沉積硅藻揭示的歷史時(shí)期水生植被信息——以梁子湖為例

張清慧 董旭輝 姚 敏 陳詩越 羊向東

(1. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008; 2. 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,聊城 252059)

長江中下游地區(qū)是我國淡水湖泊分布最集中的地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 全國面積大于1 km2的淡水湖泊中約40%分布在該地區(qū), 大于 10 km2的淡水湖泊中有63%分布在該地區(qū), 且大多數(shù)都是淺水湖泊, 具有面積大、水淺、換水周期較短及人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度大等特點(diǎn)[1]。在歷史上, 該區(qū)湖泊水生植物分布廣且種類豐富, 是此類湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組分。20世紀(jì)中葉開始的大規(guī)模圍湖造田和 80年代興起的圍網(wǎng)養(yǎng)殖, 破壞了湖泊水生生物的生境, 其數(shù)量、群落構(gòu)成發(fā)生了顯著變化; 大量農(nóng)業(yè)肥料的使用, 城鄉(xiāng)居民生活垃圾等營養(yǎng)物質(zhì)的輸入使大多數(shù)湖泊逐漸富營養(yǎng)化, 浮游植物異常增殖, 水生植被急劇萎縮,湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。據(jù)2001—2010年間沿江近100個(gè)湖泊的多次水質(zhì)監(jiān)測(cè), 該區(qū)目前近 80%的湖泊已處于富營養(yǎng), 甚至重富營養(yǎng)狀態(tài)[1]。

這種淺水湖泊中由于水體富營養(yǎng)化引起的水生植被特別是沉水植被的衰退和消失也是世界范圍內(nèi)的普遍現(xiàn)象[2]。水生植物作為淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)重要的初級(jí)生產(chǎn)者之一, 對(duì)穩(wěn)定湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能起著重要作用[3]。首先, 作為湖泊的主要初級(jí)生產(chǎn)者, 為其他生物提供食物來源、棲息地與產(chǎn)卵場(chǎng)所; 其次, 作為湖泊水體凈化者, 能有效地降低水體中的營養(yǎng)鹽和污染物濃度, 改善水體溶氧狀況、提高水體透明度。通常, 根據(jù)湖泊中水生植被和浮游藻類的多寡, 湖泊可劃分為“草型”和“藻型”兩種穩(wěn)定的生態(tài)狀態(tài)類型。湖泊生態(tài)修復(fù)就是把藍(lán)藻水華頻發(fā)、水質(zhì)渾濁的富營養(yǎng)化藻型湖泊生態(tài)系統(tǒng)通過一定的途徑轉(zhuǎn)化為水生植物茂盛、水質(zhì)清澈的草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)[4]。因此, 水生植物群落的構(gòu)成是健康淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)最為重要的特征之一。

影響水生植物生長和分布的環(huán)境因素眾多, 如水位、透明度、水質(zhì)、其他生物組分[5,6], 營養(yǎng)鹽濃度、魚類群落、自然條件(如颶風(fēng)事件等)等均可能觸發(fā)草型、藻型湖泊的相互轉(zhuǎn)變[3,4]。然而, 湖泊水生植物群落是生態(tài)系統(tǒng)長期演化的產(chǎn)物, 其形成及演化機(jī)制必須從歷史的視角加以考察。特別是現(xiàn)有的湖泊生態(tài)監(jiān)測(cè)多始于環(huán)境惡化之后, 記錄時(shí)間也相對(duì)較短(一般<50年), 并且在強(qiáng)烈人類活動(dòng)干擾下,現(xiàn)今大多數(shù)湖泊水生植物群落都發(fā)生了顯著變化[7]。因此, 基于現(xiàn)有湖泊的生態(tài)調(diào)查, 往往不足以提供不同狀況下湖泊的水生植物群落演替過程和特征,以及生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的信息。另外, 在考慮利用水生植被進(jìn)行湖泊生態(tài)修復(fù)時(shí), 由于缺乏對(duì)湖泊自然過程的了解, 所選擇的植被是否曾經(jīng)在湖泊中出現(xiàn)過,出現(xiàn)時(shí)是否有助于改善水體生態(tài)狀況等信息, 也無法從短期的監(jiān)測(cè)記錄中了解到。在這種情況下, 很難避免生態(tài)修復(fù)過程本身對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成新的擾動(dòng), 達(dá)不到有序地恢復(fù)湖泊過去的生態(tài)群落的目的[8], 甚至可能造成新的物種入侵(例如水葫蘆引種)。因此, 了解歷史時(shí)期水生植物群落的變化可以提供湖泊長期生態(tài)環(huán)境演化過程信息, 并為淺水湖泊生態(tài)修復(fù)提供理論支撐[9]。

湖泊沉積物包含了豐富的生物和理化方面的信息, 是過去環(huán)境變化的窗口, 可以用來重建湖泊生態(tài)系統(tǒng)及其流域過去變化的歷史[10]。在普遍缺乏長期監(jiān)測(cè)記錄的情況下, 基于湖泊沉積物研究的古湖沼學(xué), 特別是古生態(tài)學(xué)技術(shù)是唯一能獲得歷史環(huán)境演變的有效手段。近年來, 在古湖沼學(xué)研究中, 許多生物指標(biāo)(包括硅藻[11—13]、搖蚊[14]、孢粉[15]以及植物化石[16]等)已被廣泛地用來揭示水環(huán)境變化(包括營養(yǎng)、水文和水生植被等)的綜合信息。目前, 在長江中下游平原湖泊開展的前期工作[11,12]表明, 硅藻敏感地響應(yīng)于環(huán)境變化, 能很好地指示湖泊營養(yǎng)、水文和水生植被等特征, 是古湖沼學(xué)研究使用最多的生物指標(biāo)之一[13]。例如董旭輝等通過對(duì)該區(qū) 45個(gè)湖泊表層沉積硅藻與湖泊環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析揭示了部分附生硅藻(如 Achnanthes minutissima、Cocconeis placentula、Nitzschia palea 等)對(duì)水生植被數(shù)量有明顯的指示意義[11]; Yang等對(duì)典型湖泊(龍感湖和太白湖)沉積柱中硅藻的研究表明: 在太白湖,沉積硅藻清楚地記錄了湖泊由草型向藻型階段轉(zhuǎn)變的過程; 在龍感湖, 沉積硅藻則更多的體現(xiàn)出草型湖的特征[17]。但由于缺乏歷史水生植被的直接證據(jù),這些結(jié)論至今尚未得到證實(shí)。

本研究是以長江中下游地區(qū)一典型草型湖泊梁子湖為研究對(duì)象, 結(jié)合高分辨率測(cè)年技術(shù), 利用沉積硅藻重建梁子湖歷史時(shí)期湖泊水生植被的演替過程, 并利用梁子湖水生植被的長期監(jiān)測(cè)記錄作為歷史水生植被的直接證據(jù)對(duì)重建結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證, 試圖證實(shí)沉積硅藻記錄能否揭示過去水生植被的演化過程; 利用歷史時(shí)期流域環(huán)境信息, 揭示梁子湖水生植被演替的驅(qū)動(dòng)因素, 為梁子湖水生植被保護(hù)、長江中下游淺水湖泊水生植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

梁子湖(30°05′-30°18′N, 114°21′-114°39′E)是湖北第二大湖, 位于湖北東部長江南岸, 垮武昌縣、鄂州市境, 與保安湖、三山湖和鴨兒湖緊鄰。湖泊面積304.3 km2, 平均水深4.2 m, 最大水深6.2 m[18]。氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候, 年均氣溫 16.8℃, 極端最高與最低氣溫分別是 40.7℃和–12.9℃, 年無霜期為 275d, 年均降水量為 1263.4 mm。洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生, 多年平均水位 17.8 m, 歷年最高水位27.8 m (1954年), 最低水位16.0 m (1992年)[18]。湖區(qū)水較淺、湖盆平坦、底泥肥沃, 水生植物種類繁多且覆蓋面積大, 并且保持著豐富的生物多樣性,為典型草型湖, 是世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)、國際鳥類保護(hù)聯(lián)合會(huì)(ICBP)和國際重要濕地名錄確定的重要湖沼濕地。

目前梁子湖中沉水植被群落占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 主要種類有眼子菜科的種類: 以微齒眼子菜(Potamogeton mackianus)和菹草(P. crispus)為主、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、苦草(Vallisneria spiralis)、竹葉眼子菜(P.malaianus)和黑藻(Hydrilla verticillata)等; 浮葉植物群落被次之, 主要種類有四角菱(Trapa quadrispinosa)、蓮(Nelumbo nucifera)、芡實(shí)(Euryale ferox)、荇菜(Nymphoides peltatum)和萍蓬草(Nuphar pumilum)等;挺水植被主要種類是菰(Zizania caduciflora), 局部地區(qū)有蘆葦(Phragmites communis)、菖蒲(Acorus calamus)等, 但未形成群落[19,20]。在空間上, 梁子湖水生植被分布差異大, 東梁子湖為草型湖, 水生植被發(fā)育良好,覆蓋率為 95%左右; 前江大湖植被較少; 中湖基本上無水生植被[18]。在時(shí)間上, 該湖水生植被可能經(jīng)歷了復(fù)雜的演變過程。根據(jù)1951—2001年間多次調(diào)查數(shù)據(jù)顯示, 期間水生植被經(jīng)歷了恢復(fù)(1950s)→旺盛頂期(1980s)→急劇衰退(1990s)→逐步恢復(fù)(2000s)的幾個(gè)階段[21]。2010年 8月梁子湖又遭受了一次滅頂之災(zāi),持續(xù)的湖泊高水位導(dǎo)致>80%的水生植物死亡(新華社2010年8月14日?qǐng)?bào)道)。

圖1 梁子湖及采樣點(diǎn)位置Fig. 1 Sampling sites of of Liangzi Lake

2 研究方法

2.1 樣品采集及實(shí)驗(yàn)室分析

2011 年于東梁子湖(30°10′N, 114°37′E, 水深2.7 m)利用重力采樣器采集了長85 cm的柱狀沉積巖芯。沉積巖芯現(xiàn)場(chǎng)分樣, 每個(gè)子樣品厚度1 cm, 樣品密封帶回實(shí)驗(yàn)室后<4℃保存以備分析測(cè)試。210Pb和137Cs年代測(cè)試采用美國EG&GOrtec公司生產(chǎn)的高純鍺井型探測(cè)器(HPGe GwL-120-15)在中科院南京地理與湖泊研究所進(jìn)行測(cè)定。采用Constant Rate of Supply (CRS)模式結(jié)合1963年峰值時(shí)標(biāo)的復(fù)合模式方法[22]來獲得梁子湖年代框架。沉積硅藻取約0.5 g沉積物, 先用 10%鹽酸去鈣質(zhì)膠結(jié)物, 再用雙氧水去有機(jī)質(zhì), 離心清洗制片。硅藻種屬鑒定參照Krammer和 Lange-Bertalot的分類系統(tǒng)[23], 由于210Pb測(cè)年范圍的局限性, 只對(duì)63 cm以上的樣品進(jìn)行分析。依據(jù)硅藻保存情況, 每個(gè)樣品的硅藻統(tǒng)計(jì)數(shù)控制在 300粒以上, 屬種豐度按百分比表示, 對(duì)硅藻序列不同演化階段的劃分利用Tilia-CONISS軟件進(jìn)行[24]。

2.2 歷史時(shí)期水生植被信息的重建與對(duì)比

利用沉積附生硅藻重建梁子湖歷史時(shí)期湖泊水生植被的演替過程, 應(yīng)用該湖水生植被的長期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)重建結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證, 結(jié)果表明該湖沉積附生硅藻記錄對(duì)歷史時(shí)期水生植被的演替有較好的反映?；诖? 對(duì)梁子湖過去近 200年的水生植被覆蓋度進(jìn)行了重建, 考慮到沉積物的分辨率和沉積時(shí)存在一定的混合, 對(duì)此重建結(jié)果用 Loess平滑得到過去近200年長期的水生植被覆蓋度曲線。

2.3 流域資料數(shù)據(jù)

湖北省歷年洪澇災(zāi)害等級(jí)數(shù)據(jù)來源于文章《基于水位和雨量的洪澇受災(zāi)面積評(píng)估模型研究》[25]。文中指出, 根據(jù)洪澇等級(jí)指數(shù)的范圍定義洪澇災(zāi)害等級(jí), I＞1.0 時(shí)為嚴(yán)重洪澇; 1.0≥I＞0 時(shí)為較重洪澇;0≥I＞–0.5時(shí)為一般洪澇; I≤–0.5 時(shí)為旱重于澇。

3 結(jié)果

3.1 沉積年代的確定

梁子湖沉積鉆孔中在23 cm處出現(xiàn)一137Cs峰值,對(duì)應(yīng)于1963年的全球核試驗(yàn)。考慮到長江中下游地區(qū)強(qiáng)烈人類活動(dòng)的影響, 采用210Pb CRS模式的復(fù)合模式[22], 即用137Cs時(shí)標(biāo)對(duì)CRS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正的模式對(duì)鉆孔沉積物進(jìn)行年代計(jì)算, 以此獲得真實(shí)的鉆孔年代標(biāo)尺。歷史時(shí)期沉積巖芯年代與深度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。通過CRS模式計(jì)算的沉積巖芯的平均沉積速率為0.034 g/(cm2·a)。沉積巖芯63 cm處年代約為1850AD。

圖2 梁子湖年代-深度對(duì)應(yīng)曲線Fig. 2 The relationship between chronology and depth in Liangzi Lake

3.2 沉積硅藻組合

梁子湖鉆孔沉積物共鑒定出硅藻28屬170種,包括附生、浮游和底棲類型(圖3)。其中, 附生種類總含量很高, 最高總含量達(dá) 73%, 且屬種豐富, 包括 Achnanthes minutissima、Fragilaria capucina、Cymbella spp.、Eunotia spp.、Gomphonema spp.、Gyrosigma acuminatum等。浮游種包括Aulacoseira granulata、A. ambigua、A. alpigae、Cyclotella pseudostelligera, C. meneghiniana等。底棲種以 Navicula和 Nitzschia的類型以及 Gyrosigma acuminatum為主。此外, 兼附生浮游的F. ulna也常以伴生種出現(xiàn)。根據(jù)硅藻豐度變化可劃分為 4個(gè)組合帶 2個(gè)亞帶,硅藻組合特征自下而上敘述如下:

圖3 梁子湖沉積柱主要的硅藻種群(圖中僅列舉含量高于2%的屬種)演替Fig. 3 The major diatoms(species with≥2% in at least one sample) in the sediment core from Liangzi Lake

LZ1 帶(63—37 cm; 1850—1942AD)總體特征是以浮游種占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 盡管附生硅藻總含量不低,但各個(gè)附生硅藻種類含量均不高, 不能成為優(yōu)勢(shì)種組合。其中LZ1-1帶(63—49 cm; 1850—1918AD)主要以浮游種A. granulata占優(yōu)勢(shì), 最高含量達(dá)70%以上, 但波動(dòng)很大。附生種類經(jīng)常出現(xiàn)且波動(dòng)較大, 如Eunotia spp.、Gomphonema spp.、A. minutissima、F.capucina等。底棲種 Navicula spp.與兼附生浮游的F. ulna偶有出現(xiàn)且含量極低。LZ1-2帶(49—37 cm;1918—1942AD)浮游種 A. granulata含量明顯增加,占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。附生種類較上一帶含量減少, 且各個(gè)附生硅藻種類含量均相對(duì)不高(＜10%)。底棲種Navicula spp.仍保持一定含量, G. acuminatum在此帶開始出現(xiàn)。

LZ2帶(37—23 cm; 1942—1963AD)仍以浮游種A. granulata為優(yōu)勢(shì)種, 與其同屬的A. ambigua含量含量較上一帶含量增加, A. granulata與A. ambigua互為消長關(guān)系。附生類型A. minutissima、F. capucina等亦有所增加。底棲種 Navicula spp.含量略增,Nitzschia的類型在此帶少量出現(xiàn)。兼附生浮游種F.ulna含量略增。

LZ3帶(23—11 cm; 1963—1994AD)浮游種 A.granulata呈減少趨勢(shì), A. ambigua含量也明顯減少。較上一帶各附生硅藻含量進(jìn)一步增加, 其中以A. minutissima、F. capucina的增加最為明顯。其中,F. capucina在 1972—1981年期間達(dá)到剖面的最大值。底棲種在此帶呈增加趨勢(shì), 其中 G. acuminatum在此帶最為豐富, 并在17 cm(1981AD)處達(dá)到剖面最大值。兼附生浮游種F. ulna含量迅速減少甚至消失。

LZ4帶(11—0 cm; 1994—2011AD)附生種 A.minutissima呈明顯增加趨勢(shì), 最高含量達(dá) 37%, 成為主要的優(yōu)勢(shì)種, 而浮游種A. granulata含量迅速下降且呈減少趨勢(shì), 為次優(yōu)勢(shì)種, 其他附生種如 F.capucina, Cymbella spp., Gomphonema spp.無明顯變化, 仍保持著一定含量, 而Eunotia spp.含量減少甚至消失。底棲種Navicula spp.無明顯變化, Nitzschia的類型含量略增, 而G. acuminatum含量明顯減少。兼附生浮游種F. ulna在此帶含量顯著增加。

3.3 梁子湖歷史時(shí)期水生植被信息的重建及驗(yàn)證

如圖 4所示, 梁子湖沉積柱附生硅藻變化趨勢(shì)與記載的水生植被不同的發(fā)展期的對(duì)比結(jié)果顯示:1950s附生硅藻呈增加趨勢(shì), 對(duì)應(yīng)于歷史記錄的水生植被恢復(fù)期; 1970s附生硅藻含量顯著增加, 到80年代初到頂峰值, 為水生植被顯著上升期; 1990s附生硅藻含量較80年代明顯減少, 為水生植被的衰退期; 2000s附生硅藻又呈增加趨勢(shì), 為水生植被的逐步恢復(fù)期。水生植被不同的發(fā)展期與洪澇災(zāi)害等級(jí)對(duì)應(yīng)結(jié)果顯示: 水生植被的衰退期對(duì)應(yīng)于高水位的特大洪澇年, 而恢復(fù)期、顯著上升期和逐步恢復(fù)期對(duì)應(yīng)于相對(duì)較低水位的洪澇災(zāi)害等級(jí)年。

圖4 梁子湖沉積柱附生硅藻變化趨勢(shì)與記載的水生植被不同的發(fā)展期的對(duì)比圖(a)和湖北省歷年洪澇災(zāi)害等級(jí)圖(b)Fig. 4 The periphitic diatom communities in sediment cores from Liangzi Lake and the aquatic vegetation growth period from history records (a), and flood changes (b) over the past 60 years in Hubei Province

對(duì)梁子湖過去近200年的水生植被覆蓋度重建的結(jié)果如圖 5所示: 水生植被覆蓋度自1850AD以來呈快速增加趨勢(shì)并在 1905AD出現(xiàn)一峰值, 之后逐漸下降至 1935AD左右出現(xiàn)一低值, 之后開始增加, 60年代后呈顯著增加趨勢(shì), 80年代初期達(dá)到頂峰, 而 1990s水生植被覆蓋度較 80年代減少, 至2000s又呈顯著增加趨勢(shì)。

圖5 梁子湖水生植被覆蓋度變化Fig. 5 The aquatic vegetation coverage in Liangzi Lake

4 討論

沉積硅藻記錄可以揭示梁子湖歷史時(shí)期水生植被覆蓋度的變化。在古湖沼學(xué)研究中, 許多其他沉積生物指標(biāo)(如植物化石、孢粉等)也能記錄部分歷史湖泊植物群落的信息。例如 Sayer等利用沉積物中植物化石分析, 并結(jié)合該湖孢粉和硅藻等指標(biāo)研究, 重建了該湖水生植被與浮游植物群落組成、生長季節(jié)在年際上的變化過程[26]。通常, 植物大化石對(duì)湖泊植被具有直接指示意義, 可以為湖泊水生植被演替提供直接證據(jù)[27,28]。但由于一些湖泊水生植物化石保存性差, 單獨(dú)利用植物大化石來推斷歷史時(shí)期湖泊水生植被存在一定缺陷。孢粉也是重建歷史時(shí)期湖泊植被的一種有效手段, 但主要用于陸生植被的重建[29,30], 且水生植物花粉產(chǎn)量相對(duì)較低,保存性較差[31], 因此重建的結(jié)果往往具有片面性。然而, 與植物化石和孢粉相比, 硅藻在水生植被重建方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通常, 附生硅藻種類優(yōu)勢(shì)組合指示了水生植被的發(fā)育狀況良好[32]。梁子湖歷史記錄也很好地驗(yàn)證了利用沉積硅藻推導(dǎo)的歷史水生植被演替情景。根據(jù)1951—2001年間多次調(diào)查數(shù)據(jù)顯示、期間水生植被經(jīng)歷了恢復(fù)(1950s)→旺盛頂期(1980s)→急劇衰退(1990s)→逐步恢復(fù)(2000s)的幾個(gè)階段[21,33,34], 與沉積附生硅藻記錄基本一致(圖 4a), 表明附生硅藻對(duì)歷史時(shí)期水生植被的覆蓋度有較好的反映。

沉積硅藻記錄還可以揭示不同水生植物類型的變化。通過對(duì)長江中下游湖泊水生植物與其附生硅藻關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)(未發(fā)表數(shù)據(jù)), 各類附生硅藻對(duì)水生植物有明顯的選擇性, 由此進(jìn)一步探討了附生硅藻種類指示不同水生植物類型(沉水植物、浮葉植物、漂浮植物和挺水植物)的可行性。其中, A.minutissima、F. capucina、Gomphonema在沉水植物上出現(xiàn)的含量最高, 指示了其對(duì)沉水植物的選擇性較為明顯; Cymbella和Eunotia的種類對(duì)浮葉植物的選擇性非常明顯; G. acuminatum則在挺水植物及沿岸濕生植被上最為常見, 它的出現(xiàn)可以指示水生植物的增多或水體透明度的增加。如圖 3所示, A.minutissima、F. capucina、Gomphonema在鉆孔中一直存在且為含量相對(duì)較高的優(yōu)勢(shì)種表明沉水植被是鉆孔點(diǎn)附近水域主要的水生植被。1972AD前, A.minutissima含量較少, 之后含量大幅度升高, 成為主要優(yōu)勢(shì)種且在表層含量達(dá)到最高, 其含量變化表現(xiàn)了梁子湖沉水植物由少到多的發(fā)育過程。1972—1981AD, F. capucina和G. acuminatum在此階段含量最高, 指示了在這一階段水生植物最為發(fā)育, 分別指示沉水植物和挺水植物的發(fā)育。另外, G. acuminatum的較高含量也指示了此階段水生植物的大量發(fā)育和水體透明度的增加。這也與歷史記錄中80年代水生植被的顯著上升期一致。1990s后, Eunotia和 G. acuminatum含量減少甚至消失, 其含量變化分別指示了浮葉植物和挺水植物及沿岸濕生植物的減少。因此, 從群落演替來看, 歷史時(shí)期梁子湖以沉水植被為主且呈增加趨勢(shì), 而浮葉植物和挺水植物群落減少。這與1951—2001年間多次調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果比較一致。據(jù)1951—2001年間多次調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果表明, 梁子湖水生植被的優(yōu)勢(shì)群落生活型未發(fā)生變化,仍以沉水植物群落為主, 挺水植被中蘆葦群落已消亡, 浮葉群落分布面積也變小[21]。因此, 沉積硅藻記錄對(duì)歷史時(shí)期水生植被不同生活型的變化也有較好地反映。

影響水生植物生長和分布的環(huán)境因素眾多, 如水質(zhì)、水位、透明度、其他生物組分等。近年來大量研究表明洪澇所導(dǎo)致水位變化是影響水生植被發(fā)育的重要因子[35]。當(dāng)洪水引起的水位快速上升超過沉水植物發(fā)育的水深閾值時(shí), 會(huì)抑制沉水植物的生長; 而洪水也會(huì)引起水體渾濁度的迅速增加, 從而影響光照和光透度, 進(jìn)而使得植物的水下光合作用受阻[36]。特別是在過水性淺水湖泊, 洪水是導(dǎo)致水生植被突然減少的重要因素。受洪水的影響, 湖泊高水位持續(xù)時(shí)間長、湖水透明度降低、水生植被不能進(jìn)行有效的光合作用, 從而導(dǎo)致代謝紊亂, 再加上水流造成的物理損傷、病害、被取食等原因, 使水生植被大量死亡[36,37]。據(jù)資料顯示: 1998年的特大洪水導(dǎo)致梁子湖水生植物覆蓋率減少了 50%, 水質(zhì)由二類退化為四類[38]; 2010年8月份該湖持續(xù)的高水位導(dǎo)致>80%的水生植物死亡(新華社2010年8月14日?qǐng)?bào)道)。另外, 在Okeechobee 湖28 年的觀測(cè)資料顯示, 沉水植物生物量與高水位呈負(fù)相關(guān),與透明度呈正相關(guān)[39]。由此可見, 洪水是影響梁子湖水生植被發(fā)育的重要因素之一, 有效的水生植被的修復(fù), 必須避免湖泊出現(xiàn)連續(xù)的高水位時(shí)期, 同時(shí)還需要保持較高的水體透明度。值得指出的是, 20世紀(jì)50年代以來, 隨著的人類活動(dòng)增強(qiáng), 由此引起的流域土壤侵蝕速率加快和入湖營養(yǎng)鹽的增多, 尤其是磷的增加, 促進(jìn)了藻類生物的發(fā)育和營養(yǎng)的富集, 一定程度上抑制了水生植物的發(fā)育。據(jù)資料顯示, 目前梁子湖營養(yǎng)狀態(tài)已從貧營養(yǎng)型進(jìn)入中營養(yǎng)型, 局部已接近富營養(yǎng)型, 主要是氮磷、超標(biāo)[40]。顯然, 營養(yǎng)富集勢(shì)必對(duì)水生植被的發(fā)育產(chǎn)生影響,具體反饋機(jī)制仍需進(jìn)一步分析。

盡管本研究證實(shí)了沉積硅藻在反演歷史時(shí)期水生植被信息上的可靠性, 但同其他古生態(tài)指標(biāo)一樣,硅藻的保存性在一定程度上會(huì)影響水生植被重建結(jié)果的精度。硅藻在埋藏過程中會(huì)受外力的作用(如風(fēng)力、水力及動(dòng)物攜帶等)的影響進(jìn)行搬運(yùn)和擴(kuò)散, 其堅(jiān)硬的硅質(zhì)殼體也會(huì)受到不同程度的磨損, 影響到其保存完整性。例如, 有研究表明較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境不利于沉積硅藻的保存[41]。在歷史上, 長江中下游地區(qū)大多數(shù)湖泊湖盆較淺平, 與長江聯(lián)系密切自然相通, 保持著較高的水體交換能力, 水動(dòng)力強(qiáng)度大[1,18]。根據(jù)作者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)長江中下游地區(qū)湖泊(如漲渡湖、巢湖、太白湖、龍感湖等)大量研究發(fā)現(xiàn), 硅藻的保存性隨沉積年代的增加而變差。在本研究中, 梁子湖沉積硅藻50 cm以下深度的硅藻保存性逐漸變差, 因此基于該深度以下沉積硅藻的水生植被信息的反演可能存在誤差, 需謹(jǐn)慎解釋。

5 結(jié)論

該研究利用古湖沼學(xué)手段, 在建立高分辨率沉積物年代的基礎(chǔ)上, 利用沉積附生硅藻的演化序列對(duì)梁子湖歷史時(shí)期該湖水生植被的覆蓋度進(jìn)行了重建, 研究發(fā)現(xiàn): (1)沉積硅藻所揭示的歷史時(shí)期湖泊水生植被信息與該湖過去 50余年來監(jiān)測(cè)所記錄的水生植被演化歷史一致, 是一種重建歷史時(shí)期湖泊水生植被信息的有效生物指標(biāo)。(2)沉積硅藻記錄還可以揭示不同水生植物類型的變化。過去近200年來梁子湖以沉水植被為主且呈不斷增加趨勢(shì), 而浮葉植物和挺水植物群落減少。(3)結(jié)合湖泊流域歷史環(huán)境數(shù)據(jù), 揭示了洪水是影響該湖水生植被發(fā)育的一個(gè)重要因素。因此, 有效的水生植被的修復(fù), 必須避免湖泊出現(xiàn)連續(xù)的高水位時(shí)期。本研究結(jié)果不僅為梁子湖水生植被的恢復(fù)提供了科學(xué)依據(jù), 也為該區(qū)類似淺水湖泊富營養(yǎng)化治理提供了重要的生態(tài)學(xué)依據(jù)。