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沉水植物附著生物膜體系特征與生態(tài)功能 版權信息
- ISBN：9787030713766
- 條形碼：9787030713766 ; 978-7-03-071376-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
沉水植物附著生物膜體系特征與生態(tài)功能 本書特色
該書從微觀角度了解沉水植物-附著生物膜體系特征，以及沉水植物-生物膜體系對外界響應的規(guī)律，為從宏觀角度提高水體污染治理效率和水生態(tài)效果提供理論支持。
沉水植物附著生物膜體系特征與生態(tài)功能 內(nèi)容簡介
本書主要以沉水植物-附著生物膜為研究對象，項目擬通過野外調(diào)研和室內(nèi)模擬實驗，借助激光共聚焦、核磁共振、電鏡、X射線光電子能譜等儀器和分子生物學分析手段，從微觀角度研究不同條件下沉水植物-表面附著生物生物膜體系微觀變化特征，研究了以下幾個方面的內(nèi)容：1）自然湖泊、河流內(nèi)生物膜在沉水-浮葉植物表面的附著特征、細菌群落結構的差異，以及其對沉積物細菌結構的影響；2）城市水體里面沉水植物分布特征及外界環(huán)境對其影響；3）水流對沉水植物生理及其表面附著生物膜的影響機制；4）氮對沉水植物表面生物膜生長、分布及氮循環(huán)細菌的影響；5）氨氮對植物表面附著微生物食物鏈的影響；6）沉水植物-生物膜對水體氨氮轉化的分子生物學機制。該書屬于多學科交叉、為水生態(tài)修復系統(tǒng)的恢復提供理論支撐。
沉水植物附著生物膜體系特征與生態(tài)功能 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 水生植物類型及影響因素 2
1.1.1 水生植物主要類型及分布特征 2
1.1.2 水生植物修復水體研究現(xiàn)狀 3
1.1.3 水生植物與外部因素 4
1.2 生物膜研究進展 6
1.2.1 生物膜的形成過程及特征 6
1.2.2 自然水體生物膜研究現(xiàn)狀 7
1.2.3 生物膜的功能研究進展 7
1.3 沉水植物-生物膜系統(tǒng)研究進展 8
1.3.1 沉水植物-生物膜水體修復技術進展 8
1.3.2 濕地系統(tǒng)對氮的轉化機理與應用技術 10
1.3.3 水流對沉水植物和生物膜的影響 10
第2章 沉水植物分布特征及其影響因素——以寧波市為例 13
2.1 寧波市水環(huán)境調(diào)查與研究方法 14
2.1.1 樣品的采集與處理 14
2.1.2 水質(zhì)及生理指標測定 15
2.1.3 統(tǒng)計方法 15
2.2 寧波市內(nèi)河沉水植物分布特征及其與環(huán)境因子的關系 16
2.2.1 沉水植物的分布與種類 16
2.2.2 63 個采樣點水環(huán)境指標變化規(guī)律 17
2.2.3 環(huán)境因子與沉水植物分布間的潛在關系 17
2.2.4 環(huán)境因子對沉水植物分布的影響 27
2.3 不同季節(jié)沉水植物群落及生理特征對環(huán)境因子的響應 28
2.3.1 不同季節(jié)植物生理特征的變化 29
2.3.2 環(huán)境因子對沉水植物生理的影響 35
2.4 本章小結 37
第3章 自然水體內(nèi)沉水、浮葉植物表面及根際微生物群落特征 38
3.1 樣本采集、檢測與統(tǒng)計分析 39
3.1.1 研究區(qū)域概況 39
3.1.2 樣品采集與檢測 39
3.1.3 生物膜分離策略與分析 42
3.2 太湖內(nèi)兩種浮葉植物附著微生物和反硝化細菌結構特征 45
3.2.1 兩種浮葉植物上附著微生物分布特征 46
3.2.2 兩種浮葉植物表面附著生物膜內(nèi)藻類的組成 49
3.2.3 兩種浮葉植物根、莖和葉片表面附著細菌群落的多樣性特征 50
3.2.4 不同樣品間葉片附著生物膜膜內(nèi)細菌群落差異分析 52
3.2.5 兩種浮葉植物表面附著生物膜內(nèi)反硝化基因的豐度變化規(guī)律 58
3.3 沭陽新開河內(nèi)沉水及浮葉植物表面附著微生物特征 61
3.3.1 四種水生植物附著微生物密度與生物膜結構特征 61
3.3.2 水體中浮游藻類和水生植物葉片表面附著藻類密度及組成 61
3.3.3 四種水生植物表面附著細菌群落結構與功能 63
3.4 洪澤湖典型沉水與浮葉植物附著生物膜和沉積物的細菌群落特征 67
3.4.1 地表水與生物膜中細菌和藻類的特征 67
3.4.2 生物膜和沉積物中的細菌群落特征 70
3.4.3 聚類分析與主成分分析 81
3.4.4 與氮循環(huán)有關的微生物 81
3.4.5 細菌的組成的多樣性與宿主特異性 83
3.4.6 水生植物根系可能改變沉積物細菌群落結構 83
3.4.7 參與氮循環(huán)的硝化與反硝化細菌群落 84
3.5 本章小結 85
第4章 花神湖三種沉水植物表面生物膜的分布特征與藻類群落結構 86
4.1 實驗材料與方法 87
4.1.1 樣品采集 87
4.1.2 實驗方法 87
4.2 水環(huán)境與沉水植物附著微生物、藻類的微觀分布特征 89
4.2.1 樣品采集區(qū)水環(huán)境水質(zhì)特征 89
4.2.2 沉水植物附著微生物、藻類的微觀分布特征 90
4.2.3 沉水植物表面微生物群落結構與分布規(guī)律 92
4.3 本章小結 97
第5章 水流對沉水植物-附著生物膜體系的影響 99
5.1 流速對自然河流中沉水植物-附著生物膜體系的影響 99
5.1.1 自然河流原位實驗設置與指標監(jiān)測 100
5.1.2 丁家山河水環(huán)境年度變化特征 107
5.1.3 不同生長期植物形態(tài)和生理變化特征 107
5.1.4 植物表面附著細菌群落變化特征 117
5.1.5 流速與季節(jié)變化對苦草附著細菌群落結構影響機理分析 122
5.1.6 附著細菌群落結構與環(huán)境因子間的相關性 123
5.2 實驗條件下不同流速對沉水植物-生物膜系統(tǒng)的影響 124
5.2.1 實驗設計與分析方法 125
5.2.2 水流變化特征 130
5.2.3 沉水植物生長率變化及植物-附著微生物分布特征 132
5.2.4 晝夜變化下葉片-生物膜微環(huán)境變化 133
5.2.5 沉水植物附著生物膜結構 134
5.2.6 植物表面微生物結構變化特征 138
5.3 本章小結 141
5.3.1 流速對自然河流中沉水植物-附著生物膜體系的影響 141
5.3.2 實驗條件下不同流速對沉水植物-附著生物膜體系的影響 141
第6章 水流及懸浮顆粒物對沉水植物表面生物膜的影響 142
6.1 實驗設計與分析方法 142
6.2 水流及懸浮顆粒物對水體理化指標的影響 145
6.3 水體濁度及懸浮顆粒物粒徑變化 148
6.4 沉水植物附著生物膜的量及粒徑變化 152
6.5 沉水植物附著生物膜結構變化 154
6.6 沉水植物附著細菌群落結構變化 157
6.7 本章小結 166
第7章 不同氮水平對沉水植物-附著生物膜體系的影響 167
7.1 氨氮對沉水植物-附著生物膜體系的影響 167
7.1.1 樣品采集、檢測與統(tǒng)計分析 168
7.1.2 葉片生物膜群落和生長分析 170
7.1.3 葉片生物膜的多重分形分析 171
7.1.4 葉片表面化學性質(zhì)對銨的響應 173
7.1.5 細胞內(nèi)氧化/還原狀態(tài)的改變 175
7.2 硝態(tài)氮對沉水植物-附著生物膜體系的影響 176
7.2.1 樣品采集、檢測與統(tǒng)計分析 177
7.2.2 水環(huán)境指標及細胞內(nèi)生理狀態(tài)的改變 179
7.2.3 植物次生代謝的變化 181
7.2.4 葉片表面光合效率對NO3？ -N脅迫的響應 182
7.2.5 生物膜過度增殖和分形分析 183
7.2.6 葉片表面化學性質(zhì)對NO3？ -N的響應 185
7.3 總氮對沉水植物附著生物膜內(nèi)氮循環(huán)微生物的影響 188
7.3.1 材料與方法 188
7.3.2 氮對上覆水體DO 和pH 的影響 190
7.3.3 氮刺激葉片附著生物膜和藻類生長 192
7.3.4 生物膜內(nèi)脫氮和氮循環(huán)相關基因的變化 194
7.3.5 沉水植物表面附著氮循環(huán)微生物對環(huán)境條件的響應 197
7.4 本章小結 198
第8章 氨氮對沉水植物表面附著微生物食物鏈的影響 200
8.1 樣品采集、檢測與統(tǒng)計分析 200
8.2 氨氮添加對附著生物膜內(nèi)微生物的影響 202
8.2.1 氨氮添加對生物膜內(nèi)微生物的影響 202
8.2.2 氨氮脅迫下附著生物膜內(nèi)細菌群落演替特征 202
8.2.3 氨氮脅迫下生物膜內(nèi)真核生物群落演替特征 205
8.2.4 氨氮作用下優(yōu)勢生物與環(huán)境參數(shù)的關系 210
8.2.5 氨氮對生物膜內(nèi)微生物食物鏈的影響 212
8.3 本章小結 215
第9章 沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)對氨氮的去除機制——以穗狀狐尾藻為例 216
9.1 樣品采集、檢測及統(tǒng)計分析 216
9.2 沉水植物及沉積物系統(tǒng)在氮轉化中的重要作用 220
9.3 氮在沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)及沉積物中的轉化 221
9.3.1 同位素示蹤氮在穗狀狐尾藻-沉積物內(nèi)的轉化 221
9.3.2 氮平衡計算 222
9.4 沉水植物附著生物膜氮轉化相關微生物及功能基因 223
9.4.1 氮轉化造成的生物膜細菌群落的變化 223
9.4.2 氨氮轉化過程微生物群落功能的變化 227
9.4.3 氮轉化相關微生物和功能基因關聯(lián)分析 227
9.5 本章小結 233
參考文獻 234
前言
第1章 緒論 1
1.1 水生植物類型及影響因素 2
1.1.1 水生植物主要類型及分布特征 2
1.1.2 水生植物修復水體研究現(xiàn)狀 3
1.1.3 水生植物與外部因素 4
1.2 生物膜研究進展 6
1.2.1 生物膜的形成過程及特征 6
1.2.2 自然水體生物膜研究現(xiàn)狀 7
1.2.3 生物膜的功能研究進展 7
1.3 沉水植物-生物膜系統(tǒng)研究進展 8
1.3.1 沉水植物-生物膜水體修復技術進展 8
1.3.2 濕地系統(tǒng)對氮的轉化機理與應用技術 10
1.3.3 水流對沉水植物和生物膜的影響 10
第2章 沉水植物分布特征及其影響因素——以寧波市為例 13
2.1 寧波市水環(huán)境調(diào)查與研究方法 14
2.1.1 樣品的采集與處理 14
2.1.2 水質(zhì)及生理指標測定 15
2.1.3 統(tǒng)計方法 15
2.2 寧波市內(nèi)河沉水植物分布特征及其與環(huán)境因子的關系 16
2.2.1 沉水植物的分布與種類 16
2.2.2 63 個采樣點水環(huán)境指標變化規(guī)律 17
2.2.3 環(huán)境因子與沉水植物分布間的潛在關系 17
2.2.4 環(huán)境因子對沉水植物分布的影響 27
2.3 不同季節(jié)沉水植物群落及生理特征對環(huán)境因子的響應 28
2.3.1 不同季節(jié)植物生理特征的變化 29
2.3.2 環(huán)境因子對沉水植物生理的影響 35
2.4 本章小結 37
第3章 自然水體內(nèi)沉水、浮葉植物表面及根際微生物群落特征 38
3.1 樣本采集、檢測與統(tǒng)計分析 39
3.1.1 研究區(qū)域概況 39
3.1.2 樣品采集與檢測 39
3.1.3 生物膜分離策略與分析 42
3.2 太湖內(nèi)兩種浮葉植物附著微生物和反硝化細菌結構特征 45
3.2.1 兩種浮葉植物上附著微生物分布特征 46
3.2.2 兩種浮葉植物表面附著生物膜內(nèi)藻類的組成 49
3.2.3 兩種浮葉植物根、莖和葉片表面附著細菌群落的多樣性特征 50
3.2.4 不同樣品間葉片附著生物膜膜內(nèi)細菌群落差異分析 52
3.2.5 兩種浮葉植物表面附著生物膜內(nèi)反硝化基因的豐度變化規(guī)律 58
3.3 沭陽新開河內(nèi)沉水及浮葉植物表面附著微生物特征 61
3.3.1 四種水生植物附著微生物密度與生物膜結構特征 61
3.3.2 水體中浮游藻類和水生植物葉片表面附著藻類密度及組成 61
3.3.3 四種水生植物表面附著細菌群落結構與功能 63
3.4 洪澤湖典型沉水與浮葉植物附著生物膜和沉積物的細菌群落特征 67
3.4.1 地表水與生物膜中細菌和藻類的特征 67
3.4.2 生物膜和沉積物中的細菌群落特征 70
3.4.3 聚類分析與主成分分析 81
3.4.4 與氮循環(huán)有關的微生物 81
3.4.5 細菌的組成的多樣性與宿主特異性 83
3.4.6 水生植物根系可能改變沉積物細菌群落結構 83
3.4.7 參與氮循環(huán)的硝化與反硝化細菌群落 84
3.5 本章小結 85
第4章 花神湖三種沉水植物表面生物膜的分布特征與藻類群落結構 86
4.1 實驗材料與方法 87
4.1.1 樣品采集 87
4.1.2 實驗方法 87
4.2 水環(huán)境與沉水植物附著微生物、藻類的微觀分布特征 89
4.2.1 樣品采集區(qū)水環(huán)境水質(zhì)特征 89
4.2.2 沉水植物附著微生物、藻類的微觀分布特征 90
4.2.3 沉水植物表面微生物群落結構與分布規(guī)律 92
4.3 本章小結 97
第5章 水流對沉水植物-附著生物膜體系的影響 99
5.1 流速對自然河流中沉水植物-附著生物膜體系的影響 99
5.1.1 自然河流原位實驗設置與指標監(jiān)測 100
5.1.2 丁家山河水環(huán)境年度變化特征 107
5.1.3 不同生長期植物形態(tài)和生理變化特征 107
5.1.4 植物表面附著細菌群落變化特征 117
5.1.5 流速與季節(jié)變化對苦草附著細菌群落結構影響機理分析 122
5.1.6 附著細菌群落結構與環(huán)境因子間的相關性 123
5.2 實驗條件下不同流速對沉水植物-生物膜系統(tǒng)的影響 124
5.2.1 實驗設計與分析方法 125
5.2.2 水流變化特征 130
5.2.3 沉水植物生長率變化及植物-附著微生物分布特征 132
5.2.4 晝夜變化下葉片-生物膜微環(huán)境變化 133
5.2.5 沉水植物附著生物膜結構 134
5.2.6 植物表面微生物結構變化特征 138
5.3 本章小結 141
5.3.1 流速對自然河流中沉水植物-附著生物膜體系的影響 141
5.3.2 實驗條件下不同流速對沉水植物-附著生物膜體系的影響 141
第6章 水流及懸浮顆粒物對沉水植物表面生物膜的影響 142
6.1 實驗設計與分析方法 142
6.2 水流及懸浮顆粒物對水體理化指標的影響 145
6.3 水體濁度及懸浮顆粒物粒徑變化 148
6.4 沉水植物附著生物膜的量及粒徑變化 152
6.5 沉水植物附著生物膜結構變化 154
6.6 沉水植物附著細菌群落結構變化 157
6.7 本章小結 166
第7章 不同氮水平對沉水植物-附著生物膜體系的影響 167
7.1 氨氮對沉水植物-附著生物膜體系的影響 167
7.1.1 樣品采集、檢測與統(tǒng)計分析 168
7.1.2 葉片生物膜群落和生長分析 170
7.1.3 葉片生物膜的多重分形分析 171
7.1.4 葉片表面化學性質(zhì)對銨的響應 173
7.1.5 細胞內(nèi)氧化/還原狀態(tài)的改變 175
7.2 硝態(tài)氮對沉水植物-附著生物膜體系的影響 176
7.2.1 樣品采集、檢測與統(tǒng)計分析 177
7.2.2 水環(huán)境指標及細胞內(nèi)生理狀態(tài)的改變 179
7.2.3 植物次生代謝的變化 181
7.2.4 葉片表面光合效率對NO3？ -N脅迫的響應 182
7.2.5 生物膜過度增殖和分形分析 183
7.2.6 葉片表面化學性質(zhì)對NO3？ -N的響應 185
7.3 總氮對沉水植物附著生物膜內(nèi)氮循環(huán)微生物的影響 188
7.3.1 材料與方法 188
7.3.2 氮對上覆水體DO 和pH 的影響 190
7.3.3 氮刺激葉片附著生物膜和藻類生長 192
7.3.4 生物膜內(nèi)脫氮和氮循環(huán)相關基因的變化 194
7.3.5 沉水植物表面附著氮循環(huán)微生物對環(huán)境條件的響應 197
7.4 本章小結 198
第8章 氨氮對沉水植物表面附著微生物食物鏈的影響 200
8.1 樣品采集、檢測與統(tǒng)計分析 200
8.2 氨氮添加對附著生物膜內(nèi)微生物的影響 202
8.2.1 氨氮添加對生物膜內(nèi)微生物的影響 202
8.2.2 氨氮脅迫下附著生物膜內(nèi)細菌群落演替特征 202
8.2.3 氨氮脅迫下生物膜內(nèi)真核生物群落演替特征 205
8.2.4 氨氮作用下優(yōu)勢生物與環(huán)境參數(shù)的關系 210
8.2.5 氨氮對生物膜內(nèi)微生物食物鏈的影響 212
8.3 本章小結 215
第9章 沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)對氨氮的去除機制——以穗狀狐尾藻為例 216
9.1 樣品采集、檢測及統(tǒng)計分析 216
9.2 沉水植物及沉積物系統(tǒng)在氮轉化中的重要作用 220
9.3 氮在沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)及沉積物中的轉化 221
9.3.1 同位素示蹤氮在穗狀狐尾藻-沉積物內(nèi)的轉化 221
9.3.2 氮平衡計算 222
9.4 沉水植物附著生物膜氮轉化相關微生物及功能基因 223
9.4.1 氮轉化造成的生物膜細菌群落的變化 223
9.4.2 氨氮轉化過程微生物群落功能的變化 227
9.4.3 氮轉化相關微生物和功能基因關聯(lián)分析 227
9.5 本章小結 233
參考文獻 234
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沉水植物附著生物膜體系特征與生態(tài)功能 節(jié)選
第1章 緒論 恢復良好的水生態(tài)系統(tǒng)是河湖水污染治理的終極目標。自20世紀90年代以來，我國的江河湖泊均受到不同程度的污染，尤其在經(jīng)濟發(fā)達的區(qū)域(如太湖流域)水域污染嚴重。除全球變暖導致的降水分布與強度上的不均外，驟增的人口壓力與高速的經(jīng)濟發(fā)展導致了水質(zhì)性缺水，區(qū)域性水資源短缺問題日趨嚴重(Rodrigo，2021)。近十幾年來，國家對水環(huán)境問題高度重視，水污染治理效果顯著。2020年，在檢測的地表水1973個水質(zhì)斷面中I至III類水體恢復至83.4%，Ⅴ類水體僅占0.6%。由此，水體的修復逐漸從原來的水污染控制轉向生態(tài)修復和污染治理并行的階段。尤其是黨的十八大以來，生態(tài)文明建設納入了中國特色社會主義建設“五位一體”的總體布局，提出了尊重自然、順應自然、保護自然的生態(tài)文明理念和堅持節(jié)約優(yōu)先、保護優(yōu)先、自然恢復為主的方針。黨的十九大報告也提出要“堅持人與自然和諧共生”的基本方略，在習近平生態(tài)文明思想指引下，按照“山水林田湖草沙是生命共同體”的理念，要“像保護眼睛一樣保護生態(tài)環(huán)境，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境”，突出了生態(tài)修復的重要性、緊迫性和艱巨性(王夏暉等，2021)。 生物修復技術是在微生物及水生動植物的共同作用下消除污染物，使水體恢復清潔的技術。在自然水生態(tài)系統(tǒng)中，藻類和水生植物是初級生產(chǎn)力，其生長過程能夠吸附、吸收污染物質(zhì)，為其他生物提供能量；大部分異養(yǎng)細菌是水體中的分解者，是污染物質(zhì)礦化的主力軍，也是部分原生動物和后生動物的食物來源。因此，在水污染治理初期通常采用控源截污、曝氣、使用高效有益菌劑等相結合的方法提高水體的凈污能力，為后續(xù)水生態(tài)修復提供基礎。 水生態(tài)修復比陸域生態(tài)修復要復雜得多。水體往往承擔較多的功能，如航運、灌溉、行洪排澇、景觀等。在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，往往根據(jù)河流的功能進行不同程度的強化，如過度擠占水域空間、對河流駁岸進行硬質(zhì)化處理、過度清淤、裁彎取直等，這給水安全、水環(huán)境和水生態(tài)修復帶來了挑戰(zhàn)。另外，當前對水生態(tài)系統(tǒng)的重建缺乏理論支撐，如不同植物類型的耐污能力如何？在我國的分布范圍有多廣？不同水生植物的適宜水深和水流、抗病蟲害能力，以及限制其生長的關鍵因素有哪些？由于這些問題尚未得到解答，在生態(tài)修復實踐過程中往往缺乏理論支撐，修復方案具有較大的盲目性，大大限制了水體的生態(tài)修復效率。 與其他大型植物相比，沉水植物主要生長在水面以下(能夠在水深4 m以內(nèi)的水域生長)，易受光照、水流、水體透明度、污染物、微生物和魚類等影響。由于其生長在水面以下，受到的關注度較少，相關基礎研究嚴重缺乏。另外一個值得關注的問題是沉水植物的生態(tài)功能。前人研究結果顯示，在沉水植物密集區(qū)，生物膜的生物量可能會超過植物本身。其中，沉水植物為微生物提供棲息地，使不同的微生物各得其所，與植物本身發(fā)揮相輔相成的作用，而沉水植物分泌的有機碳源也將促進光合細菌、氨化細菌和反硝化細菌的生長。同時，生物膜內(nèi)的微生物也為沉水植物提供有機復合物和二氧化碳，促進物質(zhì)的循環(huán)。因此，相較挺水和浮葉等植物，沉水植物受到相對更多的環(huán)境因素與生物因素影響。 本書以沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)為研究對象，通過野外調(diào)研、現(xiàn)場研究和模擬實驗等方式，采用電子顯微鏡、熒光顯微鏡等設備，結合分形分析、高通量測序和生物信息學等微觀分析與分子生物學手段，研究多種場景下沉水植物表面附著微生物的分布特征和群落結構，探明沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)的季節(jié)變化特征，獲取重要水體環(huán)境因子對其影響的相關信息。尤其，本書通過野外現(xiàn)場實驗和室內(nèi)模擬研究，揭示水體流速、水體營養(yǎng)鹽對該系統(tǒng)的影響機制，對河湖內(nèi)沉水植物的修復具有一定的借鑒意義。另外，研究發(fā)現(xiàn)沉水植物對水體氮的去除效果尤為突出，而脫氮的微觀機制卻仍不清楚。因此，本書從宏觀與微觀角度，系統(tǒng)地展示水體氮對沉水植物-附著生物膜體系的影響，以及沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)是如何參與水體氮轉化的。 通過這些系統(tǒng)的研究，我們期望本書能對環(huán)境保護與生態(tài)修復領域的本科生、研究生、教師、工程設計人員及工程管理部門提供借鑒和有效信息，以更好地發(fā)揮沉水植物在生態(tài)修復過程中的優(yōu)勢。下面，首先從水生植物、生物膜及沉水植物-附著生物膜系統(tǒng)的角度系統(tǒng)闡述相關的研究進展，以便讀者更好地了解后續(xù)章節(jié)的研究內(nèi)容。 1.1 水生植物類型及影響因素 1.1.1 水生植物主要類型及分布特征 根據(jù)水生植物生活方式和形態(tài)特征的不同，可把水生植物分為挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物。不同生活型、不同種類植物在水體生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)不同的生態(tài)位(Wetzel，2001)。在典型的水生態(tài)系統(tǒng)中，從岸邊到水中通常依次分布著挺水植物、浮葉植物和沉水植物，而漂浮植物的分布空間較廣。 挺水植物一般生活在位于0～1.5 m水深的區(qū)域內(nèi)，根植于沉積物中，葉片挺出水面。挺水植物大多數(shù)為根莖型或球莖型多年生植物(如甜茅屬 Glyceria、荸薺屬 Eleocharis、蘆葦屬 Phragmites、藨草屬 Scirpus、香蒲屬 Typha和菰屬 Zizania)。在實踐中，挺水植物多用于人工濕地凈化水質(zhì)和景觀。 浮葉植物主要生長在水深0.5～1.5 m的區(qū)域。在其異形葉性品種中，浮葉一般前生或伴生于沉水葉。浮葉植物生殖器官一般為浮水或氣生，漂浮葉位于長而柔韌的葉柄上(如睡蓮科的萍蓬草屬 Nuphar和睡蓮屬 Nymphaea)，或位于長的上升莖的短葉柄上(如莼菜屬 Brasenia和浮葉眼子菜 Potamogeton natans)。 漂浮植物是一個具有高度多樣性的群體，它們一般不植根于基質(zhì)，獨立生活在水中或水上。其形態(tài)與棲息地形式多樣，從具備蓮座狀氣生和(或)浮葉及深根的水生植物(如鳳眼藍屬 Eichhornia、菱屬 Trapa和水鱉屬 Hydrocharis)到少根或無根的微小水表浮游或沉水植物(如浮萍科 Lemnaceae、滿江紅屬 Azolla和槐葉蘋屬 Salvinia)皆有。部分植物如鳳眼藍和大薸等屬于入侵生物，需要對其進行控制。 沉水植物主要生活在水面以下，僅在開花時花柄、花朵才露出水面，通常具有不發(fā)達或退化的根系。沉水植物的根、莖、葉可以從水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，通氣組織特別發(fā)達。沉水植物的葉片形態(tài)差異較大，有帶狀、輪葉狀及絲狀。沉水植物包含一部分蕨類植物(如水韭屬 Isoetes)、蘚類植物、輪藻門植物(輪藻屬 Chara、麗藻屬 Nitella)和一些被子植物。 1.1.2 水生植物修復水體研究現(xiàn)狀 不同水生植物在富營養(yǎng)化水體修復中具有不同的效果。在使用鳳眼藍凈化二級處理出水的實驗中，7天后植物組織中的氮含量增加了2.9%，磷含量增加了6.7%(Bramwell and Devi，1995)。對白洋淀水體富營養(yǎng)化的研究發(fā)現(xiàn)，當荷花種植密度為3株 m–2時，水體中的總氮、總磷和氨氮的平均去除率均超過40%(何連生等，2013)。菱和蓮能顯著提高水體透明度和物種多樣性指數(shù)，降低浮游植物密度，抑制水華的發(fā)生(劉存歧等，2013)。沉水植物是濕地中重要的初級生產(chǎn)者，對整個水生生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和穩(wěn)定性有決定性的影響，是影響系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)與能量循環(huán)的重要因素，而營養(yǎng)物質(zhì)尤其是氮、磷等無機元素的循環(huán)與富營養(yǎng)化過程關系密切(Xing et al.，2016)。沉水植物完全生長在水下，可以通過葉子和根系直接吸收溶解的氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)，還能降低水體濁度來減少水中的浮游植物(Li et al.，2015)。姚瑤等(2011)通過研究6種沉水植物(金魚藻、苦草、大苦草、黑藻、矮慈姑和皇冠草)對模擬污水中氮、磷的凈化效果發(fā)現(xiàn)，苦草對氮的凈化效果昀好，黑藻和苦草對磷的凈化率高。沉水植物對于底泥中磷的釋放也會產(chǎn)生影響，一方面通過呼吸作用減少溶解氧含量來促進底泥中磷的釋放，另一方面葉片和根部釋放的氧氣會促進底泥表面的氧化，降低磷的釋放速率(Barko and James，1998)。重金屬是不能被生物降解的，只能通過生物吸收的方式從環(huán)境中去除，沉水植物可以通過吸附水體中的重金屬離子起到凈化水體的作用(張飲江等，2012)。Xue 等(2010)研究了沉水植物黑藻對銅的積累和轉移，結果表明，黑藻的根系和地上部分均能直接從環(huán)境中吸收銅，并且銅主要積累在植物細胞壁中。 除了對水環(huán)境中的污染物產(chǎn)生影響，水生植物還可以顯著減少沉積物的再懸浮和被侵蝕，并通過各種緩沖作用(比如利用碳酸鹽、吸收營養(yǎng)物質(zhì)和化感作用)來維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的清水狀態(tài)。這個效果對水生態(tài)系統(tǒng)是非常有益的，因為再懸浮及其導致的水中濁度的增加對初級生產(chǎn)者、浮游動物群落和捕食-被捕食者的相互作用都有很大的影響。許多研究表明，一些沉水植物通過分泌化學物質(zhì)從而顯著抑制浮游植物的生長，這種作用稱為化感作用(Leu et al.，2002; Mohamed，2017)。例如，狐尾藻產(chǎn)生的 Tellimagrandin II可以通過干擾電子轉移抑制魚腥藍細菌的光合作用，狐尾藻產(chǎn)生的酚類物質(zhì)和高氯酸通過抑制 PSII活性降低了銅綠微囊藻的光合作用活性(Leu et al.，2002; Zhu et al.，2010)。沉水植物通過光合作用釋放氧氣到水體中，其根際也會泌氧至沉積物中，改變濕地的理化性質(zhì)(王瑋等，2019)。沉水植物還可以為水生動物提供食物，提高周圍水體的生物多樣性，通過為浮游動物提供庇護所來調(diào)節(jié)浮游植物、浮游動物和魚類間的食物網(wǎng)關系(Yan et al.，2019)。 1.1.3 水生植物與外部因素 由于各種因素的相互作用，水生植物一般出現(xiàn)在河流的特定位置，如植物的生理要求、植物容忍當?shù)丨h(huán)境條件的能力、植物的擴散歷史及與其他植物的互作關系。因此，一個植物物種必須能夠在當下的環(huán)境條件下生長、發(fā)育、繁殖，才能持久地生存在水生態(tài)環(huán)境中。鑒于水生植物與環(huán)境因素間的互作關系比較復雜，下面僅從水流、光照、水環(huán)境和營養(yǎng)鹽的角度簡要總結其與水生植物間的相互作用。 1.水流 水流速度和流態(tài)對水生植物的生長繁衍有很大的影響。水生植物的出現(xiàn)源于種子、植物繁殖體或相鄰群落的擴張。如果水生植物種群是從種子或植物繁殖體開始，則流速必須允許種子在位點沉降。這通常需要低流速(<0.1 m s–1，具體取決于種子或植物繁殖體的浮力)或偶然的環(huán)境(如一個障礙處截留種子或植物繁殖體)。如果水生植物是通過相鄰群落擴張的，其僅當水流速度不會使基質(zhì)侵蝕或產(chǎn)生拖曳力而導致植物的莖干斷裂時，才會成功繁衍。這個水流速度閾值的大小取決于顆粒物的大小和河床粗化程度。Chambers 等(1991)發(fā)現(xiàn)當加拿大河流平均流速大于1 m s-1時就基本沒有植物出現(xiàn)，而 Henriques(1987)發(fā)現(xiàn)在22條新西蘭溪流中，當平均流速超過0.9 m s-1時即沒有植被。 洪水的頻率也影響流域內(nèi)水生植物的存在、豐度和物種多樣性。在對新西蘭17條河流的研究中發(fā)現(xiàn)，水生植物的數(shù)量和多樣性隨著洪水頻次的增加而減少，且當每年有超過13次高流量擾動(流量比年平均流量高7倍以上)時會導致植被消失(Riis et al.，2003)。這表明水生植物繁殖體(如種子、莖塊、具鱗根出條、器官和匍匐莖)的到達與發(fā)展繁衍需要長時間的水文穩(wěn)定性。 Riis等(2004)研究了水文穩(wěn)定的人工溪流中在沒有原位種子庫或相鄰的水生植物床，但有上游植物繁殖體的情況下，水生植物的定植狀況。他們發(fā)現(xiàn)，水生植物需要10～20周的時間建立大于1%的覆蓋率。因此，需要一個很長的洪水間隔期保證植被發(fā)展昀大的可能生物量。與沒有洪水的溪流相比，即使是一年內(nèi)少量的洪水數(shù)也會導致水生植物豐度的減少。 2.光照 光對水生植物分布和豐度的影響同樣很大，不同植物對光的敏感度及其光補償點也存在著較大差異(Carr et al.，1997; Haury and A.dara，1999; White and Hendricks，2000)。由于遮陰，在
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