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高氮对代表性沉水植物个体生长和种群扩增的影响及其阈值
于清
Subtype博士
Thesis Advisor王洪铸
2018
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Abstract沉水植物对水生态系统结构和功能的维持有着重要的作用。然而,随着人类活动的加剧,世界各地的浅水湖泊普遍面临着沉水植物衰退和生态系统由清向浊发生转换的问题。在引起沉水植物衰退的各种因素中,磷的过量输入是目前影响范围最广、最受关注的因素。近年来氮对沉水植物的作用受到越来越多的关注,尤其是氨。关于氨对沉水植物的作用机制,主要有三种可能的途径:(1)直接的毒性胁迫;(2)间接作用;(3)与其他环境因素的联合作用。然而,氮对沉水植物的影响及其机制大都基于个体水平的生理毒性实验,而关于高氮对沉水植物种群扩增的研究较少。由于研究尺度的不同,自然系统中氮对沉水植物作用的阈值仍存在争议。因此,自然系统中,氮对沉水植物的个体生长和种群扩增的影响以及其阈值还有待研究。为此,我们有必要开展一系列的研究,从植物生理水平、个体水平和种群水平的不同层次分析高氮对沉水植物的影响。本研究通过实验湖沼学的方法,在经过湖泊化改造的实验池内开展3~18个月的全生态系统实验,以模拟植物自然的生长条件。实验设置一系列的氮浓度梯度来进行生理、生长和种群水平的实验,以观测在中低磷浓度下氮对沉水植物的影响。实验选择长江浅水湖群常见的莲座型沉水植物苦草(Vallisneria natans(Lour.)Hara)、冠层型植物菹草(Potamogeton crispus Linn.)和穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)作为研究对象。主要结果如下:1. 高氮对沉水植物体内游离氨基酸影响结果表明:一定氮浓度范围内,沉水植物体内游离氨基酸的积累并不能解释沉水植物受到毒性胁迫。个体水平实验中,苦草和菹草体内的游离氨基酸含量(FAA)随着总氮(TN)和氨(NH4,包括NH4+和NH3)浓度的上升处于累积趋势。苦草体内FAA平均含量为表层0.23(0.02~0.56)mg/g,下层0.16(0.04~0.40)mg/g,菹草体内FAA平均含量为表层0.22(0.07~0.41)mg/g,下层0.21(0.10~0.31)mg/g。在种群水平实验中,苦草和狐尾藻体内FAA随着TN和NH4浓度的变化趋势与个体水平实验结果一致。苦草FAA的平均含量为0.46(0.02~1.12)mg/g,高于个体水平实验,狐尾藻FAA的平均含量为0.38(0.06~0.58)mg/g。虽然在一定氮浓度(TN<12.0 mg/L,NH4 < 6.3 mg/L)胁迫下沉水植物体内发生游离氨基酸(FAA)的积累,但是沉水植物仍然生长良好。当氮超过一定浓度(TN> 33.8 mg/L,NH4 > 24.4 mg/L),植物的生长才会受到抑制。而自然湖泊中,TN浓度一般不会超过12.0 mg/L,NH4 浓度不会超过6.3 mg/L。2. 为期3~5个月的个体水平实验结果表明:NH4对生长季苦草的胁迫较弱,对冠层型菹草的胁迫较弱。生长季苦草生长与NH4浓度的关系并不显著。即使面临着比低速生长季更强的低光胁迫,生长季苦草78 %的植株数(NShoot)、33 %的叶长(HShoot)和生物量(DMShoot)都要高于低速生长季。莲座型苦草高度的相对伸长率(RERHeight)和生物量的相对生长率(RGRDM)随NH4浓度升高而显著降低,而冠层型菹草的各项生长指标与NH4的关系并不显著。苦草植株数的相对增长率(RGRNS)有67 %高于菹草,而菹草的78 %的RERHeight 和56 %的RGRDM都要高于苦草。3. 为期18个月的种群水平实验结果表明:高氮对狐尾藻的种群扩增有显著的负面影响,而对苦草的种群扩增影响较弱。在50 kg/month(TN=23.7 mg/L,NH4=10.5 mg/L)施肥处理的狐尾藻种群始终没有出现扩增,其他处理组(0,5,11,22,36 kg/month)都出现一定程度的扩增。狐尾藻种群高度在实验过程中一直维持在大于100 cm,几乎不受氮的影响。苦草种群在所有施肥处理组(0,5,11,22,36,50 kg/month)都处于扩增的趋势,但是其覆盖度低于狐尾藻种群。苦草的高度表现出季节变化,在夏秋季高于冬春季。在自然系统中,狐尾藻种群和苦草种群对高氮胁迫的应对策略不一样,狐尾藻通过冠层的生长来抵抗胁迫,而苦草通过种群的扩增来抵抗不利环境。4. 综上所述,高氮对沉水植物生理、生长和种群产生显著负面效应的浓度在TN> 23.7 mg/L,NH4> 10.5 mg/L,而TN< 12.0 mg/L,NH4< 6.3 mg/L时对沉水植物的负面效应较弱。自然湖泊中的氮浓度很难达到这么高,一般TN都低于12.0 mg/L,NH4 低于6.3 mg/L。而且,自然湖泊不会有如此长时间的高氮胁迫,所以自然的低磷条件下氮的作用相对较弱。这为湖泊氮、磷营养的控制明确了聚焦对象,可大幅度节约成本。本文的主要创新点是:(1)本研究在自然的实验池系统内开展全系统尺度的实验,突破了在室内条件开展开展毒性实验的传统研究方式,拓宽了模拟实验研究的尺度,提供了更接近真实的研究结果。(2)本研究从生理、个体生长和种群水平三个层面上开展了高氮对沉水植物效应的研究,所得结果可从现象和效应机制上综合揭示高氮对沉水植物的影响。(3)本研究发现被广泛应用的生理胁迫指标(游离氨基酸)未能有效地反映生长胁迫情况,为今后氨胁迫效应的评价提供了重要的补充和新的方法。(4)本研究发现低磷条件下,自然系统中沉水植物可耐受极高的氮浓度,这为湖泊管理中的氮控制策略提供了新的参考依据。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/38989
Collection学位论文
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GB/T 7714
于清. 高氮对代表性沉水植物个体生长和种群扩增的影响及其阈值[D]. 中国科学院水生生物研究所,2018.
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