物竞争力。

光合色素是光合作用机制的重要组成部分, 在光合作用中参与吸收、传递光能或引起原初光化学反应。光合色素的合成需要C、N等元素, 沉积物养分的增加能够促进光合色素的合成。实验结果显示4种沉水植物光合色素含量均随营养物质含量的增加有所提高, Yu等[21]的研究也发现沉积物养分的增加能够提高光合色素的含量, 李善鹏等[33]也发现了随着沉积物营养含量升高, 黑藻、苦草和大茨藻叶绿素含量也会升高, 这些结果与本研究结果基本吻合。沉水植物在缺氮时会使得叶片失绿而黄化, 但过高的氮含量也会对植物的生理状况造成不利影响[34]。李海霞等[35]研究发现随着供氮浓度增加, 蒙古栎幼苗叶片中叶绿素含量表现为先升高后降低的趋势, 过量氮引起负效应。本研究中苦草和黑藻在T1到T5处理时, 光合色素含量均逐渐升高, 但在T6处理时出现了下降, 说明T6内源营养负荷已经对苦草和黑藻的叶绿素合成造成了负效应。

植物光合色素之间的比值能够反映植物生长状况, 当植物叶片活性下降时, 其叶绿素a/b上升,而叶绿素(a+b)/类胡萝卜素下降[36]。在本实验中,4种沉水植物叶绿素(a+b)/类胡萝卜素显著升高, 反映了随内源营养负荷增加沉水植物叶片生理活性逐渐增强。苦草叶绿素a/b在各处理组间未存在显著性差异, 而黑藻和竹叶眼子菜的叶绿素a/b逐渐下降, 也说明了营养负荷的升高有利于黑藻和竹叶眼子菜的生长。而穗状狐尾藻的叶绿素a/b有一定的上升趋势, 这可能是由于随着内源营养负荷的增加, 穗状狐尾藻株高逐渐升高并大于其他3种沉水植物, 能更容易获取阳光, 需要更多的叶绿素a将光能转换为电能, 而叶绿素b承担的是吸收光能和传递光能的作用[36], 因此其叶绿素a/b也随着内源营养负荷的增加而上升。此外还有研究表明不同类型陆生植物的叶绿素a/b比值会有所不同, 喜阳植物的叶绿素a/b比值约为3/1, 而喜阴植物的叶绿素a/b比值约为2.3/1, 即喜阴植物会通过提高叶绿素b的相对含量来捕获更多的光能[37]。在本研究涉及的4种沉水植物中, 苦草叶绿素a/b的比值最低, 更接近陆生喜阴植物平均值2.3/1, 这是因为苦草是莲座型沉水植物, 属于耐低光物种[38], 相比直立型或冠层型沉水植物, 苦草接受到的阳光更少, 即需要提高叶绿素b比例获取光能。而穗状狐尾藻的叶绿素a/b比值最高, 最接近3/1, 在实验过程中也只有部分穗状狐尾藻的枝条顶端可以漂浮出水面, 能够获取更多的阳光。

综上, 内源营养负荷的变化会对沉水植物的生长、形态和资源分配策略等产生显著的影响。首先, 沉积物营养含量的升高能够促进沉水植物种群数量和总生物量的增加, 但同时沉水植物的种群数量还与自身的繁殖特性有关。其次, 沉水植物地上及地下部分生物量的分配遵循最优分配理论, 以保证沉水植物能够获得更多的生长资源。最后, 沉积物营养的增加有利于沉水植物光合色素的合成, 但也存在高负荷的负效应, 在高营养负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状态, 过低或过高的负荷都会对沉水植物的生理状态产生不利影响。以上结果明确了沉水植物功能性状与沉积物营养负荷之间的响应关系, 对于恢复受损水生植被具有重要的指导意义。在本实验中苦草表现出较强的生长能力, 在一定水深下选择苦草作为先锋种进行种植能有效提高沉水植物的修复效率。