杭州西湖沉水植物恢复的群落动态变化及关键影响因子研究

Abstract

沉水植物作为湖泊水体生态系统的重要组成部分，在整个水体生态系统的构建、维持、恢复等过程中发挥着不可取代的作用。沉水植物具有多元化的生态服务功能，为水体生态系统的健康稳定运行提供保障。在富营养化湖泊的水体生态修复过程中，进行沉水植物群落重建方法比其他物理和化学方法更加长效，更有利于生态健康。因此，本文以沉水植物恢复为研究对象，围绕杭州西湖沉水植物的群落动态变化，运用现场调查、原位实验和室内小规模模拟实验相结合的研究方法，对杭州西湖沉水植物群落进行了连续的调查监测，同时针对沉水植物种子萌发、植株生长过程中，水深、动物牧食、种间竞争、营养盐、附着藻类等环境因子的影响，设计了相关实验进行研究探讨。不仅为杭州西湖的沉水植物群落恢复提供对策，同时也为其他富营养化城市湖泊沉水植物群落的恢复提供理论基础和技术借鉴。得到的主要结果如下：（1）通过杭州西湖沉水植物群落时空变化研究，发现西湖主要沉水植物种类有苦草（Vallisneria natans）、五刺金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）、大茨藻（Najas marina）、菹草（Potamogeton crispus）、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）、马来眼子菜（Potamogeton malaianus）、蓖齿眼子菜（Potamogeton pectinatus）、微齿眼子菜（Potamogeton maackianus）和小茨藻（Najas minor All.）。沉水植物生物量和盖度在每年9月份达到最大。其中，2013年茅家埠、浴鹄湾和乌龟潭3个湖区的沉水植物生物量分别达到16.5t、1.10t和2.22t，沉水植物平均盖度分别达到40.2%、25.7%和25.9%；2014年茅家埠、浴鹄湾和乌龟潭3个湖区的沉水植物生物量最大时分别为0.56t、0.32t和0.63t，沉水植物平均盖度仅分别为 6.3%、9.6%和10.3%，相比于2013年，茅家埠沉水植物生物量下降96.5%，沉水植物几乎消失殆尽，浴鹄湾和乌龟潭水域沉水植物生物量分别下降70.9%和71.5%，沉水植物同样损失严重；“十二五”沉水植物恢复示范工程实施后，2015年茅家埠、浴鹄湾、乌龟潭和小南湖4个湖区的沉水植物生物量分别达到1.23t、0.12t、0.83t和0.91t，沉水植物平均盖度分别达到15%、5%、16.8%和10.6%，相比于2014年，茅家埠和乌龟潭沉水植物生物量分别增加120%和31.7%；2016年茅家埠、浴鹄湾、乌龟潭和小南湖4个湖区的沉水植物生物量分别达到7.62t、0.65t、2.32t和2.71t，沉水植物平均盖度分别达到30.2%、15.7%、25.9%和28.6%，相比于2015年沉水植物和盖度进一步增加；2017年茅家埠、浴鹄湾、乌龟潭和小南湖沉水植物生物量分别达到11.58t、0.63t、2.45t和4.32t，沉水植物平均盖度分别达到38%、15.8%、25.7%和32%，茅家埠湖区沉水植物生物量进一步增加。事实证明，我们可以通过人工干预，进行沉水植物恢复工程，使自然演替的过程朝着湖泊生态系统逐步变好的方向进行。（2）通过取代系列实验研究方法，研究了穗花狐尾藻（M. spicatum）与不同生长期苦草（V. natans）（幼苗期和成株期）的种间竞争。实验结果表明，对于不同生长期的苦草，穗花狐尾藻都具有较强的竞争优势。相对而言，成株期苦草竞争能力强于幼苗期苦草。在苦草和狐尾藻的复合群落中，穗花狐尾藻因为其较大的株丛，分枝较多，甚至漂浮于水面生长，对苦草形成遮光作用，取得竞争优势；而苦草更趋向于竞争地下资源，表现为其较长的根长和较发达的地下匍匐茎，以此来竞争更多的空间和营养。如果采用苦草种子的方式来恢复苦草群落，应尽量避免在苦草幼苗期引入穗花狐尾藻，待苦草已建立稳定种群后再引入穗花狐尾藻是更佳的方案。（3）通过不同水深和动物牧食对苦草种子和黑藻殖芽萌发和幼苗生长影响的研究发现，在小南湖水域水深1m处苦草种子和黑藻殖芽萌发率较高，在2m水深处苦草种子几乎不萌发，且在2m水深处苦草种子和黑藻殖芽萌发时间相对推迟。动物牧食对苦草和黑藻幼苗存活产生不利影响，且黑藻幼苗更容易受到动物牧食的干扰。所以，采用种子繁殖的方式恢复黑藻和苦草群落时，要考虑恢复水体的水深范围和水生动物的牧食影响。 （4）沉水植物生长过程中，其表面容易滋生附着藻类，附着藻类对沉水植物的生长产生不利影响。通过研究苦草在附着藻类和不同浓度硝态氮（0.5mg/L，2.5mg/L，5mg/L，10mg/L）影响下的生物量和生理指标响应。我们发现，当硝态氮浓度为2.5mg/L和5mg/L时，苦草表面附着的藻类含量最大，高密度的附着藻类对苦草生物量的增加产生抑制效果，同时附着藻类和水体中高浓度硝态氮（>5mg/L）对苦草的生理机能产生不利影响，会导致苦草叶片叶绿素含量降低，MDA含量、游离脯氨酸含量和抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性升高，当水体中硝态氮大于5mg/L时，在附着藻和高浓度硝态氮的联合作用下，苦草叶片的抗氧化保护系统可能遭到破坏。虽然杭州西湖西进水域已经基本恢复沉水植物复合群落，但是沉水植物群落生态位分布不够平衡，群落结构仍然不够稳定。影响沉水植物生长、繁殖和分布的影响因素繁多，本研究所涉及的影响因子还比较有限，需要考虑更多因素共同作用的影响，因此更多更深入的研究还有待展开