李 威，何 亮，朱天順，曹 特，張霄林，倪樂意

(1:中國科學院水生生物研究所東湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)試驗站，武漢430072)(2:中國科學院大學，北京100049)

沉水植物是湖泊中重要的初級生產者，在維持清水穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著獨特的作用［1］.水深波動是湖泊重要的水文特征，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響［2］.水深變化可導致光照、風浪和底泥等特征發(fā)生相應變化，是影響沉水植物生長、繁殖與分布的綜合環(huán)境因子［3］.沉水植物定植的水深范圍在不同類型的湖泊中差異很大，如在貧營養(yǎng)的撫仙湖中沉水植物定植的最大水深超過10 m，在中-富營養(yǎng)的洱海中，沉水植物定植的最大水深不超過6 m，并且近年來沉水植物定植深度在不斷變?。?-5］，其中水體消光系數增大造成的弱光限制是導致深水區(qū)沉水植物衰退甚至消亡的重要因素.為了適應水位的變化，沉水植物面臨著生存與擴張的權衡(trade-off)，各個構件的生物量分配、株高和分株數變化等表現出很強的形態(tài)可塑性［6］.符輝等［3］的研究表明，隨水深的增加苦草(Vallisneria natans)的生物量、無性系分株數均顯著降低，而株高隨水深梯度呈先升高后降低的趨勢，其他沉水植物如刺苦草(V.spiralis)［7］、馬來眼子菜(Potamogeton malaianus)［8-9］、菹草(P.crispus)［10-11］、狐尾藻(Myriophyllum spicatum)［2］、黑藻(Hydrilla verticillata)［12］等的相關研究也有類似的趨勢.

水深變化對沉水植物生理生化也會產生一定的影響.如何偉等［10］的研究表明，水深差異顯著影響了菹草葉片光合電子傳遞速率及光響應曲線;劉偉龍等［8］的研究表明，水深對馬來眼子菜體內氮和磷含量也有很大影響，陳正勇等［11］的研究表明在水深3 m以下，菹草的葉綠素含量顯著增加.然而目前關于水深對沉水植物生理生化方面(特別是碳(C)、氮(N)和磷(P)生態(tài)化學計量學)的研究仍然比較缺乏，而且多集中在室內模擬實驗或富營養(yǎng)化水體中，由于條件限制，設置的水深梯度較小(多集中在0.5～2.0 m之間)［7-10］，導致研究結果有很大局限性，如何偉等［10］設置水深范圍為0.3～1.8 m，結果顯示水深差異對菹草葉片光合色素影響不明顯;陳正勇等［11］設置水深范圍為0.5～4.0 m，結果顯示在水深3 m以下，菹草的葉綠素含量開始顯著增加.野外調查研究能夠客觀反映不同水深長期作用下沉水植物的自然生存狀態(tài)和對生境適應的結果，對野外生境下沉水植物生理生化對水深的響應進行研究有助于理解或闡明沉水植物對水深的適應機制，同時對于湖泊水位調控、沉水植被修復也具有重要參考作用.

苦草是中國比較常見的沉水植物，廣泛分布于淡水生態(tài)系統(tǒng)中，它能定植于不同水深環(huán)境中，但在不同水深下形態(tài)差異較大［3］.洱海是一個中-富營養(yǎng)的高原湖泊，沉水植物物種豐富，近年來微齒眼子菜(P.maackianus)和苦草成為洱海優(yōu)勢種［5］，雖然微齒眼子菜的平均生物量要大于苦草，但是苦草分布的水深范圍和頻度則大于微齒眼子菜(李威等，未發(fā)表).本研究通過對云南洱海沉水植物苦草水深分布情況進行調查，并對定植于不同水深的苦草葉片中C、N和P含量及其比率進行分析，以闡明水深梯度對苦草生態(tài)化學計量學的影響.

1 材料和方法

1.1 現場調查、樣品采集及測定方法

于2011年6-7月沿洱海湖濱均勻設置98個采樣斷面，調查洱海水生植物的分布情況，每個斷面用賽氏盤測量透明度，用水下照度儀(Li-COR UWQ-192S，Li-Cor，Lincoln，NE)測量水下光合有效輻射(photosynthetic active radiation，PAR)，并取表層水樣帶回實驗室測量總氮和總磷含量.每個斷面由岸邊向湖心沿水深梯度設置采樣點，每個采樣點用自制的水下鐮刀(采集面積約0.2 m2)采集沉水植物，重復3個樣方，每個樣方內植物按種類分開，洗去泥沙和附著物，瀝干浮水，用桿秤稱量每種沉水植物的鮮重.共采集到有苦草的樣方738個，水深分布范圍為0.5～5.6 m，選取其中33個苦草分布較多的斷面(圖1)，每個斷面按水深梯度取少量苦草葉片裝進自封袋并編號帶回實驗室.設置5個水深梯度范圍，編號為1～5(1代表0.5～1.4 m，2代表1.5 ～2.4 m，3 代表2.5 ～3.4 m，4 代表3.5 ～4.4 m，5 代表4.5 ～5.4 m)，分別采集到18、18、29、17、8 個苦草葉片樣品，合計90個，在烘箱里烘干至恒重，用研缽磨碎，用元素分析儀(Flash EA 1112 series，CE Instru-ments，Italy)測定 C、N 含量，用硫酸-過氧化氫消解、鉬銻抗分光光度法測定P含量.

1.2 統(tǒng)計方法

苦草隨水深梯度i分布的頻度Fi和相對生物量Br計算公式分別為:

式中，Ni是苦草出現在水深梯度i范圍內的樣方數，Ns是苦草的總樣方數，Bi是水深梯度i范圍內樣方中苦草地上部分的總生物量，Bs是所有樣方中苦草地上部分的總生物量.

水深z處的消光系數Kd計算公式為［13］:

式中，I0為表層光合有效輻射，Iz為水深z處的光合有效輻射.

采用 Microsoft Excel 2010和 SPSS 16.0 Software Package分析數據和作圖，水深對苦草C、N、P及其比率的影響用Oneway ANOVA分析，苦草N、P含量關系顯著性采用Pearson相關分析.生物量數據均為鮮重，苦草葉片C、N、P含量均為單位質量濃度，C∶N、C∶P和N∶P均為質量比.

圖1 洱海采樣斷面分布Fig.1 Distribution of sampling transects in Lake Erhai

2 結果

2.1 洱海環(huán)境指標及苦草分布特征

所調查的33個斷面水體表層平均總氮含量為0.769 ±0.419 mg/L，總磷含量為 0.011 ± 0.007 mg/L，水體平均透明度為 1.71 ±0.28 m，調查區(qū)域苦草定植的水深范圍為0.5～5.6 m，平均消光系數為0.941±0.215，水體表層平均光合有效輻射約為936 μmol/(m2·s)，0.5 ～1.4 m 范圍內平均光照強度約為表層的39.7%，1.5～2.4 m 范圍內平均光照強度約為表層的16.0%，2.5～3.4 m 范圍內平均光照強度約為表層的6.2%，3.5～4.4 m范圍內平均光照強度約為表層的3.5%，4.5～5.6 m范圍內平均光照強度僅為表層的1.9%.苦草分布的頻度和相對生物量均隨水深梯度呈先升高后降低的趨勢，在 1.5～2.4 m范圍內達到最大頻度(31.3%)，在2.5 ～3.4 m 范圍內達到最大相對生物量(31.2%)(圖2).

圖2 苦草分布的頻度和相對生物量沿水深梯度的變化Fig.2 Frequency and relative biomass of V.natans along water depth gradient

2.2 苦草葉片C、N、P生態(tài)化學計量學特征

苦草葉片的C、N、P含量和C∶N、C∶P、N ∶P值均呈正態(tài)分布.苦草葉片的C含量平均為356.10±8.85 mg/g，范圍為335.90 ～375.07 mg/g;苦草葉片 N 和 P 含量平均值分別為 26.13 ±5.40 mg/g和3.54 ±1.15 mg/g，范圍分別為12.81～37.94 mg/g和1.40～6.37 mg/g.C 含量的變異系數較小，N、P 含量及 C ∶N、C∶P、N∶P值的變異系數均較大(圖3).

圖3 苦草葉片C、N、P含量及C∶N、C∶P、N∶P值的頻率分布直方圖(SD為標準偏差;CV為變異系數，是標準偏差與平均值的比值)Fig.3 Histograms showing the distribution of leaf C，N，P concentrations and their mass ratios for V.natans(Curves indicate fitted log-normal curves;SD:standard deviation;CV:coefficient variation，defined as the ratio of SD to mean value)

2.3 苦草葉片C、N、P含量及其比率隨水深的變化趨勢

苦草葉片的C含量在水深梯度1、2和3處隨水深的增加而降低，水深梯度3、4和5處C含量沒有顯著差異(P＞0.05)，水深梯度5相對于水深梯度1，C含量下降了3.8%;苦草N含量在水深梯度1、2和3處無顯著差異(P＞0.05)，但水深梯度3、4和5處N含量要顯著高于水深梯度1(P＜0.05)，約增加了36.1%;苦草P含量隨水深的增加呈上升趨勢，但水深梯度2和3之間、4和5之間P含量沒有顯著差異(P＞0.05)，水深梯度5相對于水深梯度1，P含量增加了82.4%;苦草葉片C∶N、C∶P隨水深梯度的變化趨勢和N、P的變化趨勢相反，N∶P在水深梯度2～5處沒有顯著差異(P＞0.05)，但水深梯度1處要顯著高于梯度2～5處(P ＜0.05，圖4).

圖4 苦草葉片C、N、P及其比率隨水深梯度變化的箱線圖(虛線的上下端代表最大值和最小值;矩形的上下端代表上四分位數和下四分位數;中間橫線為中位數;空心圓代表異常值;字母不同表示差異顯著，P＜0.05)Fig.4 Box plots of leaf C，N，P concentrations and their mass ratios for V.natans along water depth gradient(The top and bottom of dashed lines indicate maximum and minimum values;The top and bottom of boxes indicate upper and lower quartiles;Lines in the boxes indicate median values;Different letters indicate significant differences among water depth gradients in the level of P ＜0.05)

2.4 苦草葉片N、P含量在各水深梯度處的耦合關系

苦草葉片N、P含量在各個水深梯度均呈顯著正相關(P＜0.05)，但淺水處(0.5～2.4 m)的相關性(R2＞0.5，P≤0.001)要大于深水處(2.5 ～5.6 m)的相關性(R2＜0.2，P ＜0.05)(圖5).

3 討論

圖5 苦草葉片N、P含量在各水深梯度處的耦合關系((a)0.5 ～1.4 m;(b)1.5 ～2.4 m;(c)2.5 ～3.4 m;(d)3.5 ～5.6 m)Fig.5 Scatter plots showing relationships between leaf N and P concentrations of V.natans in different water depths(0.5-1.4 m(a)，1.5-2.4 m(b)，2.5-3.4 m(c)and 3.5-5.6 m(d))

水下光照是沉水植物生長的基本環(huán)境因子之一，湖底光照占表層光照的百分比決定了沉水植物定植的深度，湖泊底部的光照強度一般要大于湖泊水面光照強度的1%～3%才能維持沉水植物的正常生長［14-16］.本研究調查得到2011年苦草在洱海分布的最大水深為5.6 m，而4.5～5.6 m水深范圍內水體平均光照僅為表層的1.9%，這表明5.6 m可能已經是洱?？嗖莘植嫉臉O限水深.本研究中洱海1.5～2.4 m水深范圍內平均光照為表層光照的16.0%;2.5～3.4 m水深范圍內平均光照為表層光照的6.2%，苦草在這兩個水深范圍內達到最大頻度和相對生物量，這表明苦草在洱海中的最適生長深度在1.5～3.4 m水深范圍內，這應該是苦草長期適應洱海生境、經過洱海各種環(huán)境因子自然選擇而達到的最適生長深度.水深過低，沉水植物的垂直生長受到限制，且光照過強也會對植物造成一定損傷，如何偉等［10］的研究表明，淺水處(水深低于0.6 m)菹草葉片光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學量子產量及光合電子傳遞速率均低于深水處;水深過高，光照不足、底泥厭氧等同樣會限制沉水植物的生長，這二者之間的權衡導致沉水植物在中等梯度的水深下達到最大優(yōu)勢度.另外，苦草的半飽和光強為147 μmol/(m2·s)(李威等，未發(fā)表)，約為洱海表層光照的15.7%，在1.5～2.4 m水深范圍內，這表明洱海1.5～2.4 m水深范圍的光照條件最適合苦草生長，苦草在這個水深范圍分布最多(即頻度最大)，但是苦草的最大相對生物量卻出現在水深2.5～3.4 m之間，推測其原因可能是多方面因素共同造成的.植物通過克隆覓食(在營養(yǎng)豐富的斑塊發(fā)育更多的分株)和根覓食(在營養(yǎng)豐富的斑塊上增生更多的根)能夠大幅度增加營養(yǎng)的獲?。?7］，Xiao等［18］的研究表明，刺苦草能夠通過克隆覓食趨向有利生境(如營養(yǎng)豐富、光線充足的生境)，逃脫有害生境(如營養(yǎng)貧乏、光線較弱的生境).根據我們的調查，在洱海東部區(qū)域，湖岸帶坡度較大，水底石頭較多，受風浪擾動較大，且淺處底泥多為砂質底，營養(yǎng)較深處貧乏，這對苦草的大量增殖相當不利，因而可能導致苦草通過“覓食效應”定植到適當水深處(如2.5～3.4 m)，從而在這一水深范圍達到最大的生物量;在其他受風浪擾動較小的湖灣區(qū)域，雖然淺水區(qū)營養(yǎng)豐富，但是水生植物種類也較多，競爭激烈，且多為菱、荇菜、浮萍等浮葉/漂浮植物及其他能形成冠層的沉水植物，水下光照被嚴重削減，對于苦草這種蓮座型沉水植物尤為不利，雖然在淺水處苦草也均有分布，但生物量較小，2.5～3.4 m水深范圍競爭相對較少，可能更適合苦草的克隆生長.

相關研究表明，水深能夠影響水體多個指標，如水溫、pH、DO、光照、營養(yǎng)、葉綠素、底泥、風浪等，其中水體光照受到的影響最大［2-3，7-8，19］，本研究也發(fā)現水體光照隨著水深梯度的增加而呈指數下降.Li等［20］的研究發(fā)現，遮光處理下苦草N含量顯著高于不遮光處理，C含量在兩個處理下變化不大，所以弱光條件下苦草C∶N顯著低于高光條件.黎慧娟等［21］的研究也表明苦草葉中N、P含量隨光照的減弱而增加.本研究中深水區(qū)苦草N、P含量顯著高于淺水區(qū)，這與Li等［20］和黎慧娟等［21］研究得到的弱光條件下N、P變化趨勢相似，表明水深對苦草葉片N、P的影響主要是由水深造成的弱光引起的.本研究中苦草葉片C含量淺水區(qū)顯著高于深水區(qū)，這可能不僅僅是光照變化引起的，因為Li等［20］的研究表明遮光與不遮光處理之間苦草C含量變化不大，Cronin等［16］對眼子菜屬沉水植物P.amplifolius的研究也表明光照處理對其組織C含量沒有影響.我們推測，這可能是由淺水區(qū)和深水區(qū)溶解性無機碳(DIC)的差異造成的，CO2在水體中的傳播速率遠低于空氣，并且DIC經過葉片表面的邊界層面臨的阻力也相當大，這使得DIC成為沉水植物生長的一種限制因子［22-23］.淺水區(qū)受風浪影響要大于深水區(qū)，風浪加速了空氣和水體的CO2交換，同時也降低了葉片與湖水CO2交換的阻力，所以淺水區(qū)的苦草能利用的CO2要顯著多于深水區(qū)，并且淺水區(qū)光照情況也優(yōu)于深水區(qū)，這可能導致淺水區(qū)苦草光合作用和C獲取都大于深水區(qū)，淺水區(qū)苦草的葉片C含量要高于深水區(qū).另外，Yan等［24］發(fā)現CO2濃度升高，刺苦草葉片N、P含量因受到生物稀釋而降低，本研究中淺水區(qū)苦草葉片N、P含量低于深水區(qū)的結果與之也吻合.

苦草葉片C含量的變異較N、P小，所以C∶N和C∶P主要是由N、P含量決定的，C∶N和C∶P隨水深的變化趨勢與N、P相反，這與海草的研究結果相似［25］.N∶P受水深變化的影響較小，除水深梯度1外，其他4個水深梯度苦草葉片N∶P變異較小.而水深梯度1處苦草葉片N∶P變異比較大的原因可能是由于這個梯度苦草葉片P含量較小，至于P含量低則可能與淺水處底泥P的可利用性低有關.需要指出的是，雖然苦草N、P含量隨水深變化表現出了一定的變異性，但要遠小于苦草形態(tài)隨水深變化的可塑性，如苦草葉片N、P含量在不同水深下的變化不超過1倍，而其生物量、株高和分株數等在不同水深下的變化可能超過5倍［3］，這表明苦草生態(tài)化學計量學具有一定的內穩(wěn)性.

N和P是植物新陳代謝活動(如光合作用和呼吸作用等)中必不可少的生命元素，一般來說，無論是陸生植物還是水生植物，植物組織N、P含量是緊密耦合在一起的［26-28］，本研究還發(fā)現一個有趣的現象，水深的增加使得苦草葉片N、P含量的耦合性變弱，這可能是苦草在深水區(qū)N、P的不均衡積累或代謝失衡引起的，苦草葉片N、P含量雖然都隨水深的增加而增加，但是二者增加的速度卻是不同步的，如，相對于水深梯度1，水深梯度5處苦草的N含量增加了36.1%，P含量增加了82.4%，同時，深水區(qū)苦草N和P的變異系數均小于淺水區(qū)，這表明深水區(qū)苦草葉片N、P含量發(fā)生了“聚斂”，具有趨同性，這種趨同性也降低了N和P之間的耦合性.

綜上所述，苦草對水深(光照)的適應能力很強，也正因為如此，苦草在富營養(yǎng)湖泊生態(tài)修復中常被用作先鋒種，必須注意的是，隨著水體光照條件的不同苦草的最適生長水深也不同，這提示我們在苦草的恢復工程中要注意苦草生長水深的選擇，需要根據被修復水體的光照條件和水文特征綜合考慮.另外，水深的增加加劇了弱光和低含量溶解性無機碳限制，使得苦草生長率下降，這可能是導致苦草葉片C含量下降、N和P含量上升的主要原因，從而造成其C∶N∶P生態(tài)化學計量學失衡，但尚需要進一步的實驗驗證.

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