劉向東,侯志勇 ,謝永宏，于曉英，李 旭，曾 靜

(1：中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，長沙 410125) (2：湖南農(nóng)業(yè)大學園藝學院,長沙 410128)

洞庭湖是典型的湖泊濕地生態(tài)類型，也是中國第二大淡水通江湖泊[1]. 近年來，極端氣候、頻繁旱澇災害及高強度人類活動的影響，洞庭湖水位不斷降低，洲灘濕地提前出露，三峽工程運行后這種現(xiàn)象更為明顯[2-3]，導致洞庭湖濕地植被呈現(xiàn)明顯的正演替趨勢，呈現(xiàn)群落分布帶不斷下移、生物多樣性受損等多種生態(tài)環(huán)境問題[4]. 洞庭湖濕地是國際重要濕地，水位下降導致淺水洼地減少，生境破壞，沉水植被消失、多樣性明顯下降等問題，亟需得到解決.

沉水植物是洞庭湖主要的生物類群，沉水植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的生態(tài)作用，被認為是湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復的重要工具. 濕地水文控制著濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)格局和生態(tài)過程[5]，是影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能的決定性因素. 濕地水文影響著沉水植物的物種組成和多樣性，沉水植物與湖泊環(huán)境相互作用，其生長發(fā)育、種群結構對維持洞庭湖濕地水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義. 水深是影響淺水湖泊沉水植物生長、分布和繁殖策略的主要因素之一[6-7]. 一般通過降低水位迅速提升水體光照條件，為沉水植被的恢復創(chuàng)造條件[8-9]. 因此，深入研究洞庭湖低水位變化的幅度對水生植物的生長，對預測水生植被動態(tài)和水生態(tài)系統(tǒng)的恢復均有指導意義.

竹葉眼子菜(Potamogetonmalaianus)、黑藻(Hydrillaverticillata)、苦草(Vallisnerianatans)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)是洞庭湖濕地分布范圍最廣、分布面積最大的典型沉水植物種類. 本研究以這4種典型沉水植物為研究對象，模擬野外沉水植物主要分布區(qū)域淺水洼地的水文環(huán)境，設置4個水位梯度(25、50、75和100 cm)，通過對比分析目標植物在不同水位條件下生態(tài)生理指標的差異性，揭示水位變化對沉水植物的影響.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洞庭湖( 28°44′～29°35′N，111°53′～113°05′E) 素有“長江之腎”的美譽. 洞庭湖區(qū)為沖積平原，平均海拔低于40 m，天然湖泊面積2 625 km2. 東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖最低生態(tài)水位分別為22.62、27.19和28.11 m. 洞庭湖屬亞熱帶季風性氣候，春、夏季冷暖氣流交替頻繁，夏、秋季晴熱少雨，秋寒偏旱，多年平均氣溫16.5～17.0℃，年平均降水量1250～1450 mm，無霜期260～280 d，年平均濕度80%[10].

1.2 實驗設計

實驗在中國科學院洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站的綜合控制實驗場完成，選擇洞庭湖4種典型沉水植物竹葉眼子菜、黑藻、苦草、金魚藻，培養(yǎng)底質(zhì)為河沙∶洞庭湖泥土1∶1比例均勻混合.

2018年5月3日，選擇相同規(guī)格大小的4種沉水植物壯苗，每種植物數(shù)量約為500株. 將其培養(yǎng)于裝有15 cm 底質(zhì)的塑料盆中，再將塑料盒(60 cm×35 cm×20 cm)放置于實驗水池(4.0 m×4.0 m×1.1 m)中，幼苗培養(yǎng)的水位為60 cm，培養(yǎng)時間為2周.

以野外調(diào)查的洞庭湖沉水植物生長密度為參考，4種沉水植物的種植密度設置為100株/盆(株/m2). 將實驗水池用磚塊分割成1.0 m×1.0 m×1.1 m的小水池. 2018年5月17日，將株高為20 cm的竹葉眼子菜、金魚藻、黑藻和株高為6 cm的苦草實驗苗種植于裝有18 cm底質(zhì)的塑料盒(60 cm×35 cm×20 cm)，并置于小水池中. 實驗設置(25、50、75和100 cm)4個水位梯度，每個水位設計4個重復，共64個小水池. 采用隨機區(qū)組設計. 實驗持續(xù)時間為2個月. 每3 d對水位進行監(jiān)測，使其保持在實驗范圍內(nèi). 2個月后采取4個水位水池的水樣，用5點取樣法采取4個水位下底質(zhì)，取實驗植物頂端第3節(jié)以上的葉片測酶活性. 從沉水植物的生長、生物量、生理生化指標等方面探討其對不同水位的響應.

1.3 指標測定

實驗結束(2018年7月17日)后，測試目標植物的酶活性和生長情況(株高、節(jié)間距、分枝數(shù)、節(jié)數(shù)、葉片數(shù)等生長指標)，最后采集所有實驗植株測定生物量. 并測定水質(zhì)和底質(zhì)養(yǎng)分含量.

沉水植物超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白等指標采用試劑盒(蘇州科銘生物技術有限公司)測定. 底質(zhì)測定指標包括有機質(zhì)、總氮、總磷、總鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮、硝態(tài)氮、氨氮、有機碳、pH、氧化還原電位(Eh). 底質(zhì)總氮采用元素分析儀 (2400II CHNS/O Elemental Analyzer, Perkin-Elmer, USA) 測定，總磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定，總鉀采用氫氧化鈉堿-火焰光度法測定，速效磷采用氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收法測定[11]，堿解氮采用堿解擴散法測定，硝態(tài)氮和氨氮用1 mol/L的氯化鉀浸提，流動注射分析儀測定(FIAstar 5000 Analyzer, Foss Tecator, Denmark)，有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，底質(zhì)pH(水土比為2.5∶1)采用PB-10酸度計[12]測定，Eh采用便攜式氧化還原電位儀測定. 水質(zhì)指標包括總氮、總磷、pH、磷酸鹽、堿度和氯化物. 水樣總氮、總磷、磷酸鹽濃度采用流動注射分析儀(FIAstar 5000 Analyzer, Foss Tecator, Denmark)測定，水樣堿度采用鹽酸滴定法測定，水樣氯化物采用硝酸銀滴定法測定，水樣pH采用PB-10酸度計測定.

表1 不同水位的底質(zhì)指標對比*

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010整理數(shù)據(jù)，使用Origin Pro 2018作圖，使用SPSS Statistics 17.0進行方差分析，多重比較采用Duncan法，以P<0.05表示差異顯著，相關性分析采用Pearson相關分析.

2 結果與分析

2.1 不同水位下底質(zhì)和水質(zhì)的比較

本實驗起始底質(zhì)養(yǎng)分含量為：總氮0.09%、總磷0.09%、總鉀3.04%、堿解氮20.87 mg/kg、速效磷10.70 mg/kg、速效鉀326.67 mg/kg、硝態(tài)氮6.97 mg/kg、氨氮6.59 mg/kg、有機碳1.21%、有機質(zhì)2.09%，由表1可知，水位可改變底質(zhì)理化性質(zhì)[13]. 2個月后不同水位下的底質(zhì)養(yǎng)分含量發(fā)生了顯著性變化. 4個水池的底質(zhì)中，高水位水池比低水位水池底質(zhì)總氮含量高，100 cm水位水池底質(zhì)總磷含量最高(0.08%). 50 cm水位水池底質(zhì)總鉀含量最高. 100 cm水位水池底質(zhì)堿解氮含量與25 cm水位水池底質(zhì)堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05)，100和75 cm水位水池底質(zhì)速效磷、速效鉀含量高，4個水池底質(zhì)的硝態(tài)氮含量無顯著性差異，25 cm水位水池的氨氮含量最高(11 mg/kg)，與其他3個處理有顯著性差異，25 cm水位水池底質(zhì)的有機碳和有機質(zhì)含量最高，50 cm的含量最低，4個水池底質(zhì)的pH值在7.78～8.30之間，沉水植物能正常生長，溫度均在25.18～26.55℃之間，4個水池底質(zhì)Eh均無顯著性差異，在197.57～233.46 mV范圍內(nèi). 綜上所述，100和75 cm水位水池的養(yǎng)分含量高于50和25 cm水位水池，氨氮、有機質(zhì)和有機碳含量在25 cm水位水池較高.

從表2可知，實驗2個月后，水位對水質(zhì)有顯著性影響(P<0.05). 4個水池總氮含量有顯著性差異(P<0.05)，75 cm水位水池總氮含量最高(4.36%)，磷酸鹽含量均小于0.002%，總磷含量均無顯著性差異，硝態(tài)氮和氨氮濃度在0.004～0.05 mg/L之間，低水位水池比高水位水池水的堿度高，75 cm水位水池的氯化物濃度高(3.13 mg/L)，4個水池水體的pH值在7.39～8.23之間. 因為沉水植物有改善水質(zhì)的作用，所以水質(zhì)的差異性取決于不同水位環(huán)境下的生長情況.

表2 不同水位水池水質(zhì)指標對比

2.2 水位對4種沉水植物生長的影響

從表3可知，不同水位對沉水植物生長影響明顯. 竹葉眼子菜在25和50 cm水位下株高低，分枝數(shù)少，節(jié)數(shù)多，節(jié)間距短，葉片數(shù)多，莖細；在75和100 cm水位下株高高，分枝數(shù)多，節(jié)數(shù)較多，節(jié)間距較長，莖直徑長. 黑藻在75 cm的水位下株高最高(107.67 cm)，25 cm水位下株高最低(55.67 cm)；75和100 cm水位下分枝多；100 cm水位下的節(jié)數(shù)最多(30.33節(jié))；50 cm水位的節(jié)間距最短(1.57 cm). 苦草的株高和葉片數(shù)與水位呈正比，水位越深，株高越高，且葉片數(shù)越多. 金魚藻的葉片為輪生，裂片絲狀，分布全株，故本實驗金魚藻的葉片觀測為葉片長度. 金魚藻在100 cm水位條件下株高最高(88.67 cm)，葉片長，莖直徑為2.74 mm；過低和過高的水位不利于金魚藻分枝；25 cm水位條件下金魚藻的莖細. 由此可見，株高、分枝數(shù)、莖直徑與水位基本呈正比，25 cm極低水位明顯抑制沉水植物株高、分枝、莖直徑等生長，75和100 cm的高水位有利于沉水植物的生長.

表3 不同水位對4種沉水植物生長的影響*

2.3 水位對4種沉水植物生物量的影響

各處理最初種植為10株/盆，2個月后，竹葉眼子菜在25 cm水位下繁殖量最低(14株/盆)，相對最初種植時增長40.0%，100 cm水位下繁殖量最高(91.67株/盆)，相對最初種植時增長816.7%. 黑藻在50 cm水位下繁殖量為61.33株/盆，相對最初種植時增長513.3%，在75 cm水位下繁殖量最高(123.33株/盆)，相對最初種植時增長1133.3%. 苦草在25 cm水位的繁殖量最低(55.33株/盆)，相對最初種植時增長453.3%，50 cm水位下繁殖量最高(238株/盆)，相對最初種植時增長2280%. 金魚藻在75 cm水位下的繁殖量(48.67株/盆)顯著高于其他水位下，相對最初種植時增加率為386.7%. 可見，水位對沉水植物的繁殖有顯著影響，4種沉水植物在25 cm水位下繁殖量均相對較低(圖1).

從圖2可知，竹葉眼子菜植株總長度隨水位增加而增加. 黑藻在50 cm水位條件下總長度(68.00 cm)顯著短于其他水位下，在75 cm水位下的總長度(89.33 cm)顯著長于其他水位下，4個水位的黑藻地下部分長度無顯著性差異(P>0.05). 苦草在25 cm水位下地上和地下部分長度均顯著短于其他3個水位下，其地上部分長15 cm，地下部分長8.33 cm，100 cm水位下地上部分長度最長(31.67 cm)，地下部分長度為11.67 cm. 金魚藻在25 cm水位下總長度顯著短于其他3個水位，其地上部分長度為30.00 cm，地下部分長度為17.67 cm；50 cm水位下地上部分長度為61.33 cm，地下部分長度最長(19.33 cm). 可見，不同水位環(huán)境下的沉水植物生長長度有顯著性差異(P<0.05)，4種沉水植物在不同水位環(huán)境下的地上部分長度均顯著長于地下部分長度，竹葉眼子菜、苦草、金魚藻在50 cm水位條件下植株地下部分生長情況好. 4種沉水植物在75和100 cm水位條件下植株地上部分生長情況均較好.

不同水位對沉水植物的鮮重和干重的影響均有顯著性差異(P<0.05). 25 cm水位下竹葉眼子菜、苦草、金魚藻的總重顯著小于其他水位條件下的總重，地上部分鮮重與地下部分鮮重呈正比. 黑藻在25 cm水位下總重最高，50 cm水位下最低. 金魚藻在75 cm水位的總重顯著高于其他3個水位處理. 竹葉眼子菜和苦草在100 cm水位下的總重最高. 可見，竹葉眼子菜、苦草、金魚藻在50 cm水位條件下地下部分生長好，100和75 cm的高水位對地上部分生長有促進作用. 100 cm水位有利于竹葉眼子菜的生長繁殖，其生物量高，黑藻和金魚藻適合在75 cm的水位條件下生長繁殖，苦草適合在50 cm水位條件下生長繁殖. 25 cm極低水位環(huán)境下沉水植物相對繁殖能力較弱(圖3，圖4).

圖1 不同水位對4種沉水植物株數(shù)的影響(不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05)Fig.1 Effect of different water levels on the number of four submerged plants

2.4 不同水位下沉水植物生理指標的比較

植株POD、SOD、CAT、MDA、可溶性蛋白和可溶性糖等是衡量沉水植物對逆境環(huán)境耐受性的重要指標. 在酶促清除系統(tǒng)中，SOD是最有效的抗氧化酶之一，可清除有潛在危險的超氧陰離子，從而減輕植物受到的危害[14]. 從表4可知，各水位間竹葉眼子菜的SOD活性大小為：100 cm>75 cm>50 cm>25 cm，黑藻的SOD活性大小為：100 cm>50 cm>75 cm>25 cm，苦草的SOD活性大小為：100 cm>75 cm>25 cm>50 cm，金魚藻的SOD活性大小為：25 cm>50 cm>75 cm>100 cm. 各處理的過氧化物酶(POD)均有顯著差異(P<0.05)，其中75 cm水位下的竹葉眼子菜和黑藻POD活性最高，分別為4008.04和1052.40 U/mg，100 cm水位下的苦草和金魚藻POD活性最高，為1988.05和1492.82 U/mg. 4種沉水植物在水位25和50 cm的環(huán)境下MDA較高，這說明25和50 cm的水位會造成沉水植物細胞的氧化損傷. 100 cm水位下竹葉眼子菜、黑藻、苦草的CAT活性較高，75 cm水位下的金魚藻CAT活性較高. 竹葉眼子菜和黑藻在不同水位下的可溶性糖含量無顯著性差異(P<0.05)，25 cm水位下苦草的可溶性糖含量顯著高于其他3個水位下，50 cm水位下金魚藻的可溶性糖含量顯著高于其他3個水位下. 25 cm水位沉水植物可溶性蛋白含量顯著低于其他水位下. 整體來看，100 cm水位下的沉水植物酶活性較強，75和50 cm水位下的沉水植物酶活性次之，25 cm水位下的沉水植物酶活性較弱.

表4不同水位對4種沉水植物生理的影響*

圖2 不同水位對4種沉水植物總長度的影響(不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05)Fig.2 Effect of different water levels on the length of four submerged plants

圖3 不同水位對4種沉水植物總鮮重的影響(不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05)Fig.3 Effect of different water levels on total fresh weight of four submerged plants

圖4 不同水位對4種沉水植物總干重的影響(不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05)Fig.4 Effect of different water levels on the total dry weight of four submerged plants

2.5 水位與沉水植物各指標的相關性分析

由表5可知，水位與竹葉眼子菜的可溶性蛋白含量、植株總長度、地上部分鮮重、地下部分鮮重、地上部分干重、地下部分干重、總干重呈顯著正相關(P<0.05,0.952≤R≤0.989)，與總鮮重、節(jié)間距呈極顯著正相關(P<0.01,R=0.999). 水位與黑藻地下鮮重、葉片數(shù)呈顯著正相關(P<0.05,R=0.990,R=0.972). 水位與苦草葉片數(shù)呈顯著正相關(P<0.05,R=0.983)，與苦草株高呈極顯著正相關(P<0.01,R=0.998). 水位與金魚藻SOD含量呈顯著負相關(P<0.05,R=-0.964)，與MDA含量呈極顯著負相關(P<0.01,R=-0.995).

表5 水位與4種沉水植物各相關指標的相關性分析

3 討論

沉水植物生長需要適宜的水深，當水深環(huán)境適合其生長時，能對水生生態(tài)系統(tǒng)起到最大的修復作用[15]. 沉水植物為了適應水位變化，其株高、葉長、葉數(shù)、生物量及分配格局、生理活性等也會隨之改變[16-18]. 尹杰等[19]通過原位模擬實驗，比較在同一水位幅度變化下不同高水位持續(xù)脅迫水平，認為持續(xù)高水位脅迫下(<8 d)，竹葉眼子菜和狐尾藻仍具有較好的形態(tài)和生長適應性. 高汾等[20]模擬水位抬升，發(fā)現(xiàn)高水位促進了竹葉眼子菜為代表的冠層型植物的生長，而水位抬升不利于以黑藻為代表的直立型植物的生長，抑制了蓮座型植物密刺苦草的生長. 本研究表明100和75 cm水位能促進4種沉水植物株高的生長. 25 cm低水位抑制竹葉眼子菜的株高生長，導致植物個體節(jié)數(shù)增加、節(jié)間距縮短、葉片數(shù)增加和直莖變細. 這與竹葉眼子菜屬于冠層型植物所形成的生態(tài)位密切相關，竹葉眼子菜為了獲取充足光照，通過增加節(jié)數(shù)、縮短節(jié)間距以降低脅迫，從而形成一種對水位變化的適應機制.

隨著水位降低，沉水植物生物量增加[21-23]. 本實驗研究表明，苦草的株高和葉片數(shù)與水位呈正比，株高和葉片數(shù)隨著水位的增高而增加，高水位下苦草會通過增加地上部分的分配獲取更多的光源，從而保證植株資源利用有效率. 50 cm的低水位下苦草接受的陽光充足，生長活動橫向繁殖擴展，占據(jù)更大的生存空間. Zhang等[24]通過M-SAVM模擬5種水力情景生物量與水位的關系，認為沉水植物生物量與水位之間存在著顯著的負相關(P<0.01，R=-0.97). 本實驗研究結果有所不同，認為不同類型的沉水植物在不同水位下的生物量存在差異，25 cm極低水位不適合竹葉眼子菜、金魚藻冠層型植物和苦草蓮座型植物的向上生長及地上部分伸長，橫向繁殖擴展及生物量積累也受到影響，25 cm極低水位適合黑藻繁殖能力強的直立型植物的生物量積累.

水位可通過改變水質(zhì)直接影響植物生長[25]. 本研究表明75 cm水位下金魚藻生長好，生理活性強，生物量多，其次為100 cm水位下. 這可能與水體氨氮濃度呈正相關，實驗證明水位為75 cm的實驗處理氨氮濃度最高、水位100 cm次之，顯著高于其他水位處理. Best[26]研究氮素對金魚藻的生長和其體內(nèi)氮含量的影響，發(fā)現(xiàn)水體中氮素濃度≤1 mg/L時，氮增加可以促進金魚藻的生長，氮素濃度≥5 mg/L時抑制金魚藻的生長. 周金波等[27]研究認為在低濃度氨氮范圍內(nèi), 氨氮升高有利于植物生長.

沉水植物對逆境環(huán)境的響應還包含植物光合作用速率和酶活指標. 光合作用是沉水植物最重要的代謝活動，本實驗設計水位為低水位，水透明度為100%，光合速率對沉水植物的生長影響較小. 植株SOD、POD、CAT、MDA、可溶性糖和可溶性蛋白是衡量沉水植物對逆境環(huán)境耐受性的重要指標. 當植物受到脅迫時，將導致一系列生理代謝紊亂[28]. 劉俊初等[29]研究表明菹草(Potamogetoncrispus)、伊樂藻(Elodeacanadensis) 和微齒眼子菜(Potamogetonmaackianus)的可溶性糖含量隨著水位的降低而下降，穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)的可溶性糖含量隨著水位的降低有升高趨勢. 本實驗75和100 cm水位下竹葉眼子菜SOD、POD、CAT、可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著高于25和50 cm水位. 這說明100和75 cm水位的沉水植物保護酶有效清除體內(nèi)的活性氧，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡維持在良好的水平. 除活性氧方面，并非所有的保護酶都表現(xiàn)出一致性的變化規(guī)律，某些保護酶活性增加并不意味著清除活性氧能力同步增強. MDA含量是植物細胞膜質(zhì)過氧化程度的體現(xiàn)，SOD是機體內(nèi)天然存在的超氧自由基清除因子. 100和75 cm水位下金魚藻SOD含量低于25和50 cm水位下，其原因可能在于SOD分解植物體內(nèi)積累的超氧陰離子自由基來保護細胞受損[30]. 75和100 cm水位下4種沉水植物的MDA含量維持在較低水平，說明此時整個防御系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用發(fā)揮至最佳水平，隨著保護酶活性的上升，活性氧的清除能力最強.