富营养化对外来水生植物入侵性的影响：基于功能性状及其权衡

Aquatic plants, an ecological group closely related with water, are good materials for the study of trait-based aquatic ecology. Plant invasiveness is thought to be the result of a combination of plant functional traits and environmental factors. At present, the number of alien aquatic plants and their subsequent invasion risks in China are both increasing. However, the studies on the invasion of alien aquatic plants, especially alien submerged plants, are relatively rare in China under the influences of eutrophication and climate change. Eutrophication can lead to increase of nitrogen and phosphorus concentrations, light attenuation, lack of inorganic carbon in water, and so on. Therefore, we hypothesize that " alien aquatic plants are more adaptive to environmental changes caused by eutrophication than native aquatic plants by variations of functional traits and their trade-offs, which can improve their invasiveness." In order to test this hypothesis, we intend to study the differences in functional traits between alien and native aquatic plants under eutrophication by means of field investigation, enclosure experiments and aggregate data meta-analysis. The aims are to explain the responses of vegetative and reproductive traits of alien and native aquatic plants, to expound the trade-offs among vegetative and reproductive traits, and to reveal the invasiveness and invasive mechanism of alien aquatic plants based on functional traits under water eutrophication. We hope to avoid large-scale biological invasion and protect biological diversity by providing theoretical basis and related prevention measures. We also hope the project can promote the ecological civilization construction of ‘Beautiful China’.

水生植物作为一类与水紧密相关的生态类群，为研究基于性状的水生态学问题提供了良好的实验材料。植物入侵性是植物功能性状和环境因素综合作用的结果。在富营养化和气候变化的影响下，针对外来水生植物，尤其是外来沉水植物入侵性的研究在我国相对较少。鉴于此，本项目拟通过野外调查、受控实验和整合分析等研究手段，围绕假设“外来水生植物比本地种能更好的通过功能性状的改变及其权衡来适应水体富营养化引起的环境变化，从而提高其入侵性”，研究富营养化引起的水环境变化(氮磷浓度升高、光照衰减、无机碳缺乏等)对外来水生植物入侵性的影响，阐释外来水生植物和本地近源种种群的营养性状和繁殖性状对水体富营养化的响应，阐明营养-繁殖性状间的权衡关系及其对入侵性的贡献，揭示外来水生植物在水体富营养化下基于功能性状的入侵潜力和可能入侵机制，为避免大规模生物入侵和保护生物多样性提供理论依据和防控措施，推动“美丽中国”生态文明建设。

本项目在我国水体普遍富营养化的背景下，结合其它环境和生物因素，深入调查研究了外来沉水植物功能性状的变化及对其入侵性的影响。取得的主要结果如下：.（1）外来沉水植物水蕴草多分布于我国南方，尤以长江下游和珠江流域分布相对较多；而且在高光照、低营养的环境中有更好的功能性状表现，如较高的相对生长速率、比叶面积和最大净光合速率。（2）在取代系列实验中，两种外来沉水植物（水蕴草和粉绿狐尾藻）在功能性状上没有表现出对本地植物（轮叶黑藻和穗花狐尾藻）的竞争优势，但外来植物通过其地下部分可以优化沉积物中细菌群落结构；潜在的种间促进作用和沉积物细菌群落的反馈作用仍可能会促进它们的入侵。（3）相比于白光和红光处理，蓝光下镉处理组显著抑制了水蕴草的生长，如导致水蕴草尖端及以下部位黄化和褪绿、光合速率下降、色素含量降低、抗氧化酶活性升高等；此外，蓝光下镉对碳酸酐酶（CA）的活性抑制严重抑制了水蕴草对HCO3-的利用，造成沉水植物无机碳来源的相对缺乏从而降低了光合效率。（4）本土沉水植物群落物种多样性的增加会促使单一外来沉水植物关键功能性状显著提高，如生物量。相较于物种较少的群落，高物种多样性的沉水植物群落可能更容易受到外来沉水植物的入侵，这一结果与小尺度下的Elton假说刚好相反。（5）在本土物种数大于3种时，两种外来物种(水蕴草和伊乐藻)的混种具有更强的入侵性，尽管两外来物种之间的竞争会导致外来物种整体生物量的降低；水蕴草的性状优势可能是其保持竞争优势的潜在机制。（6）相较于本土沉水植物，微塑料浓度的增加会导致外来物种的关键功能性状有更好的表现，如一些与生长发育直接相关的性状。对茎的更多资源投入可能是外来物种在微塑料添加情况下的应对策略，这一策略使其更具有入侵性。通过上述研究，可为我国沉水植物外来和入侵种的有效防控提供理论依据。