《武汉植物园在长江中下游富营养化湖泊沉水植被与水下光气候关系的研究中取得新进展》

  • 来源专题:长江流域资源与环境知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: lifs
  • 发布时间:2020-06-08
  • 富营养化湖泊沉水植物的成功恢复和长效维持是整个健康湖泊生态系统恢复的关键,因为沉水植物可以通过建构功能等促进湖泊生态系统由藻型浊水稳态向草型清水稳态的转变。目前对富营养化湖泊沉水植物的恢复,基本都是选择一些较为耐污的先锋物种,如苦草、穗花狐尾藻、篦齿眼子菜、竹叶眼子菜、金鱼藻等。然而,在恢复的时候,最佳的物种恢复数量及其组合却尚不清楚。     中国科学院水生植物与流域生态重点实验室、 武汉植物园湿地生态学学科组博士研究生刘寒等在刘贵华研究员和邢伟研究员的指导下,对长江中下游 19 个湖泊进行了详细的沉水植被及其环境调查,以期通过野外数据初步解决上述问题。研究 结果表明,水体营养盐 (TN 和 TP) 与光衰减系数 ( K d) 和红 / 蓝比值呈正相关,表明较差水质可显著降低水体透明度。路径分析结果表明,水下光气候是影响沉水植物形态性状、生理性状和物种丰富度的直接因素。功能性状的变化对沉水植物的物种丰富度也有显著影响。研究指出,三种或三种以上沉水植物的物种组合 (species assemblage) 可以显著改善长江中下游富营化湖泊水体的透明度,但对富营养湖泊水质的改善 显著。穗花狐尾藻和苦草的基础物种组合可用于长江中下游富营养化湖泊沉水植物的恢复中。我们的研究表明,物种丰富度和物种组合是浅水富营养化湖泊沉水植物恢复的关键。  本研究可为我国长江中下游富营养化湖泊沉水植被的分区分步恢复和清水稳态的长效维持提供理论指导。    研究成果“ How many submerged macrophyte species are needed to improve water clarity and quality in Yangtze floodplain lakes? ” 已在国际学术期刊 Science of the Total Environment 上发表 (2020, 724: 138267) 。该研究得到国家自然科学基金 (31870346, 31970368, 31971479) 和中国科学院武汉植物园科研青年骨干 (Y755261L02) 等项目的资助。       论文连接: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138267

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    • 2017-10-27 来源:湿地生态学学科组 刘文治 大 中 小 .   氮是藻类生长的重要限制营养元素,也是导致湖泊富营养化的关键因子之一。硝化 -反硝化过程能将氨氮和硝氮还原成 N2O和 N2,是湖泊生态系统最重要的脱氮途径。沉水植被恢复是目前治理富营养化湖泊的常用生物修复措施,但 沉水植被恢复能否促进湖泊的 硝化 -反硝化过程 还不明确。       中国科学院武汉植物园博士生姚璐在刘文治副研究员、刘贵华研究员的指导下,以长江中下游典型浅水湖泊 -洪湖为研究对象,测定了无草区、常年有草区和季节有草区底泥的硝化、反硝化以及 N2O产生速率。研究发现无草区底泥的硝化速率显著高于有草区底泥,但有无沉水植被对底泥 反硝化和 N2O产生速率无显著影响。 RDA和相关分析揭示了底泥的硝化 -反硝化速率和水温、水体和底泥的氮含量相关,但与沉水植被特征、反硝化微生物丰度关系不显著。该研究的结果表明,沉水植被恢复能有效改善湖泊水体透明度,但不能加强底泥的脱氮速率,削减外源输入是控制浅水湖泊氮污染的关键所在。     该研究得到了国家自然科学基金( 31570535)的支持。研究结果以“ Sediment nitrogen cycling rates and microbial abundance along a submerged vegetation gradient in a eutrophic lake”为题,在线发表于学术期刊 Science of The Total Environment (DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.10.230)。     论文链接: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717329480         . 
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    • 编译者:hujm
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    • 沉水环境和陆生环境在光照、水的可利用性和无机碳的形式及浓度上有着巨大的差异。这些环境参数与植物光合作用及生长发育密切相关。面临水陆环境的差异,水生植物在形态结构和生理生化都产生了适应。   中国科学院武汉植物园水生植物生物学学科组研究团队选取眼子菜科竹叶眼子菜(Potamogeton wrightii)为研究材料,针对该水生植物的解剖结构、光合生理的响应,利用转录组测序技术,进一步从分子遗传水平综合阐明了P. wrightii 对两种不同生境的适应机制。研究表明,相较于沉水叶,P. wrightii的气生叶更厚,有较多的角质和蜡质,气孔发达,对强光的耐受性更强,光化学效率更高。沉水叶有更强的HCO3-获取能力,并合成更多的光合色素。通过分别对气生叶和沉水叶进行转录组测序和比较分析,发现众多差异表达基因富集在了角质和蜡生物合成、光合作用-天线蛋白、光合作用途径等相关的代谢通路,进一步阐明了该物种对水生和陆地两种截然不同生境的分子适应机制(图1)。该研究为进一步深入理解水生植物适应性进化提供了基础和若干转录组信息资源。 除了对低光的适应外,有超过50%的沉水植物演化出了利用水体HCO3-作为备用无机碳源的能力以应对水体CO2的缺乏。武汉植物园水生植物生物学学科组团队选取了能利用HCO3-的植物龙舌草(Ottelia alismoides)、艾格草(Egeria densa)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)和不能利用HCO3-的水盾草(Cabomba caroliniana)作为研究材料,通过ph-drift实验、光合放氧速率测定、氧抑制以及光呼吸相关酶活性测定发现HCO3-的利用能有效提高沉水植物光合放氧速率降低氧抑制率,从而达到降低光呼吸的作用。表明利用HCO3-是降低沉水植物光呼吸的有效手段,提高沉水植物对水体碳环境的适应性,占据有利的生态位(图2)。 研究论文分别以“Biological adaptive mechanisms displayed by a freshwater plant to live in aquatic and terrestrial environments”和“Bicarbonate-use by aquatic macrophytes allows a reduction in photorespiration at low CO2 concentrations”为题在国际期刊Environmental and Experimental Botany上发表,水生植物生物学学科组博士研究生韩世娟和海南大学与武汉植物园联合培养硕士研究生李鹏鹏分别为两篇论文第一作者,由李伟研究员、黄文敏副研究员、尹黎燕教授和江红生副研究员共同指导完成。   不同沉水植物HCO3-利用机制会受到外界环境影响。在典型喀斯特地区的一条河流研究中,发现从河流上游到下游优势的沉水植物的主要无机碳源从CO2转变为HCO3-,并且利用机制从胞外CA酶介导转变为阴离子通道介导(图3)。相关研究结果以“Different mechanisms of bicarbonate use affect carbon isotope composition in Ottelia guayangensis and Vallisneria denseserrulata in a karst stream”为题发表在期刊Aquatic Botany上。武汉植物园江红生副研究员为论文第一作者,海南大学尹黎燕教授为通讯作者。   当沉水植物以HCO3-作为无机碳源时,会显著影响叶际水体的pH,从而引发一系列连锁反应,例如湖泊富营养化过程中水体铵氮的升高,会随着pH的增加而产生更强的毒性。武汉植物园水生植物生物学学科组研究团队选取了能利用HCO3-的植物且产生叶片极化、 能利用HCO3-的植物但不产生叶片极化及不能利用HCO3-的沉水植物20余种开展铵的急性毒理实验。结果表明叶片能否产生极化现象或能否利用HCO3-与植物叶绿素荧光指标对铵胁迫的响应存在一定的交互作用,具体机理还有待进一步验证(图4)。本研究以”Is leaf polarity an accomplice for the phytotoxicity of ammoniacal nitrogen on submerged macrophytes: a preliminary microcosm study?”为题发表在期刊Fundamental and Applied Limnology上,武汉植物园操瑜副研究员为论文第一作者和通讯作者,刘帆研究员是最后通讯作者。