在極度弱光和兩種底質(zhì)條件下苦草的生長和生理響應(yīng)

張忠海 楊 桐 文紫豪 張霄林 曹 特 倪樂意 袁昌波

(1. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072; 2. 大理市洱海管理局, 大理 671000)

湖泊富營養(yǎng)化及其引發(fā)的沉水植被退化仍然是我國眾多湖泊目前面臨的一個主要問題。由于沉水植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的生態(tài)功能(初級生產(chǎn)者, 維持生物多樣性和清水穩(wěn)態(tài), 穩(wěn)定底質(zhì)環(huán)境等[1]), 沉水植被的退化將引發(fā)一系列水生態(tài)和水環(huán)境問題, 比如引起湖泊的“草-藻”穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換[2]。因此, 開展沉水植被修復(fù)是很多富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)修復(fù)中的一項(xiàng)重要工作,并在很多湖泊中得到實(shí)施, 比如武漢東湖[3]、杭州西湖[4]和荊州洪湖[5]等。但是, 在污染嚴(yán)重的水體中, 沉水植物的自然恢復(fù)是十分困難的, 一般而言, 湖泊低透明度和水下植物繁殖體的缺乏是影響水生植被恢復(fù)的主要限制因素[6,7]。在這種情況下應(yīng)盡快進(jìn)行生態(tài)工程促進(jìn)水生植被生境改善, 并積極開展水生植被重建與恢復(fù)工作[8]。就污染水體的低透明度而言, 水生植物必然會受到光照不足的影響, 一般認(rèn)為環(huán)境光強(qiáng)持久或短時間顯著低于植物光飽和點(diǎn), 可以稱為弱光逆境[9]。在弱光條件下, 首先通過降低光合作用效率抑制沉水植物的生長, 此外還通過抑制抗氧化酶活性影響沉水植物的生存[10,11], 而大多數(shù)富營養(yǎng)化湖泊普遍表現(xiàn)出弱光或極度弱光的水下環(huán)境, 成為影響這些湖泊中沉水植被恢復(fù)的一大難題。除了水下光照環(huán)境, 底質(zhì)條件對沉水植物的恢復(fù)亦有重要的影響, 底質(zhì)是沉水植物的固定基質(zhì)和營養(yǎng)來源, 對沉水植物生根、繁殖和生長產(chǎn)生不同程度的影響[12,13], 研究表明富營養(yǎng)水體中肥沃底質(zhì)對沉水植物造成脅迫, 使其生物量下降[14]。

洱海位于云南西北部的大理州境內(nèi), 是我國著名的高原淡水湖泊之一, 在洱海水面高程為1973.7 m時, 湖泊面積是249.8 km2。南部湖心平臺(簡稱湖心平臺)位于洱海南部湖心區(qū)域, 南起洱濱村, 北至才村和文筆村(25.64375—25.71297N, 100.21799—100.24011E), 南北兩端是水深10 m以上的深水區(qū),東西兩側(cè)是水深10—13 m的深水帶與沿岸帶相隔,中間形成一片水深6 m左右的暗灘區(qū)域。湖心平臺曾經(jīng)是洱海沉水植物成片連續(xù)分布的最大區(qū)域, 在洱海沉水植被演替過程中具有非常重要的地位(表 1)[15—17]; 自1998年洱海發(fā)生大面積水華后, 湖心平臺區(qū)域沉水植被大幅退化[18,19], 在2009年該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)沉水植物生存[20]。如果能成功恢復(fù)湖心平臺的沉水植被, 將大幅提升洱海沉水植物群落的分布面積和生態(tài)功能。

表 1 洱海湖心平臺區(qū)域水生植被群落變化[15－17]Tab. 1 Changes of aquatic vegetation community in the lake center platform of Erhai Lake

2015年以來, 隨著洱海環(huán)境保護(hù)力度的加大,洱海水質(zhì)呈現(xiàn)出逐年向好的發(fā)展趨勢, 透明度逐年提高, 湖心平臺水下光環(huán)境基本達(dá)到沉水植物的光補(bǔ)償點(diǎn), 理論上有沉水植物恢復(fù)的可能性, 但是沒有出現(xiàn)自然恢復(fù)的現(xiàn)象, 因此我們希望通過人工強(qiáng)化的修復(fù)措施實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的沉水植被重建。這里面有兩個問題: (1)選用哪種沉水植物; (2)如何通過改善局部環(huán)境來幫助沉水植物應(yīng)對弱光脅迫。苦草(Vallisneria natans)是水鱉科(Hydrocharitaceae)苦草屬(Vallisneria)沉水草本植物, 無直立莖, 葉基生,條形[21], 生長區(qū)域廣泛, 在淡水湖泊、溝渠、池塘和內(nèi)河航道的靜水或流動水體中均能很好地生長[22]?？嗖輰θ豕猸h(huán)境具有很強(qiáng)的耐受能力, 因此成為洱海沉水植物群落中分布下限最深的物種[23], 并且在1980s中后期以來, 苦草成為洱海水生植被的優(yōu)勢種之一[24], 所以我們選擇了對弱光環(huán)境耐受能力強(qiáng)的苦草作為湖心平臺區(qū)域沉水植被恢復(fù)的嘗試物種。另外, 就湖心平臺底泥中富集了大量有機(jī)碎屑的情況而言, 改善底質(zhì)環(huán)境理論上對沉水植被的恢復(fù)有利, 所以我們選擇了黏土作為底質(zhì)的處理, 以原位淤泥作為對照的方法, 探究底質(zhì)改善對湖心平臺水域沉水植被恢復(fù)的影響。對當(dāng)?shù)厮脖坏幕謴?fù)可以起到很好的指導(dǎo)作用, 在洱海湖泊的生態(tài)修復(fù)中具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的苦草來自洱海苗圃基地, 苗圃基地鄰于洱海北部, 由水深1.5 m水生植物培養(yǎng)池構(gòu)成, 取洱海的苦草置于苗圃培養(yǎng)池, 通過培養(yǎng)擴(kuò)增苦草數(shù)量。實(shí)驗(yàn)選用的是生長茂盛、健康和形態(tài)指標(biāo)大體一致[株高: (65±5) cm, 鮮重: (10.5±0.5) g]的苦草,并去除植株上的匍匐莖。

1.2 實(shí)驗(yàn)時間與地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)時間選擇苦草在洱海的生長旺盛期, 從2018年6月7日到2018年8月7日, 共9周(63d)。

如圖 1所示，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在洱海南部湖心平臺水深最淺的區(qū)域, 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)中心坐標(biāo)(25.684234 N, 100.226728E)。

圖 1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位置圖Fig. 1 Location map of experimental sites

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)以黏土底質(zhì)作為處理組, 以淤泥底質(zhì)(湖心平臺原位底泥)作為對照組。淤泥是用彼德森采泥器采集湖心平臺水底的底泥, 黏土采自苗圃基地,是洱海岸邊常見的泥土。黏土含水率20%, N含量0.11%, C含量2.75%, 有機(jī)質(zhì)含量7.76%; 而淤泥含水率83%, N含量1.09%, C含量13.63%, 有機(jī)質(zhì)含量20.52%。比較兩種底泥, 淤泥含有更高濃度的C、N和有機(jī)質(zhì)含量, 而黏土含水率低, 土質(zhì)偏硬。

種植方式采用沉桶種植。種植桶是白色塑料桶(口直徑: 35 cm, 底直徑: 27 cm, 高: 33 cm), 在桶內(nèi)裝填底質(zhì)(淤泥或黏土)15 cm, 將苦草按照每桶30株的密度均勻植于桶內(nèi), 每個實(shí)驗(yàn)處理分配20桶作為平行。種植桶沉入水底前, 用另一端綁著浮標(biāo)(直徑10 cm的白色泡沫球)的尼龍繩系在桶上, 繩長度7.5 m, 略大于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的水深(約6.3 m), 保證種植桶不受浮標(biāo)漂動影響, 然后緩慢沉入水底。

1.4 測量指標(biāo)

水環(huán)境指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)期間, 光合有效輻射、水溫、pH、透明度、實(shí)驗(yàn)區(qū)水體總氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、總磷(TP)和正磷酸鹽(PO4-P)每1周測量1次。水溫和pH用多參數(shù)水質(zhì)分析儀YSI(Yellow Springs Instruments, Ohio, US)測量, 透明度用黑白透明度盤測量, 水底光合有效輻射使用水下照度計(Li-1400; Li-Cor Company, Lincoln, NE, U.S.A; UWQ-8342)于上午11—12點(diǎn)在苦草冠層深度測量, 水的消光系數(shù)用不同水深的光合有效輻射計算得來。總氮、氨氮、硝態(tài)氮、總磷和正磷酸鹽根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測定[25]。

苦草生長和生理指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi), 每1周從對照組和實(shí)驗(yàn)組各隨機(jī)取5個實(shí)驗(yàn)桶計數(shù)植株數(shù)量作為苦草存活量, 從5個桶內(nèi)每桶隨機(jī)取1株苦草帶回實(shí)驗(yàn)室, 測量地上部分(葉片)和地下部分(根和莖)的長度, 經(jīng)80℃烘干至恒重后測量各部分的生物量(干重)、游離氨基酸、可溶性糖、淀粉、碳和氮含量。植物組織碳和氮含量通過元素分析儀(Flash EA 1112, CE Instruments, Italy)測定; 將烘干的植物組織50 mg用5 mL的80%乙醇在80℃的水浴萃取20min, 重復(fù)2次, 離心后合并上清液, 并定容到5 mL用于測定總糖和氨基酸, 萃取后的殘渣中加入1 mL 30%的高氯酸繼續(xù)萃取120min, 離心10min后收集上清液用于測定淀粉含量。總糖的測定使用1 g/L的葡萄糖溶液做標(biāo)準(zhǔn)曲線, 用蒽酮試劑法測定[26], 游離氨基酸的測定用3 μg/mL的丙氨酸做標(biāo)準(zhǔn)曲線, 用茚滿三酮—抗壞血酸法測定[27]。用5 g/L的淀粉溶液做標(biāo)準(zhǔn)曲線, 用碘試劑法測定淀粉含量[28]。

1.5 分析方法

使用SPSS 22軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析, 采用雙因素方差分析時間和底質(zhì)因素對苦草存活數(shù)量和不同部位的生物量、長度的作用效應(yīng), 采用成組樣本t檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組和對照組在游離氨基酸、可溶性糖、淀粉、碳、氮含量上是否有差異, 方差分析前所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布和方差齊性檢驗(yàn), 如有必要時將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以滿足方差齊性檢驗(yàn)。使用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果

2.1 水環(huán)境特征

在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi), 實(shí)驗(yàn)區(qū)域水深6.1—6.6 m, 透明度1.5—2.0 m, 湖底光照8.3—15.8 μmol/(m2·s), 有研究報道苦草的光補(bǔ)償點(diǎn)為9.4 μmol/(m2·s), 光飽和點(diǎn)200 μmol/(m2·s)[29](圖 2), 湖底光照強(qiáng)度不能滿足苦草的需光量, 光照不足是影響生長的主要限制因子, 在此區(qū)域苦草必然受到弱光脅迫的影響。另外,實(shí)驗(yàn)區(qū)域水體水溫22.1—24.6℃; pH 8.5—8.6; TN濃度0.56—0.98 mg/L, NH4-N濃度0.012—0.071 mg/L, NO3-N濃度0.031—0.052 mg/L; TP濃度0.034—0.048 mg/L, PO4-P濃度0.002— 0.015 mg/L,湖心區(qū)域水質(zhì)為Ⅲ類水, 按照地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002), 屬于Ⅲ類水。有研究報道苦草能在5—35℃溫度條件下良好生長[30], 在氨氮＜1.56 mg/L時, 現(xiàn)存量增加百分比略有增加, 而硝氮＜25 mg/L時, 促進(jìn)苦草生長, 在總磷濃度＜3.2 mg/L時, 苦草的生產(chǎn)力可保持正增長[1], 在本實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)水溫和營養(yǎng)鹽因素對苦草的生長并沒有不利的影響。

圖 2 水環(huán)境因子變化Fig. 2 Changes in water environmental factors

2.2 苦草存活數(shù)量

在實(shí)驗(yàn)期間, 苦草存活量顯著性下降, 對照組從30株/桶下降到(10±2)株/桶, 實(shí)驗(yàn)組從30株/桶下降到(18±4)株/桶(圖 3), 這說明弱光環(huán)境限制了苦草的生長, 導(dǎo)致了部分苦草死亡。雙因素方差分析表明, 黏土組苦草存活株數(shù)顯著性大于淤泥對照組(表 2,P＜0.05), 說明對比于淤泥底質(zhì), 黏土更有利于苦草的存活, 然而2種底質(zhì)苦草存活數(shù)仍明顯少于初始種植數(shù)。

圖 3 苦草存活數(shù)量變化Fig. 3 Changes in the survival number of V. natans

表 2 苦草存活數(shù)和不同器官生物量、長度的雙因素方差分析Tab. 2 Two factor ANOVA table of survival number, biomass and length of different organs of V. natans (*P＜0.05,** P ＜0.01,***P＜0.001)

2.3 弱光脅迫下底質(zhì)對苦草形態(tài)指標(biāo)的影響

在實(shí)驗(yàn)初始時, 單株苦草葉片的平均生物量為(0.96±0.04) g, 根莖的平均生物量為(0.27±0.01) g。在弱光環(huán)境下, 苦草生長明顯受到抑制, 葉片生物量和根莖生物量都有顯著性下降(表 2,P＜0.05)。在實(shí)驗(yàn)期間, 實(shí)驗(yàn)組和對照組單株葉片的平均生物量分別下降至(0.10±0.03)和(0.10±0.02) g, 下降幅度分別是90%和90%; 根生物量在第1周下降趨勢最迅速, 之后在2個實(shí)驗(yàn)組之間表現(xiàn)出差異, 對照組的下降趨勢減緩, 實(shí)驗(yàn)組的變化是先上升后下降, 第9周,實(shí)驗(yàn)組和對照組的根生物量分別是(0.13±0.04)和(0.06±0.01) g, 相比初始值下降幅度分別是51%和80%; 實(shí)驗(yàn)組和對照組單株苦草根莖和葉片的生物量比值顯著性上升(表 2,P＜0.05), 分別從(0.28±0.01)上升到(1.35±0.09)和(0.59±0.09), 并且葉片生物量的下降幅度遠(yuǎn)大于根莖(圖 4)。雙因素方差分析表明, 時間因素對葉片和根莖的生物量及兩者的比值有顯著性影響, 底質(zhì)因素對根莖的生物量有顯著性影響, 實(shí)驗(yàn)組根莖生物量大于對照組(表 2,P＜0.05)。

在初始時, 苦草葉片長度平均值(51.7±3.7) cm,根莖長度平均值(13.4±1.0) cm。在弱光環(huán)境下, 苦草葉片和根莖長度顯著性下降(表 2,P＜0.05), 第1周, 實(shí)驗(yàn)組的苦草葉片長度下降至(36.3±9.2) cm,對照組的苦草葉片長度下降至(40.1±14.4) cm, 比初始值分別下降了30%和22%, 此后變化不顯著; 第5周, 實(shí)驗(yàn)組苦草的根莖長度為(3.6±1.0) cm, 對照組苦草的根莖長度為(3.7±1.1) cm, 比初始值分別下降了73%和72%, 此后苦草根長的變化不顯著; 苦草根莖和葉片長度的比值顯著性下降(表 2,P＜0.05), 實(shí)驗(yàn)組和對照組的根莖和葉片長度的比值分別從(0.26±0.00)下降到(0.12±0.01)和(0.11±0.01), 并且葉片長度的下降幅度遠(yuǎn)小于根莖(圖 4)。雙因素方差分析表明, 時間因素對葉片和根莖的長度及兩者的比值都有顯著性影響, 而底質(zhì)因素對它們沒有顯著性效應(yīng), 即實(shí)驗(yàn)組和對照組之間沒有顯著性差異。

2.4 在弱光脅迫下兩種底質(zhì)中苦草的生理指標(biāo)的變化

在初始時, 苦草葉片的C含量是37.2%, 根莖的C含量是36.2%, 在弱光環(huán)境下, 實(shí)驗(yàn)組和對照組的葉片和根莖的C含量均呈下降趨勢, 在實(shí)驗(yàn)期間, 實(shí)驗(yàn)組和對照組的葉片C含量分別下降至30.6%和32.1%, 相比于初始值其下降幅度分別是17.8%和13.8%; 實(shí)驗(yàn)組和對照組的根莖C含量分別下降到28.3%和30.2%, 相比于初始值其下降幅度分別是21.8%和16.5%; 葉片C含量的下降幅度與根莖相差不大, 實(shí)驗(yàn)組和對照組根莖和葉片的C含量比值在實(shí)驗(yàn)期間的變化也不明顯(圖 5)。根莖和葉片的C含量在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間沒有顯著性差異(表 3)。

在初始時, 苦草葉片的N含量是0.94%, 根莖的N含量是0.91%, 在弱光環(huán)境下, 葉片和根莖的N含量呈上升趨勢, 在實(shí)驗(yàn)期間, 實(shí)驗(yàn)組和對照組葉片N含量分別下降到2.97%和3.07%, 相比于初始值上升幅度分別是215%和225%; 實(shí)驗(yàn)組和對照組根莖的N含量分別下降到1.05%和1.75%, 相比于初始值上升幅度分別是15.1%和92.3%; 葉片N含量的上升幅度遠(yuǎn)大于根莖, 實(shí)驗(yàn)組和對照組根莖和葉片的N含量比值分別從0.97下降到0.35和0.57(圖 5)。實(shí)驗(yàn)組葉片和根莖的N含量均顯著性大于對照組(表 3,P＜0.05)。

在初始時, 苦草葉片和根莖的游離氨基酸含量分別是0.27和0.21 mg/g, 在弱光環(huán)境下, 葉片和根莖的游離氨基酸含量都呈上升趨勢, 在實(shí)驗(yàn)期間,實(shí)驗(yàn)組和對照組葉片的氨基酸含量分別上升到1.22和1.30 mg/g, 比初始值上升了347%和374%; 實(shí)驗(yàn)組和對照組根莖的氨基酸含量分別上升到0.32和0.62 mg/g, 相比于初始值上升了49%和190%; 葉片的氨基酸含量的上升幅度大于根莖, 根莖和葉片的氨基酸含量比值下降, 實(shí)驗(yàn)組和對照組分別從0.78下降到0.26和0.48(圖 6)。樣本t檢驗(yàn)表明, 實(shí)驗(yàn)組根莖的氨基酸含量顯著低于對照組(表 3,P＜0.05)。

在初始時, 苦草葉片的可溶性糖含量是16.2 mg/g, 根莖的可溶性糖含量是14.1 m/g, 在弱光環(huán)境下,葉片的可溶性糖含量在第1周略有上升隨后迅速下降, 在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時, 實(shí)驗(yàn)組和對照組葉片的可溶性糖含量分別下降至8.2和9.4 mg/g, 相比于初始值下降幅度分別是49%和42%; 根莖的可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢, 實(shí)驗(yàn)組根莖的可溶性糖含量上升至29.3后下降至9.0 mg/g, 對照組根莖的可溶性糖含量先上升至31.9后下降至5.6 mg/g; 實(shí)驗(yàn)組根莖和葉片的可溶性糖含量比值從0.87上升至3.9隨后下降至1.1, 對照組從0.87上升至5.4隨后下降至0.60(圖 6)。葉片和根莖的可溶性糖含量在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間沒有顯著性差異(表 3)。

在初始時, 苦草葉片和根莖的淀粉含量分別是239和286 m/g, 在弱光環(huán)境下, 苦草葉片和根莖的淀粉含量持續(xù)下降, 在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時, 實(shí)驗(yàn)組和對照組葉片的淀粉含量分別下降到19和9 mg/g, 相比初始值下降幅度分別是92%和96%; 實(shí)驗(yàn)組和對照組根莖的淀粉含量分別下降到212和133 mg/g, 相比根莖初始值下降幅度分別是26%和53%; 葉片淀粉含量的下降幅度大于根莖, 根莖和葉片的淀粉含量比值呈上升趨勢, 實(shí)驗(yàn)組從1.2上升至11.4, 對照組從1.2上升至15(圖 6)。葉片淀粉含量在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間沒有顯著性差異, 而實(shí)驗(yàn)組根莖的淀粉含量顯著大于對照組(表 3,P＜0.05)。

圖 4 苦草的生長特征變化Fig. 4 Changes of growth characteristics of V. natans

圖 5 苦草的碳(C)和氮(N)含量變化Fig. 5 Changes of carbon (C) and nitrogen (N) contents in V. natans

3 討論

3.1 弱光環(huán)境對苦草影響

植物通過光和色素吸收光能, 將無機(jī)碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物, 用于自身合成和代謝, 湖泊底部良好的光照是沉水植物生長的基本前提。在洱海湖心平臺所測的湖底光合有效輻射強(qiáng)度平均值是10.5 μmol/(m2·s), 略高于他人研究報道的苦草光補(bǔ)償點(diǎn)9.4 μmol/(m2·s)[29], 所以弱光是苦草植被恢復(fù)的主要限制因子。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時, 實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)的苦草存活數(shù)量已穩(wěn)定下來, 存活數(shù)量顯著小于初始種植數(shù)量。相比于初始狀態(tài), 單株苦草的葉生物量、根生物量及根長和葉長均顯著性下降。有研究表明, 隨水深梯度的增加苦草生物量和和無性系分株數(shù)顯著性下降, 而株高呈先增加后降低的趨勢[31], 本研究結(jié)果與其一致。一方面苦草株高和生物量下降, 使其長期處于弱光脅迫下；另一方面低光照會減弱沉水植物的脅迫耐受能力[32], 兩者共同解釋了前面苦草存活株數(shù)小于初始種植株數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？嗖萑~片的游離氨基酸含量上升, 而C含量、淀粉含量和可溶性糖含量下降, N含量上升; 根莖的游離氨基酸含量上升, 可溶性糖的含量先上升后下降, C含量下降, N含量上升。有文獻(xiàn)報道水下光強(qiáng)的大幅降低能導(dǎo)致沉水植物出現(xiàn)生理脅迫, 包括植物組織N含量增加, 碳源性次生化學(xué)產(chǎn)物的含量下降, 比如可溶性糖和酚類[33,34]。苦草的生理響應(yīng)可見苦草出現(xiàn)一定程度的脅迫反應(yīng)。

表 3 樣本t 檢驗(yàn)苦草生理指標(biāo)在兩種底質(zhì)間的差異顯著性分析Tab. 3 Significant analysis on the difference of physiological indexes of V. natans between two kinds of sediment by t test

在苦草形態(tài)響應(yīng)弱光環(huán)境的過程中, 苦草對不同器官的資源重新分配有一定的差異。相比于初始狀態(tài), 苦草根莖和葉片的生物量比值上升, 而根莖與葉片的長度比值下降, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與張素娟的研究結(jié)果一致[35]。兩種器官相對比, 葉片的生物量損失相對更大, 而長度降低幅度相對較小, 這也反映了苦草為適應(yīng)弱光環(huán)境發(fā)生了一些形態(tài)上的改變,因?yàn)榭嗖葜仓甑母叨群艽蟪潭热Q于葉片的長度,并且苦草需要根的定植才能存活。弱光脅迫可以引起細(xì)胞活性氧的產(chǎn)生和積累, 誘導(dǎo)相關(guān)酶系統(tǒng)活性增強(qiáng)[11,36], 氨基酸是合成酶的物質(zhì)基礎(chǔ), 有許多文獻(xiàn)表明游離氨基酸含量是指示環(huán)境脅迫的重要生理指標(biāo)[37,38]。與根莖相比, 苦草葉片的游離氨基酸含量上升幅度更大, 并且根莖和葉片的氨基酸含量比值大幅降低, 這說明苦草氨基酸的合成主要發(fā)生在葉片細(xì)胞中, 葉片細(xì)胞的脅迫響應(yīng)更顯著。可溶性糖是植物能直接利用的能源物質(zhì)[39], 在弱光脅迫下, 光合作用合成糖類和ATP的量都很低, 但用于合成氨基酸的能量和糖類的需求增多, 植株需要消耗淀粉分解成糖以提供能量基礎(chǔ), 所以植株儲存的碳水化合物的含量與植物對不良環(huán)境的耐受能力息息相關(guān)[40]?？嗖萑~片的可溶性糖含量大幅降低, 而根莖的可溶性糖含量先升高后下降, 根莖和葉片的可溶性糖含量比值也先升高后下降, 這也表明了根莖細(xì)胞對逆境的抵抗能力相對更強(qiáng); 根莖與葉片的淀粉含量比值大幅升高, 說明葉細(xì)胞受到弱光脅迫造成的能量損耗遠(yuǎn)大于根莖的細(xì)胞, 當(dāng)能量不能滿足代謝損耗時, 逆境抵抗能力也因此下降,造成細(xì)胞死亡。

圖 6 苦草的游離氨基酸、可溶性糖和淀粉含量變化Fig. 6 Changes of free amino acid, soluble carbohydrate and starch content in V. natans

3.2 在弱光環(huán)境下不同底質(zhì)對苦草影響

在實(shí)驗(yàn)期間, 淤泥和黏土2種底質(zhì)下苦草存活數(shù)量表現(xiàn)出顯著性差異, 在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時, 實(shí)驗(yàn)組(黏土底質(zhì))和對照組(淤泥底質(zhì))存活數(shù)量平均值分別是18和10株/桶, 實(shí)驗(yàn)組大于對照組。并且底質(zhì)因素對苦草根莖生物量也顯著性影響, 表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)組大于對照組。雖然有研究報道在光照合適的條件下, 相比于黏土底質(zhì), 苦草更適合在高營養(yǎng)的湖泥中生長[41,42], 但是在弱光環(huán)境下, 底質(zhì)對沉水植物生長影響的研究卻比較少, 并且, 李文朝[43]的研究認(rèn)為, 底質(zhì)條件是否適合沉水植物生長, 不僅取決于底質(zhì)本身, 很大程度受制于湖水溫度和水深,30℃且水深遠(yuǎn)大于l m時, 底泥和底層湖水中的厭氧環(huán)境會引起沉水植物爛根, 另外, 底泥的物理結(jié)構(gòu)與沉水植物的扎根能力和扎根深度密切相關(guān)[44],密度大、孔隙小的黏土在根系的附著上占優(yōu)勢。

在生理特征上, 葉片的N含量及根莖的N含量和氨基酸含量在不同底質(zhì)處理下有顯著性差異, 均表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)組小于對照組, 這說明實(shí)驗(yàn)組苦草受到程度更小的生理脅迫, 并且不同底質(zhì)條件苦草根莖的淀粉含量比較, 實(shí)驗(yàn)組組顯著性大于對照組, 這也說明了實(shí)驗(yàn)組苦草受到的脅迫損傷相對更小。以上2點(diǎn)均為2種底質(zhì)條件下苦草存活率和形態(tài)特征的差異提供了一定的解釋。沉水植物可以直接從底質(zhì)中吸收氮等營養(yǎng)鹽, 并且, 由于氨態(tài)氮濃度在底泥中往往比湖水高, 沉水植物吸收的氮主要來源于底泥[12]。相對于黏土底質(zhì), 淤泥底質(zhì)的N含量約為黏土的9.9倍, 苦草葉片、根莖的N含量和氨基酸含量在不同底質(zhì)之間的差異與兩種底質(zhì)N含量的極大差異有關(guān), 另外底泥中有機(jī)物含量和底泥營養(yǎng)含量密切相關(guān), 過多的有機(jī)物分解可造成底泥缺氧和還原性的狀態(tài), 對植物有毒害作用[45,46], 這也為本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了一個較合理的解釋。

綜合來看, 在弱光環(huán)境下對比于淤泥對照組,黏土實(shí)驗(yàn)組的苦草在生理上表現(xiàn)出幅度更小的脅迫響應(yīng), 同時受到相對更小的脅迫損傷, 使其根莖的生物量顯著大于對照組, 死亡植株數(shù)下降, 存活數(shù)量顯著大于對照組。所以使用黏土代替本底淤泥的措施對苦草的恢復(fù)有利。

3.3 苦草恢復(fù)的可行性分析和恢復(fù)策略

因?yàn)閷φ战M底質(zhì)是在湖心平臺退化區(qū)直接采取的底泥, 所以從對照組的苦草存活數(shù)量和形態(tài)特征來看, 雖然在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時, 苦草留有一定的存活數(shù)量, 但是苦草形態(tài)特征并沒有明顯的上升現(xiàn)象,并且實(shí)驗(yàn)并未發(fā)現(xiàn)有大規(guī)模的分株現(xiàn)象, 所以此時的退化區(qū)環(huán)境并不適合直接進(jìn)行沉水植物恢復(fù)工程, 應(yīng)該優(yōu)先考慮改善環(huán)境特征。因?yàn)楣庹帐窍拗瓶嗖萆L的主要限制性因子, 應(yīng)該采取降低水位和水體營養(yǎng)鹽濃度以增加透明度等提高水下光合有效輻射的措施, 或者尋找或馴化出對弱光環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的沉水植物品種等。另外, 雖然底質(zhì)因素對苦草存活數(shù)的方差變異解釋度只有2.9%, 對根莖的生物量的方差變異解釋度只有6.3%, 但是都有顯著性影響, 所以, 底質(zhì)因素也是影響苦草恢復(fù)的重要因子, 從淤泥對照組和黏土實(shí)驗(yàn)組的對比來看, 黏土實(shí)驗(yàn)組存活數(shù)量大于淤泥對照組, 黏土底質(zhì)條件下苦草擁有更高的存活率, 并且黏土底質(zhì)條件下苦草受到的脅迫損傷相對更小, 所以使用黏土實(shí)施底質(zhì)改善措施對苦草的恢復(fù)有積極的作用。

4 結(jié)論

(1)在平均光強(qiáng)略高于苦草光補(bǔ)償點(diǎn)的極度弱光[8.3—15.8 μmol/(cm2·s)]和水深6.1—6.6 m的洱海湖底, 桶栽的苦草部分死亡, 存活數(shù)量下降, 并在形態(tài)特征和生理特征上均表現(xiàn)出脅迫響應(yīng), 其單株生物量和株高下降, N含量和游離氨基酸含量上升,C含量和淀粉含量下降。(2)苦草不同器官對弱光環(huán)境的響應(yīng)有所差異, 葉片(地上部分)受到的脅迫影響大于根莖(地下部分)。(3)苦草對弱光環(huán)境的響應(yīng)在黏土和湖底淤泥2種不同底質(zhì)條件下有顯著性差異, 苦草在黏土底質(zhì)上表現(xiàn)出更小的脅迫反應(yīng)和更高的存活數(shù)量, 2種底質(zhì)相比較, 黏土更適合作為苦草恢復(fù)的底質(zhì)條件。研究表明, 在洱海當(dāng)前的水質(zhì)環(huán)境下有希望結(jié)合局部的底質(zhì)改善來實(shí)現(xiàn)在湖心平臺的沉水植物恢復(fù)。