沉水植物茎叶微界面及其对水体氮循环影响研究进展

沉水植物茎叶表面常富集了水中各类物质,包括有机质、泥沙、菌胶团、藻类、微生物等,形成厚度不等的附着层,形成特殊的茎叶微界面,其具有特殊的氧化-还原异质环境,并能为氮素循环细菌提供有机质,是水中氨化、反硝化及厌氧氨氧化等脱氮行为的重要基础,因此,了解沉水植物茎叶微界面组分、微环境变化特征及其对氮循环的调控作用,对于正确认识和利用沉水植物的生态调控功能、改善水环境质量具有十分重要的意义。基于此,就沉水植物茎叶微界面物质组成、微环境特征及其对水体氮循环影响研究现状进行了归纳总结,并对今后的研究方向进行了简要展望。     

沉水植物生长和腐解对富营养化水体氮磷的影响机制研究进展

沉水植物作为湖泊、河流等生态系统的主要高等植物, 在修复富营养化水体中的作用日益受到重视, 合理利用沉水植物是去除富营养化水体氮磷的有效途径。沉水植物对水体氮磷的迁移转化影响包括生长和腐解两个阶段。文章综述了沉水植物生长对富营养化水体氮、磷的净化效果和净化机制, 分析了沉水植物腐解对氮、磷迁移转化的持续影响, 并提出了今后沉水植物净化氮、磷的研究方向, 为沉水植物推广应用于修复富营养化水体提供理论基础。     

洱海底泥特性对七种沉水植物生长的影响

为研究洱海底泥特性对沉水植物生长的影响,采用不同比例洱海底泥与湖岸土壤掺混形成五种基质,并分别移栽苦草、黑藻、微齿眼子菜、马来眼子菜、光叶眼子菜、穿叶眼子菜和狐尾藻,进行为期70d的室外生长实验,结果表明不同基质对几种植物的影响具种间差异。（1）在基质为50%深层底泥+50%湖岸土壤（碳、氮、磷含量分别为31.59、0.334和0.095 mg/g）时,苦草、马来眼子菜和光叶眼子菜的株高最大;基质为100%深层底泥（碳、氮、磷含量分别为37.88、0.803和0.149 mg/g）时,黑藻、微齿眼子菜、穿叶眼子菜和狐尾藻的株高最大;（2）基质为100%深层底泥时,苦草、黑藻、微齿眼子菜、马来眼子菜和光叶眼子菜生物量增加最多且相对生长速率最大;基质为100%浅层底泥（碳、氮、磷含量分别为77.37、5.691和0.136 mg/g）时,穿叶眼子菜生物量增加最多,相对生长速率最大;狐尾藻在基质为50%浅层底泥+50%深层底泥（碳、氮、磷含量分别为49.27、2.005和0.131 mg/g）时生物量增加最多,相对生长速率最大;（3）基质为100%湖岸土壤（碳、氮、磷含量分别为22.06、0.327和0.231 mg/g）时,7种沉水植物均生长缓慢,生物量增加较少。综上所述,中营养底泥（碳、氮、磷含量分别为31.59-49.27、0.334-2.005和0.095-0.131 mg/g）更适合沉水植物生长,底泥中过高或过低营养都不利于沉水植物生长。     

3种沉水植物去除水体中氮磷能力研究

研究了3种沉水植物对不同质量浓度富营养化水体的净化能力,结果表明,轮叶黑藻、金鱼藻和狐尾藻对水体中的氮、磷都有很好的净化效果,对总氮去除能力从大到小依次为轮叶黑藻>金鱼藻>狐尾藻,对总磷去除能力从大到小依次为轮叶黑藻>狐尾藻>金鱼藻。实验表明,沉水植物是富营养化水体水生态系统重建的关键,在水体生态修复中,轮叶黑藻是一种很好的水体净化沉水植物。     

翠湖沉水植物消失探究

近年来,北京翠湖湿地公园中沉水植物大量减少．失去了水体净化的功能。本文通过实验对湖水中农药残留物和沉水植物的相关影响进行研究．结果表明现阶段农药扑草净残留物对翠湖湖水及底泥土壤的影响不大,但相关部门反复喷洒农药扑草净在杀灭引起“水华”现象的藻类的同时,也抑制了水体中的沉水植物进行光合作用而导致其大量死亡。建议相关部门对于化学药物的使用应该采取谨慎措施．同时对沉水植物进行补种。恢复健康湿地生态系统的生物多样性。     

菹草茎叶微界面O2时空动态

采用高分辨率光纤氧微电极测定了富营养化水体中沉水植物菹草(Potamogeton crispus)茎叶微界面(0—2.0 mm)氧(O_2)。菹草叶微界面O_2浓度梯度具明显的时空变化。时间上,菹草叶微界面O_2浓度具有明显的生长阶段变化和昼夜变化。幼苗期和快速生长期微界面O_2浓度增加幅度较小,稳定期叶表O_2浓度梯度增加幅度最大,衰亡期叶微界面O_2浓度受附着物影响具明显的空间梯度。菹草叶微界面O_2表现为昼高夜低的单峰变化模式,主要受光照和温度的影响。空间上,越接近茎叶表面,O_2浓度越高。顶部幼叶微界面O_2浓度梯度增加较平缓,中部成熟叶微界面O_2浓度梯度变化最陡,波动幅度最大,中部茎和基部衰老叶微界面O_2浓度梯度由于受密集附着物的影响,在附着物表面达到最大值,进入附着层后略有下降。结果表明,菹草茎叶微界面O_2时空变化主要受附着物和植物光合放氧能力的影响。光纤微电极是一种分析植物叶微界面氧时空分布的理想工具,对深入研究植物微界面在富营养化水体中养分的迁移转化具有重要意义,可为水生植物生理生态研究提供有力工具。     

五种沉水植物对富营养化水体的净化效果

为达到净化水质的目的,采用移栽沉水植物控制富营养化水体中营养盐含量和浮游藻类生物量。本研究在夏季藻类密度较高的富营养化水体中移栽5种长江中下游流域常见沉水植物,比较不同沉水植物去除营养盐和控制藻类总量的能力。研究结果:5种沉水植物对水体总氮含量去除率的大小顺序为:竹叶眼子菜>黑藻>苦草>微齿眼子菜>菹草,对总磷去除率大小顺序为:竹叶眼子菜>黑藻>微齿眼子菜>苦草>菹草;竹叶眼子菜控制水体中藻类总量的效果最佳,苦草、微齿眼子菜及菹草次之,黑藻对水体总磷和浮游植物的去除效果均极显著(p≤0.01),而对总氮含量的作用影响不明显(p=0.209)。综合营养盐吸收作用和藻类控制效果来看,竹叶眼子菜在整个实验过程中生长状态良好并达到较为稳定的净化作用,是夏季治理浅型富营养化静水水体的理想物种之一。     

沉水植物生长影响因子研究进展

沉水植物恢复是近年来国内外广泛关注的热点.回顾了沉水植物恢复研究的总体情况,通过对影响沉水植物生长环境因子的系统分析与总结得出:光照强度对沉水植物生长起着主要限制作用;营养盐、底质、悬浮物、水流、温度对沉水植物生长影响较为明显,各因子都存在某一适宜取值区间,满足沉水植物的最佳生长,就不同类型沉水植物及在其不同生长阶段,该取值区间也有所变化;着生藻类、重金属、pH等因子也会对沉水植物生长产生一定影响,但其作用程度相对上述因子较低.目前研究中存在的问题有:(1)相关环境因子对沉水植物生长影响机理的动态、定量化研究不足;(2)考虑到多项因子的内在联系与相互作用,开展的综合性研究较少;(3)室内实验较多,野外实验较少,实验结果不能有效指导野外实践.     

连续可调式沉水植物网床对河道水质的修复

在太湖贡湖水源保护区陆域的一条长约200 m的污染河道内构建了一系列连续可调式沉水植物网床,形成了以菊花草、苦草、伊乐藻、轮叶黑藻和菹草等沉水植物构成的水生植物群落;跟踪监测了总氮(TN)、铵态氮(NH4 +-N)、亚硝态氮(NO2--N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)和磷酸盐(PO43--P)等水质指标,分析沉水植物网床引导沉水植被恢复对污染河道的水质修复效果.结果表明:沉水植被网床构建后,水体透明度显著升高,由修复前的0.5m提高到1.7 ～1.8 m;在沉水植被网床构建后的第5天和第20天,TN和TP的削减率分别为35.6％、66.3％和29.4％、63.2％;5个月后,修复河道水体内NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、PO43--p和TP的浓度比对照组显著降低,削减率分别达到92.4％、76.8％、72.7％、73.9％、90.5％和92.0％.由连续可调式沉水植被网床引导恢复的水生植物群落可用于河道,特别是陆域浅水污染水体的生态修复.     

沉水植物光合作用的特点与研究进展

沉水植物属于高等植物,由陆生被子植物演化而来,它们在形态、光合生态生理方面对水下生活环境发生了一系列适应性变化。沉水植物的光合作用受水体中光、温度、pH和无机碳等影响,本文对此进行了综述。水中低CO2扩散率以及细胞外较厚的扩散层阻碍了沉水植物净碳的吸收,因此,沉水植物光合作用速率受到无机碳供应的限制。为获得无机碳,沉水植物在形态结构和生理生化上表现一定的特性,包括薄的叶片层并含有叶绿体以及对HCO3-利用的能力,拟C4型和CAM型光合代谢途径的选择。这些是沉水植物碳浓缩机制的具体体现。     

Phytoplankton and submerged macrophytes in the aquatic ecosystems of the Danube Delta during the last decade

The dynamics are presented of the main primary producers in seven representative Danube Delta lakes. Generally, the primary productivity developed from the macrophyte-epiphyte complex towards the phytoplankton. Species changes occurred in the two main compartments with increasing relative abundance of colonial blue-green algae in the phytoplankton and in submerged macrophytes of species with a vertical growth strategy. These changes are linked to accelerated eutrophication of the lakes, with increased phosphorus loading and a reduction in N:P ratio.     

广西澄江喀斯特湿地沉水植物碳、氮、磷化学计量特征

沉水植物是水生生态系统中重要的初级生产者。当前有关沉水植物生态化学计量特征的研究主要集中在非喀斯特区,而在喀斯特区的相关研究较为缺乏。因此,以广西澄江喀斯特典型湿地中的7种沉水植物为研究对象,分析沉水植物地上部分及底泥的碳（C）、氮（N）、磷（P）化学计量特征。结果显示,（1）7种沉水植物地上部分总碳、总氮和总磷平均含量最大值均出现在小茨藻（Najas minor）分别为（325.4±5.01） g/kg、（33.07±1.59） g/kg和（3.79±0.16） g/kg;C ： N、C ： P、N ： P平均值分别为10.14±0.18、96.23±3.56和9.47±0.32,C ： N最大值（11.89±0.54）出现在苦草（Vallisneria natans）,C ： P和N ： P最大值（113.27±18.14和11.13±1.63）均出现在穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）。（2）底泥有机碳、总氮、总磷、碱解氮和速效磷含量平均值分别为（15.05±0.56） g/kg、（2.06±0.08） g/kg、（0.58±0.01） g/kg、（162.53±9.16） mg/kg和（21.73±0.86） mg/kg,有机碳、总氮、总磷、碱解氮和速效磷的平均含量最大值均出现在小茨藻（N.minor）分别为（18.54±1.04） g/kg、（2.55±0.25） g/kg、（0.66±0.03） g/kg、（214.82±32.05） mg/kg和（26.37±3.31） mg/kg;底泥的C ： N、C ： P和N ： P平均值分别是7.33±0.14、25.7±0.72和3.53±0.09,C ： N、C ： P和N ： P最大值分别出现在金鱼藻（Ceratophyllum demersum）（7.45±0.32）、小茨藻（N. minor）（28.29±1.29）和黑藻（Hydrilla verticillata）（3.89±0.25）。（3）沉水植物的地上部分总碳与底泥的有机碳和总氮均呈显著负相关性;沉水植物的地上部分总氮与底泥有机碳、碱解氮、C ： P均呈显著正相关性;沉水植物地上部分C ： N、C ： P均与底泥有机碳、总氮、总磷、碱解氮、C ： P、N ： P呈显著负相关,表明不同喀斯特湿地沉水植物和底泥之间的养分耦联性不同。本研究为喀斯特湿地生态系统生态化学计量学研究提供理论依据。     

Eutrophication decreases ecological resilience by reducing species diversity and altering functional traits of submerged macrophytes

Positive feedback is key to producing alternative stable states and largely determines ecological resilience in response to external perturbations. Understanding the positive feedback mechanisms in macrophyte-dominated lakes is crucial for resilience-based management and restoration. Based on the field investigation of submerged macrophyte communities in 35 lakes in China, we found that morphological complexity (MC) and morphological plasticity (MP) are correlated with the stoichiometric homeostasis of phosphorus (H_P) and are related to ecosystem structure, functioning, and stability. We also found that the positive feedback strength of lakes dominated by macrophytes is biomass- and diversity-dependent. Eutrophication can decrease the community biomass by decreasing community MC, MP, and H_P and the species diversity through low-light availability, ultimately decreasing the positive feedback strength and resilience of clear water states. We argue that functional traits and species diversity should be considered to build more resilient ecosystems in future changing environment scenarios.     

沉水植物附着细菌群落结构及其多样性研究进展

与陆生植物类似,沉水植物的叶表也存在着大量的附着细菌。附着细菌拥有独特的生态位和显著的生态功能,与沉水植物构成了复杂的共生体系。针对附着细菌的群落结构及其多样性进行了简单的综述。在方法学上,"表面活性剂+超声处理"的方式能够比较有效地洗脱叶表的附着细菌。显微计数和分离培养的方法分别发现,某些沉水植物附着细菌的多度在105~107个/cm2以及106 CFU/cm左右。克隆测序的研究表明沉水植物附着细菌的OTU在几十到上百的范围内。在群落结构上,Betaproteobacteria、Bacteroidetes、Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Planctomycetes、Cyanobacteria等门类的细菌较为常见。先锋物种在附着细菌生物膜的形成过程中发挥着关键作用,环境条件和植物体都会对附着细菌的多样性造成影响。富营养化水体观察到较高的附着细菌丰度,溶解性有机物比无机营养物更加适合附着细菌的利用。植物体的叶片化学组成、渗出物以及物理结构等会影响附着细菌的多样性及群落结构。对沉水植物附着细菌群落结构形成的机理进行了假说性质的总结,并对附着细菌的研究前沿进行了展望。     

保安湖沉水植物分布的GIS模拟

以GPS为辅助,在保安湖主体湖和桥墩湖进行沉水植物调查。将野外调查数据构建GIS数据库,基于GIS软件平台,运用Kringing插值法对保安湖沉水植物分布进行模拟。模拟结果清楚地显示出调查时保安湖沉水植物及4优势种(金鱼藻Ceratophyllum demersum L.、穗状狐尾藻Myriophyllum spicatum L.、微齿眼子菜Potamogeton maackianus A．Benn．及苦草Vallisneria spiralis L．)分别在湖中的分布情况。统计后结果表明沉水植物覆盖面积占全湖面积的92．9％,总生物量(湿重)为143682．4t。比较历史数据,发现湖中水生植被组成特征已由微齿眼子菜绝对优势转变为4种植物的共同优势。     

湖泊水动力变化对沉水植物的影响研究综述

随着全球气候变化加剧及水利工程的快速发展,湖泊水动力状况发生了显著变化。通过影响湖泊水体和沉积物理化性质,水动力变化可以作用于沉水植物生存、生长与分布等方面。在长期适应进化过程中,沉水植物演化出了一系列有效的适应策略,能一定程度上克服水动力变化的负面影响。但当前湖泊水动力变化程度远超沉水植物适应上限,湖泊沉水植物消退已成为全球普遍现象。了解沉水植物适应水动力条件的过程有助于揭示湖泊沉水植被退化机制,为未来沉水植物的保护和恢复提供借鉴。因此,本文系统综述当前湖泊水动力变化成因,水动力变化对沉水植物的不利影响及沉水植物适应策略,包括：繁殖对策、形态学对策、生理对策等。同时,综述当前研究进展,今后还需大力加强沉水植物解剖学及物种忍耐力差异方面的研究。     

Effects of aquatic macrophytes on water quality and phytoplankton communities in shallow lakes

We investigated aquatic macrophytes, water quality, and phytoplankton biomass and species composition in three shallow lakes with different levels of vegetation cover and nutrient concentration in Kushiro Moor, during August 2000. Trapa japonica can live in a wide range of nutrient levels. This species forms an environment with a steeper extinction of light, higher concentrations of dissolved organic carbon (DOC), lower concentrations of dissolved oxygen (DO) near the bottom, and lower concentrations of nitrate+nitrite and soluble reactive phosphorus (SRP) than other vegetation types. The pH was much higher in a Polygonum amphibium community, and the DO near the bottom did not decrease compared to a T.japonica community in the summer. The relationship between chlorophyll a and the limiting nutrient (total phosphorus (TP) when total nitrogen (TN):TPis 10 and TN/10 when TN:TP is <10) significantly differed between lakes with and without submerged vegetation. The chlorophyll a concentrations at a given nutrient level were significantly lower in water with submerged macrophytes than in water without them. Correspondence analysis showed that the difference in phytoplankton community structure across sites was largely due to the presence or absence of submerged macrophytes, and the ordination of phytoplankton species in the lakes with submerged macrophytes is best explained by environmental gradients of TN, chlorophyll, pH and SRP.     

太湖环棱螺(Bellamya sp.)及其与沉水植物的相互作用

选用太湖常见的环棱螺及沉水植物,研究了不同状态下环棱螺营养盐的释放特征,探讨了环棱螺对水体营养盐、透明度和浮游藻类的影响,及其与沉水植物的相互作用.结果表明:在一定温度范围内,环棱螺营养盐的释放速率随温度升高而增加,且进食状态下释放速率高于饥饿状态;环棱螺能在短时间内提高水体透明度,但其营养盐释放又引起局部水体溶解态氮磷含量的增加;适宜的条件下,水体中藻类的再生能力超过环棱螺对其的抑制力;水体营养盐含量增加,促进与环棱螺共存的伊乐藻和轮叶黑藻的生长.在太湖的不同湖区,草型湖区螺类的生物量远高于藻型湖区,这表明沉水植物可能是影响螺类分布的重要生态因子之一.     

Heavy metals contamination and accumulation in submerged macrophytes in an urban river in China

Deteriorating urban water quality has attracted considerable attention in China. We investigated the contamination levels and distribution of heavy metals (As, Cd, Cu, Ni, Pb, and Zn) in Yuxi River water and sediments, and assessed the heavy metal accumulation capability of five species of submerged macrophytes: Vallisneria natans (Lour.) Hara, Potamogeton pectinatus L., Hydrilla verticillata (L. f.) Royle, Myriophyllum spicatum L., and Potamogeton crispus L. Samples were collected from upstream and downstream locations in different season. The results showed that the levels of heavy metals in the downstream areas were higher than in the upstream areas. Heavy metal concentrations in the river water during the dry seasons were higher than those during the rainy seasons, and the opposite results appeared in sediments and submerged macrophytes. In general, the river was slightly contaminated by heavy metals, and the concentrations of Pb and Ni in this river should serve as a warning, while Cd and Zn pollution in the sediments desperately needs to be removed. Furthermore, Potamogeton pectinatus L. showed a higher accumulation capacity for these metals among the five native submerged macrophytes and could be defined as a hyperaccumulator for Cd. Therefore, the potential use of native aquatic plants in contaminated rivers is worth further exploration.     

Differential response to climatic variation of free‐floating and submerged macrophytes in ditches

1. Experimental studies have indicated in freshwater ecosystems that a shift in dominance from submerged to free‐floating macrophytes may occur with climate change because of increased water surface temperatures and eutrophication. Field evidence is, however, rare. 2. Here, we analysed long‐term (26 years) dynamics of macrophyte cover in Dutch ditches in relation to Dutch weather variables and the North Atlantic Oscillation (NAO) winter index. The latter appears to be a good proxy for Dutch weather conditions. 3. Cover of both free‐floating macrophytes and evergreen overwintering submerged macrophytes was positively related to mild winters (positive NAO winter index). On the other hand, high cover of submerged macrophytes that die back in winter coincided with cold winters (negative NAO winter index). Our results therefore suggest that the effect of weather on macrophyte species depends strongly on their overwintering strategy. 4. The positive relation of free‐floating macrophytes with the NAO winter index was significantly stronger in ditches in organic soil than in those in inorganic soil. This may be because of increased nutrient loading associated with increased decomposition of organic matter and increased run‐off to these ditches during mild wet winters. 5. Our results suggest that mild winters in a changing climate may cause submerged macrophytes with an evergreen overwintering strategy and free‐floating macrophytes to outcompete submerged macrophytes that die back in winter.