沉水植物化感作用對(duì)西湖濕地浮游植物群落的影響

姚　遠(yuǎn)，賀　鋒，胡勝華，孔令為，劉碧云，曾　磊，張麗萍，*，吳振斌淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢　4300722中國科學(xué)院大學(xué)，北京　00049

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沉水植物化感作用對(duì)西湖濕地浮游植物群落的影響

姚遠(yuǎn)1，2，賀鋒1，胡勝華1，孔令為1，劉碧云1，曾磊1，2，張麗萍1，*，吳振斌1
1淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢430072
2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘要:通過微宇宙實(shí)驗(yàn)，在控制光照和營養(yǎng)鹽濃度的條件下分別研究了苦草(Vallisneria spiralis)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)和穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)的化感作用對(duì)采集于杭州西湖湖西濕地的藻類密度、葉綠素a濃度、群落結(jié)構(gòu)、多樣性指數(shù)等的影響。其結(jié)果表明，3種沉水植物對(duì)微宇宙系統(tǒng)中的藻類都具有明顯影響，藻類密度與葉綠素a濃度受到顯著抑制，3個(gè)草-藻研究系統(tǒng)中藻類群落結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化。在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诳嗖萁M、金魚藻組和穗花狐尾藻組中藻類總生物量(以細(xì)胞密度計(jì))分別較初始值降低了37.06%、78.37%和83.40%。柵藻對(duì)3種沉水植物的化感作用敏感性較弱。藻類生物多樣性方面，穗花狐尾藻系統(tǒng)中最高，其次是金魚藻組，最后是苦草組，其Shannon-Wiener指數(shù)(H)分別為2.76、2.06和0.72，穗花狐尾藻組中H的顯著高于苦草組(P＜0.05)。

關(guān)鍵詞:沉水植物;化感作用;藻類群落結(jié)構(gòu);微宇宙系統(tǒng);杭州西湖湖西濕地

姚遠(yuǎn)，賀鋒，胡勝華，孔令為，劉碧云，曾磊，張麗萍，吳振斌.沉水植物化感作用對(duì)西湖濕地浮游植物群落的影響.生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(4):971-978.Yao Y，He F，Hu S H，Kong L W，Liu B Y，Zeng L，Zhang L P，Wu Z B.Effects of allelopathy of submerged macrophytes on the phytoplankton community collected from the west part of the West Lake wetland in Hangzhou，China.Acta Ecologica Sinica，2016，36(4):971-978.

沉水植物與浮游植物都是水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，兩者的生態(tài)位重合度高，因此在空間、光照、營養(yǎng)等生存資源方面存在激烈的競爭［1-2］。沉水植物的化感作用作為種間生存競爭的一種特殊形式對(duì)維護(hù)其種群的生長和發(fā)展具有重要作用［3-4］?；凶饔檬侵敢环N植物通過向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)而對(duì)另一種植物(包括微生物)所產(chǎn)生的直接或間接的傷害或促進(jìn)作用［5］。研究表明苦草(Vallisneria spiralis)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)和穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)等沉水植物能釋放多種化感物質(zhì)抑制藻類的生長［6-9］。

很多野外的調(diào)查表明，淺水湖泊中的沉水植物對(duì)浮游植物有明顯影響［10-12］，因此沉水植被重建已經(jīng)作為富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)工程的重要手段并有顯著效果。本課題組在國家“十五”水專項(xiàng)武漢課題、“十一五”水專項(xiàng)西湖課題實(shí)施過程中，成功的在武漢漢陽地區(qū)兩個(gè)富營養(yǎng)化湖泊:蓮花湖［13］和月湖［14］以及杭州西湖湖西區(qū)域(數(shù)據(jù)尚未發(fā)表)成功重建了沉水植物群落，使其中浮游植物生物量出現(xiàn)顯著降低。但其影響浮游植物群落的機(jī)制并不明確。

在自然水生生態(tài)系統(tǒng)中，藻類種類繁多，分屬于不同門類。不同藻類對(duì)于化感作用的敏感度不同，并且不同沉水植物分泌的化感物質(zhì)也不盡相同［15］，因此不同沉水植物的化感作用對(duì)不同藻類也可能表現(xiàn)出不同效應(yīng)，從而影響藻類群落結(jié)構(gòu)，目前鮮有不同沉水植物對(duì)浮游植物群落影響方面的研究見諸報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建微宇宙系統(tǒng)，選用西湖湖西區(qū)域成功恢復(fù)的3種沉水植物:苦草、金魚藻以及穗花狐尾藻和當(dāng)?shù)氐淖匀辉宸N，模擬西湖湖西區(qū)域水生生態(tài)系統(tǒng)，研究沉水植物化感作用是否是其抑制藻類生長的主要原因;跟蹤微宇宙系統(tǒng)中不同時(shí)間內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化，比較3種沉水植物通過化感作用對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)效應(yīng)，為通過重建沉水植物來控制浮游植物提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1微宇宙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)在國家水專項(xiàng)西湖工作站進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置為露天放置一排的12口粗陶缸(購于杭州市花鳥市場(chǎng))。缸為東西向放置，以控制各缸中光照條件一致。缸的規(guī)模為底部內(nèi)徑45 cm、頂部內(nèi)徑75 cm、高75 cm。每口缸仔細(xì)用自來水清洗干凈后，添加10 cm厚由50%的西湖底泥與50%黃沙均勻混合而成的底質(zhì)。隨后往每只缸中緩緩注入100 L自來水，靜置待缸中澄清后使用。另備一套相同系統(tǒng)供藻類培養(yǎng)使用。

1.2供試沉水植物與浮游植物

選擇西湖湖西區(qū)域已成功恢復(fù)的3種沉水植物:苦草、金魚藻和穗花狐尾藻用于實(shí)驗(yàn)。沉水植物均于實(shí)驗(yàn)前一周采集自西湖湖西區(qū)域濕地，采集時(shí)保證植物具有完整根系及葉片。采集回后用自來水仔細(xì)洗去植株上附著物，隨后挑選形狀均一的植株體按分組移植入試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行為期一周的馴化培養(yǎng)，每個(gè)系統(tǒng)中沉水植物總生物量為300 g，密度為3.0 g/L(參考Maarten Vanderstukken［16］)。浮游植物也采集自西湖湖西區(qū)域: 用25號(hào)浮游生物網(wǎng)在該區(qū)域4個(gè)隨機(jī)位點(diǎn)采集浮游植物，混合后投入藻類培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行馴化培養(yǎng)。通過投加KNO3和KH2PO4保證藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中有足夠的氮磷含量，培養(yǎng)時(shí)間約一周，當(dāng)藻類密度達(dá)到107—108個(gè)/L左右時(shí)用于實(shí)驗(yàn)。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照組和苦草組、金魚藻組、穗花狐尾藻組3個(gè)處理組，每個(gè)組3個(gè)平行。3個(gè)處理組都在實(shí)驗(yàn)前一周按分組分別移栽入形狀均一的植株體。實(shí)驗(yàn)第1天時(shí)，各試驗(yàn)系統(tǒng)中加入1L馴化培養(yǎng)過的混合藻液，使其初始藻類總細(xì)胞數(shù)在106—107個(gè)/L，并通過投加KNO3和KH2PO4使系統(tǒng)中的TN和TP含量穩(wěn)定在3.0 mg/L(參考西湖總氮［17］)和0.4 mg/L，氮磷比為7.5∶1［16］。

1.4取樣和測(cè)試

實(shí)驗(yàn)始于2013年7月31日結(jié)束于8月19日，共20d，期間裝置處每日氣溫為28—40℃。試驗(yàn)期間，每天用自來水補(bǔ)充蒸發(fā)及采樣消耗的水，每隔2d取樣測(cè)試水體總氮總磷并通過投加KNO3和KH2PO4使系統(tǒng)中的TN和TP含量保持穩(wěn)定，每隔5d取樣測(cè)定水體中葉綠素a濃度，每隔10d取樣測(cè)定浮游植物群落結(jié)構(gòu)。取樣時(shí)將缸中水?dāng)嚢杈鶆蚝?，? L柱狀采水器采水，取得的水先過20目尼龍網(wǎng)過濾掉沉水植物葉片等雜質(zhì)，再于其中取0.5 L用于測(cè)定葉綠素a濃度，取1 L水樣用于測(cè)定總氮、總磷，取1 L水樣立即加入15 mL魯哥式液固定，作為浮游植物定量樣品。

總氮的測(cè)定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法［18］、總磷的測(cè)定采用鉬銻抗比色法［18］。葉綠素a濃度的測(cè)定采用丙酮分光光度法［18］。浮游植物細(xì)胞數(shù)的測(cè)定用顯微鏡視野計(jì)數(shù)法［19］。浮游植物的鑒定參考《中國淡水藻類——系統(tǒng)，分類及生態(tài)》中的方法［20］。

1.5浮游植物群落功能多樣性指數(shù)計(jì)算

本研究中用到的生物多樣性指數(shù)選擇為:

式中，p=ni/N，ni為i種的個(gè)體數(shù)，N為所有種類總個(gè)體數(shù)，S為物種數(shù)［21］。

1.6數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析，P＜0.05表明顯著差異。

2　結(jié)果

2.1各實(shí)驗(yàn)組中葉綠素a濃度變化

實(shí)驗(yàn)期間各實(shí)驗(yàn)組葉綠素a濃度變化見圖1:空白組中，前15d葉綠素a濃度呈對(duì)數(shù)增長，從起始值470 mg/m3快速增加至24790 mg/m3;第15—20天葉綠素a濃度增長速度減慢，逐漸增加至26020 mg/m3。相對(duì)于空白組，3個(gè)水草組中葉綠素a濃度都長期保持非常低的水平，介于200—230 mg/m3之間?？嗖萁M中，實(shí)驗(yàn)前10d，葉綠素a濃度從560 mg/m3增加約兩倍至1680 mg/m3后由回落至790 mg/m3，并在隨后的10d中穩(wěn)定在300—400 mg/m3之間;金魚藻組中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，葉綠素a濃度從起始時(shí)的720 mg/m3逐漸降低至280 mg/m3。狐尾藻組中，葉綠素a濃度在實(shí)驗(yàn)前5d基本不變，保持在1050 mg/m3左右，在第5—10天時(shí)增加1倍至2290 mg/m3，隨后迅速降低，并在最后10d一直都保持在270 mg/m3左右。實(shí)驗(yàn)的前10d，各組水體葉綠素a濃度之間差異均不顯著(P＞0.05);從第15天開始，到第20天，空白組水體葉綠素a濃度顯著高于3個(gè)水草組(P＜0.01)。實(shí)驗(yàn)期間，各水草組間水體葉綠素a濃度始終無顯著差異(P＞0.05)。

圖1　各實(shí)驗(yàn)組葉綠素a濃度變化Fig.1Dynamics of chlorophyll－a content in different treatments

2.2各實(shí)驗(yàn)組中浮游植物的密度變化

實(shí)驗(yàn)期間各實(shí)驗(yàn)組中藻類總細(xì)胞密度(圖2)與葉綠素a(圖1)變化趨勢(shì)接近?？瞻捉M中藻類總細(xì)胞密度基本上都保持每10d增加一個(gè)數(shù)量級(jí)的趨勢(shì)，經(jīng)過20d時(shí)間，從2.51×106個(gè)/L增加到2.14×108個(gè)/L;第10天時(shí)，在苦草組中藻類總細(xì)胞密度較實(shí)驗(yàn)開始時(shí)下降了接近一半，為4.32×105個(gè)/L，隨后藻細(xì)胞密度有所提高，但是最后藻類總細(xì)胞密度還是較起始值降低了37.06%;金魚藻組中，從實(shí)驗(yàn)開始藻類總細(xì)胞密度一直保持下降趨勢(shì)，第20天實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為5.11×105個(gè)/L，比初始值降低了78.37%，;而狐尾藻組中，藻類總細(xì)胞密度表現(xiàn)出另一種趨勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)第10天增加到9.75×106個(gè)/L，隨后迅速下降，到第20天藻類總細(xì)胞密度為5× 105個(gè)/L，較初始值降低了83.40%。實(shí)驗(yàn)起始時(shí)，各處理組間藻類總細(xì)胞密度無顯著性差異(P＞0.05);實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第10天時(shí)，空白組與3個(gè)水草組間藻類總細(xì)胞密度均差異顯著(P＜0.05)，第20天時(shí)，差異更加顯著(P＜0.01)。實(shí)驗(yàn)過程中3個(gè)水草組中藻類總細(xì)胞密度變化趨勢(shì)不同，但均處于較低水平，3組間無顯著差異(P＞0.05)。

圖2　各實(shí)驗(yàn)組藻類密度變化Fig.2Dynamics of phytoplankton density in different treatments

對(duì)系統(tǒng)中藻類分類發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)起始時(shí)空白組中藍(lán)藻占藻類總細(xì)胞數(shù)比例為14.22%，在第10天和第20天均保持在10.05%左右;3個(gè)水草組中藍(lán)藻比例均先下降后上升，其中苦草組中由4.12%降至0.81%又增加至11.24%，金魚藻組中由6.12%降至1.61%又增加至3.65%，狐尾藻組中由12.59%降至2.15%又增加至22.17%。實(shí)驗(yàn)第20天時(shí)空白組藍(lán)藻密度達(dá)到2.18×107個(gè)/L，而水草組的藍(lán)藻細(xì)胞密度均介于104—105個(gè)/L之間。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的綠藻，空白組中綠藻比例在第1天和第10天都保持在65%左右，第20天時(shí)增至89.68%;苦草組中綠藻比例一直維持在88%左右，變動(dòng)不大;金魚藻組中綠藻比例在第1天和第10天均保持在79%左右，第20天時(shí)增至86.35%;穗花狐尾藻組中第1天時(shí)綠藻比例為76.22%，第10天時(shí)降至28.54%，但不同平行間誤差較大，第20天時(shí)又恢復(fù)至74.01%。實(shí)驗(yàn)第20天時(shí)空白組綠藻密度達(dá)到1.92×108個(gè)/L，而水草組的綠藻細(xì)胞密度均在5×105個(gè)/L左右。

就硅藻而言，實(shí)驗(yàn)過程中所有組中硅藻比例都出現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì)，第20天時(shí)，空白組、苦草組和穗花狐尾藻組中的硅藻基本消失，金魚藻組中硅藻比例為10%。甲藻裸藻等其他藻類在實(shí)驗(yàn)過程中偶見。

2.3浮游植物群落屬類組成變化

從浮游植物總屬數(shù)方面來看(圖3)，空白組、苦草組以及金魚藻組中屬類總數(shù)均在實(shí)驗(yàn)過程中降低:空白組中總屬數(shù)從16.00逐漸降低至8.00;苦草組中總屬數(shù)在前10d保持在22.00，隨后降至11.00;金魚藻組中總屬數(shù)從17.33逐步降低至9.00，;狐尾藻組中總屬數(shù)變化不大，介于14.00—15.00之間。各組中總屬數(shù)變化不顯著(P＞0.05)。

在屬類組成方面(圖3)，各門藻類對(duì)屬類組成貢獻(xiàn)的趨勢(shì)與其密度比例的趨勢(shì)比較接近。觀察到各實(shí)驗(yàn)組中存在兩個(gè)趨勢(shì):3個(gè)水草組中藍(lán)藻對(duì)于屬類組成的貢獻(xiàn)都是在實(shí)驗(yàn)前10d降低后10d升高;所有實(shí)驗(yàn)組中硅藻對(duì)屬類組成的貢獻(xiàn)都是在實(shí)驗(yàn)前10d升高后10d降低，正好與藍(lán)藻變化情況相反。實(shí)驗(yàn)前10d，狐尾藻組中這兩種趨勢(shì)變化幅度最大，其中藍(lán)藻從12.59%降低到2.15%，硅藻從10.02%增加到69.24%;空白組、苦草組和金魚藻組中變化幅度較小。從第10天至第20天，狐尾藻組中硅藻對(duì)屬類組成的降幅最明顯，從69.24%降低至2.92%，空白組和苦草組中硅藻門基本消失，分別從第10天時(shí)的24.64%和19.76%降至0.1%和0.26%，金魚藻組中硅藻門比例降至10%。

圖3　各實(shí)驗(yàn)組浮游植物群落屬類組成變化Fig.3Dynamics of genus composition in different treatments

2.4優(yōu)勢(shì)屬變化

各實(shí)驗(yàn)組中浮游植物的優(yōu)勢(shì)種類隨著時(shí)間而變化(表1)。實(shí)驗(yàn)起始時(shí)，雖然投加的藻種是一樣的，空白組與3個(gè)水草組之間優(yōu)勢(shì)屬不完全相同，推測(cè)這是由于適應(yīng)培養(yǎng)期間系統(tǒng)中本土浮游植物的自然生長導(dǎo)致的，但由于每個(gè)處理組中藻類種類、細(xì)胞數(shù)以及多樣性系數(shù)相差不大，可以認(rèn)為該差異對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大影響。試驗(yàn)期間，空白組中的優(yōu)勢(shì)屬由藍(lán)藻門的平裂藻轉(zhuǎn)變?yōu)榫G藻門的盤星藻和十字藻，各平行間雖然優(yōu)勢(shì)屬不完全相同，但其中浮游植物各門所占比例以及多樣性指數(shù)差異不顯著(P＞0.05)?？嗖萁M中的優(yōu)勢(shì)屬從綠藻門的柵藻轉(zhuǎn)變?yōu)榫G球藻和團(tuán)藻，其中團(tuán)藻雖然出現(xiàn)幾率不大，但群體中包含豐富的微小的藻細(xì)胞，故其成為優(yōu)勢(shì)屬;金魚藻組中優(yōu)勢(shì)屬從綠藻門的柵藻屬轉(zhuǎn)變?yōu)樾∏蛟鍖俸捅P星藻屬;狐尾藻屬中優(yōu)勢(shì)屬從綠藻門的柵藻屬和月牙藻屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫G球藻屬。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，只有空白組在實(shí)驗(yàn)起始階段和第10天時(shí)優(yōu)勢(shì)屬為藍(lán)藻門的平裂藻，3個(gè)水草組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段優(yōu)勢(shì)屬都只限于綠藻門并且都包含柵藻屬，說明本實(shí)驗(yàn)中3種沉水植物的化感作用可能對(duì)于綠藻門中柵藻屬藻類抑制效果較弱。

表1　試驗(yàn)期間各處理組浮游植物優(yōu)勢(shì)屬變化Table1　Dominant genus in water of four treatments during experiment time

2.5多樣性指數(shù)的變化

實(shí)驗(yàn)過程中，雖然空白組與苦草組在細(xì)胞密度方面差異顯著，但兩者的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)變化趨勢(shì)非常接近(圖4)，都由實(shí)驗(yàn)初始時(shí)的3.22左右逐步降低至0.80左右;金魚藻組中H下降趨勢(shì)較緩，從起始時(shí)的2.94降至2.06;狐尾藻組中H從實(shí)驗(yàn)起始時(shí)的2.90降至1.86，并在接下來的10d中又恢復(fù)到2.76。實(shí)驗(yàn)初始與第10天時(shí)，各處理組間H均無顯著差異(P＞0.05)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第20天時(shí)，空白組和苦草組之間H無顯著差異(P＞0.05)，但兩者均與穗花狐尾藻組中H存在顯著性差異(P＜0.05)，金魚藻組與其他處理組間的H均無顯著差異(P＞0.05)。本實(shí)驗(yàn)中Pieou指數(shù)和Simpson指數(shù)變化趨勢(shì)與Shannon-Wiener指數(shù)相同(圖4)。

3　討論

很多野外實(shí)驗(yàn)表明，水體中的沉水植物能夠有效抑制浮游植物生物量［10-11］，沉水植物對(duì)藻類的化感作用被認(rèn)為是可能的策略之一。利用可控的微宇宙實(shí)驗(yàn)，可以在模擬野外環(huán)境的同時(shí)減少很多水生生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境因子和生物因子的干擾，更準(zhǔn)確的探索沉水植物抑藻機(jī)理。在本實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)水草組中浮游植物的生物量都受到了顯著的抑制，在第20天時(shí)，3個(gè)水草組中浮游植物生物量大約只有空白組中浮游植物生物量的1%(圖1，圖2)。實(shí)驗(yàn)過程中通過控制光照和連續(xù)補(bǔ)充氮磷元素，使系統(tǒng)中TN、TP始終保持穩(wěn)定，消除了光和營養(yǎng)競爭對(duì)藻類細(xì)胞密度的影響。結(jié)合Vanderstukken等的實(shí)驗(yàn)顯示微宇宙系統(tǒng)中光競爭對(duì)藻類細(xì)胞密度影響不顯著［16］以及?vanys等證明了微宇宙試驗(yàn)系統(tǒng)中，浮游動(dòng)物的牧食作用不能夠解釋觀察到的不同處理組間浮游植物生物量與群落組成的差異等結(jié)果［22］，可以推斷本實(shí)驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)槌了参飳?duì)藻類化感作用所致。

圖4　各實(shí)驗(yàn)組浮游植物種類多樣性變化Fig.4Dynamics of Bio-diversity of the phytoplankton community in different treatments

在本實(shí)驗(yàn)的4個(gè)體系中綠藻門藻類在生物量方面均占優(yōu)勢(shì)，可能是由于以下原因:首先，已有的研究表明在淡水體系中綠藻相對(duì)于藍(lán)藻對(duì)化感作用更加不敏感［15，23］。Jasser在野外試驗(yàn)與投加沉水植物提取物的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，金魚藻和穗花狐尾藻都能夠顯著抑制沼澤顫藻(Oscillatoria limnetica)，鞘絲藻(Lyngbya vacuolifera Skuja)和水化束絲藻(Aphanizomenon flos－aquae L)等藍(lán)藻門藻類的生長，并且促使綠藻群落中的衣藻Chlamydomonas)、小球藻(Chlorella)和柵藻(Scenedesmus)等小型藻(小于50um)成為優(yōu)勢(shì)種［10］，試驗(yàn)期間各實(shí)驗(yàn)組浮游植物優(yōu)勢(shì)屬變化(表1)也與這一結(jié)果相符。其次綠藻占優(yōu)勢(shì)可能還與綠藻門藻類的生物學(xué)特性和培養(yǎng)環(huán)境相關(guān)，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)在夏季進(jìn)行，此時(shí)溫度較高(室外溫度可達(dá)40℃)，較適合藍(lán)綠藻生長［24］。雖然3個(gè)水草組中藍(lán)藻和硅藻細(xì)胞數(shù)與種類數(shù)比例分別有相似的變化趨勢(shì)，但是其細(xì)胞數(shù)水平低于1×105個(gè)/ L，種類數(shù)比例也不高，并且這兩種趨勢(shì)不顯著。各實(shí)驗(yàn)組中硅藻和其他藻類比例變化趨勢(shì)相近(圖2)這一結(jié)果與Jasser的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［10］相同，說明沉水植物的化感作用可能對(duì)于硅藻抑制效果不大。

實(shí)驗(yàn)期間，不同沉水植物組在不同時(shí)間藻類生物量變化趨勢(shì)不同(圖2)，苦草組中，藻類總細(xì)胞數(shù)先下降后增加，金魚藻組中，藻類總細(xì)胞數(shù)持續(xù)下降，狐尾藻組中藻類總細(xì)胞數(shù)先增加后下降。苦草組中，從第10天開始，團(tuán)藻(Volvox)成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)種，可能是因?yàn)榭嗖菟置诘幕形镔|(zhì)對(duì)團(tuán)藻抑制效果較差。雖然團(tuán)藻在系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率較低，但每一個(gè)團(tuán)藻群體中包含數(shù)千個(gè)微小的藻細(xì)胞，所以從藻類總細(xì)胞數(shù)方面看，雖然從第10天至第20天苦草組中藻類總細(xì)胞數(shù)上升了近1倍(圖1)，但從葉綠素方面看該增加趨勢(shì)不顯著(圖1)。金魚藻組中，藻類總細(xì)胞數(shù)變化趨勢(shì)與袁峻峰［25］，李小路［8］等所做的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中藻類細(xì)胞數(shù)變化趨勢(shì)相近。狐尾藻組中，在第8天時(shí)，有一口缸中發(fā)生了短期的小環(huán)藻(Chlorella)水華，水華于數(shù)天后消失，所以圖2中可以看到狐尾藻組中第10天時(shí)較第1天時(shí)硅藻大量增加，并且平行間標(biāo)準(zhǔn)差也較大，達(dá)到7.16×106個(gè)/L。該次水華發(fā)生的原因可能與該套系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)前期穗花狐尾藻長勢(shì)不好分泌化感物質(zhì)較少有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢冢?個(gè)水生植物體系中藻類細(xì)胞密度和葉綠素含量均顯著低于空白組(P＜0.05)。盡管各水生植物組間生物量方面差異不顯著，但利用Shannon-Weiner多樣性(H)等3種多樣性指數(shù)表示的其藻類群落結(jié)構(gòu)存在差異(圖4)。穗花狐尾藻組中H顯著高于苦草組和空白組(P＜0.05)，金魚藻組中H與其他組相比無顯著差異，可見其Shannon-Weiner指數(shù)可能位于狐尾藻組與金魚藻組之間，按Shannon-Weiner指數(shù)排序?yàn)榭瞻捉M＜苦草組＜金魚藻組＜狐尾藻組，對(duì)于這些差異，原因可能有以下幾點(diǎn):首先，3種植物所分泌的化感物質(zhì)不盡相同:Xian等從苦草中分離出了4-氧代-β-紫羅蘭酮，二氫獼猴桃內(nèi)酯，2-乙基-3-甲基順丁烯二酰亞胺等6種對(duì)銅綠微囊藻有抑制作用的化合物，其中主要化感物質(zhì)2-乙基-3-甲基順丁烯二酰亞胺是葉綠素光氧化的副產(chǎn)物，另5種都是β-胡蘿卜素的派生物［26］。Wium-Andersen等從金魚藻中分離鑒定出了具有抑藻效果的元素硫和一些不穩(wěn)定的含硫化合物［27］。徐潔等從金魚藻種植水的二氯甲烷洗脫物中檢測(cè)出了已有文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)藻類具有化感作用的N-苯基-2-萘胺、脫氫樅酸甲酯和脫氫樅酸乙酯［28］。穗花狐尾藻中分離鑒定出的化感物質(zhì)主要是多酚類物質(zhì)，Gross等從狐尾藻中分離鑒定出了一種具有抑藻活性的水解多酚-特里馬素II (Tellimagrandin II)，其占植物干重的1.5%并對(duì)多種球狀和絲狀藍(lán)藻有抑制效果［29］。Nakai等從穗花狐尾藻中分離出了鞣花酸、五倍子酸、焦酸和原兒茶酸4種多酚類物質(zhì)，并證明其對(duì)于銅綠微囊藻(Microcystis aeruginos)有抑制效果［30］。其次，很多相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明相同條件下同一植物的化感作用對(duì)于不同藻類效果不同［31］，并且藍(lán)藻相對(duì)于綠藻等其他藻類對(duì)植物化感作用更敏感［15，24］。這可能與不同門類不同屬藻類的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。因?yàn)樗{(lán)藻是淡水藻類中唯一的原核生物，而其他藻類皆為真核生物，在進(jìn)化上處于較高等級(jí)，兩者細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異巨大［20］。再次，微宇宙實(shí)驗(yàn)中，不能完全避免潛在的能夠?qū)Ω∮沃参锶郝浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的其他生態(tài)因子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難完全與野外實(shí)驗(yàn)或者室內(nèi)沉水植物對(duì)單一藻類共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樗玫牟皇菃我辉宸N，故共培養(yǎng)時(shí)，各藻種之間也會(huì)產(chǎn)生激烈的種間競爭，該競爭在沒有水草的空白組中最為激烈。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?，空白組藻類總細(xì)胞密度高達(dá)2.14×108個(gè)/L，Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)達(dá)到0.27，盤星藻和十字藻共占藻類總細(xì)胞數(shù)近90%。沉水植物與藻類，以及藻類間的各種相互關(guān)系可能共同影響藻類的組成變化。此外，雖然水體中的很多微生物也能通過各種直接或間接作用影響藻類群落結(jié)構(gòu)，例如水體中的一些溶藻細(xì)菌可以通過直接或間接方式抑制藻類生長，但這些溶藻細(xì)菌一般需要經(jīng)過篩選和富集培養(yǎng)，才能夠較好的發(fā)揮抑藻作用［32］。下一步有關(guān)水生植物化感作用影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)該從擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)周期、排除更多其他生態(tài)因子的干擾、對(duì)浮游植物群落做更細(xì)致的分析等方面，為更深入的研究化感作用機(jī)理并將之用于實(shí)踐提供理論依據(jù)。

4　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)證明，微宇宙實(shí)驗(yàn)條件下，苦草、金魚藻和穗花狐尾藻3種沉水植物都能夠通過化感作用特異性抑制藻類生長從而調(diào)控藻類群落結(jié)構(gòu)。3種沉水植物在對(duì)藻細(xì)胞數(shù)和葉綠素抑制效果方面無顯著差異，但在浮游植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性方面存在差異，對(duì)浮游植物Shannon-Weiner多樣性指數(shù)而言苦草組＜金魚藻組＜狐尾藻組。3種沉水植物的化感作用對(duì)綠藻門柵藻屬藻類的抑制效果較差。

致謝:中國科學(xué)院水生物研究所張甬元研究員對(duì)本實(shí)驗(yàn)方案給予建議，魏印心研究員和葉艷婷對(duì)浮游植物鑒定給予幫助，特此致謝。

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Effects of allelopathy of submerged macrophytes on the phytoplankton community collected from the west part of the West Lake wetland in Hangzhou，China

YAO Yuan1，2，HE Feng1，HU Shenghua1，KONG Lingwei1，LIU Biyun1，ZENG Lei1，2，ZHANG Liping1，*，WU Zhenbin1

1 State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，China

2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract:Submerged macrophytes play an important role in maintaining clear water in shallow eutrophic lakes.The submerged macrophytes exert strong influence on the phytoplankton by several mechanisms，including the excretion of allelopathic substances.However，the allelopathic substances from various submerged macrophytes are not completely the same.Allelopathy of different submerged macrophytes may have various effects on the biomass and community structure of natural plankton.This paper investigated the allelopathic effects of three species of submerged macrophytes，Vallisneria spiralis，Ceratophyllum demersum，and Myriophyllum spicatum，on the biomass and community structure of the phytoplankton collected from the west part of Hangzhou West Lake wetland，using mesocosms under controlled environmental factors，such as light and nutrients.The changes in the phytoplankton density，chlorophyll-a content，phytoplankton community composition，and Shannon-Weiner Index(H)were monitored.The results showed that the total phytoplankton density and chlorophyll-a content were significantly reduced，and that the phytoplankton community structure also changed in all three co-culture systems.At the end of the experiment，the total biomass of algae(cell density)was 37.06%，78.37%，and 83.40%lower than the initial values of each system.However，the phytoplantkton-inhibitory ratiosbook=972,ebook=84were not significantly different among the three species of submerged marcophytes(P＞0.05).The dominant algal genera in the control group were Pediastrum and Crucigenia;in the V.Spiralis group were Chlorococcum and Volvox;in the C.demersum group were Chlorella and Pediastrum;in the M.spicatum groups was Chlorococcum.Scenedesmus exhibited less sensitivity to the allelopathic substances from the three submerged macrophytes.The highest phytoplankton species richness was observed in the M.spicatum group.The Shannon-Weiner Index(H)was 2.76，2.06，and 0.72 for the V.spiralis，C.demersum，and M.spicatum groups，respectively.Furthermore，the phytoplankton biodiversity index(H)of the M.spicatum group is significantly higher than that of the V.spiralis group(P＜0.05).

Key Words:submerged macrophyte;allelopathy;phytoplankton community structure;mesocosm;the west part of the West Lake wetland in Hangzhou

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:liping_zhang@ihb.ac.cn

收稿日期:2014-07-03;網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-07-09

基金項(xiàng)目:國家“十二五”水專項(xiàng)(2012ZX07101007-005);淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2013FB20);國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目(2012BAJ21B03)

DOI:10.5846/stxb201407031369