沉水植被重建的尺度依赖：从个体到群落对光照与水深的需求及其分异机制

Although the urgent demand of submersed vegetation reconstruction in China, the practices were unsuccessful due to the lack of a sound theory and effective technique. In this study, both experimental study and field investigation were used to examine the effects of underwater light availability, water depth and water level fluctuation on the individual physiology, population expand, life history, community structure and vegetation dynamics of submersed macrophytes; and identify the responsive traits with regard to the plants metabolic rates, explore the light and water depth requirement for reconstruction of submersed macrophyte with an appropriate area. The key issues were 1) how eutrophic water affects the plant photosynthetic parameter (Ic and Is), 2) the light and water depth required to fulfill the plant population expand and life history, 3) the water depth and water level fluctuation required to maintain the submersed vegetation stability and species diversity, 4)how to calculate an appropriate area for the submersed vegetation reconstruction.

针对我国沉水植被重建的重大科技需求和当前植被重建遇到的理论与技术困境，本研究以沉水植被发育所需的光照条件为核心，采用实验与野外调查相结合，研究水下光照、水深和水位波动对沉水植物生理生态、种群动态和植被稳定性等多尺度生态性状的影响，并基于生态学代谢理论识别出可以表征沉水植物代谢速率的功能性状，运用尺度推绎方法进行跨尺度分析沉水植被重建应具备的光照和水深条件及适合单元面积。主要目标有四点：1）获取几种优势沉水植物的光合作用参数（Ic和Is）及其对富营养环境因子的响应特征；2）获取这些植物进行种群扩张与完成生活史所需的光照与水深条件；3）获取维持植被稳定性与生物多样性所需的水深和水位波动强度；4）获取植被重建的合适单元面积及其计算途径。

沉水植被对维持浅水富营养湖泊的清水状态起到关键作用，近几十年来由于富营养化加剧导致我国众多湖泊的沉水植被发生大面积衰退和消失，引起蓝藻水华爆发和水质恶化。因此，如何在生态退化湖泊中重建沉水植被是我国湖泊治理面临的重大挑战。当前，虽然在一些围隔示范水体和小型水体中可以成功重建沉水植被，但在大型水域中重建沉水植被鲜有成功案例，其内在的生态学机理和技术途径仍很不清晰。. 本项目从沉水植被在湖泊中的生长与分布的重要环境因子（水下光照和水深）入手，采用实验生理学、中尺度条件下沉水植被重建试验和野外湖泊中沉水植被监测调查相结合的方法，分别测定了沉水植物的光合与呼吸率及其对环境因子的响应、不同光照与水深条件下沉水植物的生理生态指标（碳氮代谢、形态指标、物质分配、生长参数、生活史特征和种间竞争）、不同营养水平湖泊中沉水植被的分布水深与光照需求、以及自然湖泊中沉水植物的群落结构与动态；并研发了沉水植被重建的选种与重建技术。结果表明，（1）在PAR为300 µmol.m-2s-1以下时，沉水植物的适合度为：微齿眼子菜>苦草>光叶眼子菜>马来眼子菜>扭叶眼子菜>穿叶眼子菜；（2）沉水植被需要水面光强的0.75%才能维持群落的生存；（3）洱海沉水植被的分布水深为：10种沉水植物中微齿眼子菜的平均分布水深最大，达到3.55米，依次苦草为3.05米，金鱼藻为2.9米，篦齿眼子菜为2.51米，光叶眼子菜为2.42米，穗花狐尾藻为2.40米，轮叶黑藻为2.3米，马来眼子菜为2.23米，穿叶眼子菜为2.0米，扭叶眼子菜的平均分布水深最小，为1.96米；（4）富营养化驱动沉水植物群落结构变化，生长期短的植物（如金鱼藻）会逐步取代生长期长的植物（如微齿眼子菜）成为优势植被，从而使植物群落的季节稳定性下降；（5）沉水植物体内的碳氮代谢稳定性与其弱光耐受性密切相关，可以作为沉水植物重建的选种参考指标。基于以上研究，研发了洱海水位调控技术，促进沉水植被恢复并进行了示范。