（微生物学专业论文）沉水植物繁殖生理与组培快繁技术研究.pdf

摘要 水生态系统退化失调是目前世界的一大生态灾难，受损水生态系统的生态恢复 业己成为当今世界环境科学的一大研究热点，而在受损水域中进行沉水植被的恢复 与重建又是水污染生态学研究的重点领域之一。 在当今沉水植被的恢复过程中，往往从异地采集大量的种苗作为种源。这种方 法一方面造成种源地的生态植被遭到破坏，另一方面也会遇到种源不足的问题。而 采用组培快繁技术来解决这些问题是一种可行的方法。本文建立了菹草的组织培养 和快速繁殖研究，为其他沉水植物的组培快繁技术建立打下了基础。采用菹草茎节 为外植体，经5 h ：0 ：灭菌1 5 i n ，然后再用6 p p m 灭菌1 5m i n 。灭菌后切割带节 间的茎接种到m s + 6 一b a1 o 一3 o + i b a0 5m g l - 1 的培养基中诱导出芽，然后把芽转 接到增殖培养基中扩增，卜2 周后再把芽转接到m s + i 队1 o 一3 0 + 6 一b ao 5m g l - i 培 养基中诱导生根，生根的菹草幼苗经炼苗后即可移栽。 沉水植物的有性繁殖和无性繁殖在富营养化水体的种群建立中扮演着重要的 角色。本文研究了缺氧、营养、光强、温度、p h 、冷处理等因子对菹草冬芽和其他 常见沉水植物种子萌发的影响。 通过正交实验测试了水体溶氧、温度和氮磷水平对菹草冬芽萌发的影响。结果 表明溶氧对菹草冬芽最终萌发率和单个冬芽萌发出芽的个数有极显著的影响 ( p 0 0 1 ) ，厌氧条件下萌发率和单个冬芽出芽的数目较高；而温度和氮磷水平对 菹草冬芽萌发均无影响。对于萌发后两周内幼苗的生长，温度、溶氧对幼苗的生长 有显著影响( p p h = 7 ，p h = 1 0 和p h _ 4 、7 条件下种子的萌发率 差别显著( p 茭草 芦苇，对底泥中n 、p 、c u 、p b 的吸收系数大于风眼莲o “”1 ： 宋福等在水族缸中研究了常见沉水植物对草海水体( 含底泥) 的t p 去除率为8 7 4 2 9 2 2 2 ，t n 的去除率为7 6 6 8 8 2 9 5 1 ；邱东茹等研究认为苦草、聚草和伊乐 藻对浮游藻类具有抑制效果胁1 。沉水植物对水体的净化作用除对n 、p 等营养元素 具有去除能力外，对重金属也有积累作用，将不同生活型的水生植物放入含银的废 水中培养，测得水生植物在不同时间内的净化率，净化率大小依次为沉水植物 飘 浮和浮叶植物 挺水植物，通过植物和微生物的积累，重金属在环境中的浓度明显 降低。“2 ”；水生植物也对微囊藻毒素有类似鱼类的解毒作用，p n u g m a c h e r 等研究水 生植物金鱼藻( c c r 4 鲫) y f f h m 如m e 船n m ) 对m c 的降解，发现两种状态的谷胱甘 肽s 转移酶( g s t ) ：颗粒中的g s t 和水溶性的g s t ，它们作用的效率和范围却是 不同：颗粒状的g s t 只在低浓度( 0 1 2 1 毗g l 1 ) 的m c 条件下才发挥作用，而 水溶性的g s t 的酶活性随m c 浓度增加而增大“”。 1 1 2 沉水植物对水体物理环境和生物地化环境的影响 沉水植物对水体物理环境的改变比较显著。不同种沉水植物的消光系数最大可 相差4 倍。这种种间差异造成对沉水植物群丛中共生种和植株上着生生物的生长环 境差异。沉水植物区的垂直温差可达1 0 m ，而临近的无植被区为0 2 m - 1 。白 天垂直的稳定梯度与沉水植物的生物量的对数成线性正比。沉水植物较浮叶植物更 有效地提高水体的氧化程度，与相邻的裸地相比，聚草密集生长区的日溶氧变幅是 后者的两倍之多。沉水植物根际的氧化程度也很显著。沉水植物的生长代谢对环境 的生物地球化学过程影响尤为显著：沉水植物代谢对无机碳和p h 的影响特别强烈， 它利用光合作用通过合成有机物和形成碳酸盐沉积提取水中的无机碳；沉水植物主 要是通过根系吸收底质中的磷，然后分配到枝条，最后通过活体释放或死亡腐烂释 放到水体中；沉水植物腐烂的生态学后果是释放出溶解物质、消耗水环境中的溶解 氧和抬高底质叫。 1 1 - 3 沉水植物是水体生物多样性赖以维持的基础 水生植物在不同的营养级水平上存在维持自身优势状态的稳定机制和水体清 洁；水生植物有过量吸收营养的特性，可降低水体营养水平；创造遮阴环境( 不利 于鱼类捕食) ，为植食性浮游动物提供逃避鱼类摄食的隐蔽所；减少因为风浪和摄 食底栖生物的鱼类所引起的沉积物再悬浮，降低浊度；水生大型植物对藻类的相生 相克作用等。此外，沉水大型植物与螺类之j 可存在一种互惠关系，前者可为螺类提 供附着基质和产卵场所，并有利于逃避捕食，后者为前者清除植物体表面覆盖的阳 生生物。沉水植物也可为许多粘性卵鱼类提供产卵场所“1 。 研究发现，水草丰富的东太湖的底栖硅藻、底栖动物种类与数量和价值高的经 济鱼类种类和产量均较水草受破坏的西湖多“”。在长荡湖，随着水草的衰败，大型 鱼类资源严重衰竭，鱼类种群结构简单化、小型化；草食性、杂食性鱼类失去了饵 料保证；草丛产卵型鱼类资源骤减，敞水产卵以浮游生物为食的梅鲚、银鱼的资源 量逐渐上升1 。沉水植物表面还着生有大量藻类、原生动物和螺类等，一旦沉水植 物消失，将使得水体生物群落结构发生改变，即食物链缩短，水体中的螺类、草食 性鱼类和凶猛性鱼类减少或消亡，滤食性鱼类增加3 。沉水植物还可以通过光合作 用产生氧气释放到水中，为水生动物提供正常生长发育的氧气。 同时，大多数沉水植物都具有丰富的营养价值。我国已对黑藻、菹草等1 0 多 种沉水植物的营养成分进行了分析：粗蛋白为1 3 5 3 一2 6 7 2 、粗脂肪为 2 2 1 一1 0 8 0 、灰份为1 0 9 0 一2 4 9 9 、粗纤维为1 5 6 0 一3 4 3 4 、无氮浸出物为 2 4 8 2 4 8 1 8 、能量为1 2 5 0 3 一1 7 0 7 8 j g ，沉水植物枝叶细嫩，适口性好，蛋白 含量高是鱼类的优良饲料“”“。 1 2 沉水植物的有性繁殖和无性繁殖 沉水植物的退减或消亡，其主要原因可能是环境因子影响了其植物生长和繁 殖，尤其是繁殖，因为繁殖是生物繁衍后代延续种族晟基本的行为和过程，它不仅 是种群形成、发展和进化的核心问题，也是生物群落和生态系统演替的基础m 1 。研 究沉水植物繁殖及其影响其繁殖的环境因子对于了解沉水植物在受胁迫环境中生 存策略和在湖泊修复中沉水植被的恢复与重建具有重要意义，对湖泊生态系统的恢 复也具有重要意义。 沉水植物繁殖策略根据生物形成新个体的方式，其繁殖一般分为无性生殖 ( a s e x u a lr e p r o d u c t i o n ) 和有性生殖( s e x u a lr e p r o d u c t i o n ) 两大类。有性生殖也 称为有性繁殖( g e n e r a t i v er e p r o d u c t i o n ) ；无性生殖又称为营养繁殖( v e g e t a t i v e r e p r o d u c t i o n ) 或广义的克隆繁殖( c l o n a lr e p r o d u c t i o n ) 。有性繁殖按花粉的授粉 方式划分分为自花授粉和异花授粉；按花粉传播方式划分又分为风媒、虫媒和水媒。 无性繁殖的植物在基株上形成的块茎、鳞茎、芽苞、地面匍匐茎和地下根茎等，除 种予以外的繁殖构件( p r o p a g a t i o nm o d u l e ) 产生的新的无性系分株( r a m e t s ) 拓展其 无性系的过程 3 4 。 水生植物有性繁殖中水传粉被认为是较进化的方式，而水媒中可湿性的花粉在 水下授粉则认为是更进化的。水生植物是由陆生植物进化来的观点已被绝大多数学 者接受，因此，沉水植物中在挺水花序上的风媒和虫媒花现象应是陆生植物的迹象， 而水域环境对这些植物传粉显然不利，因为变动的水位常常淹没挺水花序，使之传 粉困难。对于面积有限的水域环境，长距离的风媒传粉显然也是没有好处的：与陆 生植物相比，数量有限的昆虫、水鸟等虫媒异花授粉的机会要少；花粉短距离的运 输、扩散的水媒或白花授粉应是水生被子植物适应水域环境较为进化的方式 3 5 。 水生植物的有性繁殖往往由于水环境的压力常常受到限制，而营养繁殖在这种 生境中却能充分发挥作用，可迅速地占据生境，因而绝大多数水生维管植物不仅都 进行营养繁殖，而且很发达。只是不同的植物在进行营养繁殖时，方式上有一定的 不同，这既是生物适应不同的生境所致，也是生物的生存对策不同所致。因其无性 繁殖在种群繁衍中的主导作用，其生物生态学意义已引起许多学者的极大兴趣。因 此，水生植物繁殖中无性系( c l o n e ) 是过去水生植物生殖生态学研究的热点之一。 郭友好等统计了国外水生植物杂志( a q u a t i cb o t a n y ) 上最近1 0 年有关水生植物发 表的论文，发现无性繁殖方面的文章比有性繁殖的多1 0 倍，此现象从侧面反映了 无性繁殖对水生植物生存的重要性 3 6 。除种子以外的繁殖构件( p r o p a g a t i o n m o d u l e ) ，植物基株( g e n e t ) 上形成的旬甸茎、块茎、鳞茎、球茎、地下旬甸茎以及 根状茎等产生的新的无性系分株( r a m e t s ) 都属于植物的无性繁殖 3 3 ，3 4 。水生植 物对不同环境条件适应的对策变化最大的是在无性繁殖中表现出来。l e a k e y 3 7 描 述了水生植物中各种各样的无性繁殖方式：( 1 ) 断株繁殖( s h o o tf r a g m e n t s ) ：( 2 ) 甸 甸茎繁殖( c r e e p i n gs t e m s ) ，包括( a ) 压条( l a y e r s ) ，( b ) 纤甸枝( r u n n e r s ) ，( c ) 句 旬茎( s t 0 1 0 n s ) ，( d ) 根状茎( r h i z o m e s ) ，( e ) 茎上块茎( s t e mt u b e r s ) ( 3 ) 抽条基部 的繁殖( m o d i f i e ds h o o tb a s e s ) ，包括( a ) 鳞茎( b u l b s ) ，( b ) 球茎( c o r m s ) ：( 4 ) 根 4 出条繁殖( r o o ts u c k e r s ) ，包括( a ) 句甸根( c e 印i n gr o o t s ) ，( b ) 主根( t a pr o o t s ) ， ( c ) 地下块茎( r o o tt u b e r s ) ( 5 ) 假穗发芽( p s e u d o v i v i p a r y ) 。近来根据对植物克隆 生殖生态学研究的结果，一些学者将植物克隆繁殖分成“游击型”( ”g u e r i l l a ”o r d i f f u s ef o r m ) 和“集团型”( ”p h a l a n x ”o rc o m p a c tf o r m ) 两种生长型。”。游击 型植物包括根茎植物和闹甸茎植物如漂筏苔草( c a r e xp s e u d o c u r a i c a ) 和芦苇 ( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) ；集团型是具有短根茎的丛生植物如狭叶甜茅( g l y c e r i s s p i c u l o s a ) 和二叶飘拂草( f i m b e r i s t v l i sd i p h v l l o i d e s ) 。这种划分与植物基株的 扩散和竞争能力的选择因素相联系。李天煌将水生维管植物分成折断式或断裂式 克隆繁殖( f r a g m e n t a t i o n ) 、珠芽式克隆繁殖( c l o n er e p r o d u c t i o nb yb u l b l e t ) 、 接力走茎式克隆繁殖( c l o n er e p r o d u c t i o nb yr h i z o m er e l a y ) 、出芽式克隆繁殖 ( c l o n er e p r o d u c t i o nb ys h o o t i n g ) 、走茎式克隆繁殖( c l o n er e p r o d u c t i o nb y r h i z 响e ) ，如表1 1 和1 2 。 在环境因素的作用下，沉水植物的有性与无性繁殖之间存在交替现象，而且具 有普遍性，并且在大多数情况下都与环境因素，甚至地理分布都有着十分密切的关 系，如菹草( 户盯印晒) 、眼子菜( 尸s f 如口f 坩) 、小叶眼子菜( 尸p 倒- ，坩) 等，另外海生水草大叶藻( z 撇r j 刀a ) 在相邻的生境中采取一年生和多年生的策 略“。单位面积上一年生的大叶藻的种子量是多年生的7 倍多；与多年生相比，一 年生的大叶藻将最大的生物量配置到开花的结构中，损耗营养结构。蓖齿眼子菜( 只 卵c j 朋r 坩) 在三个不同条件的居群中，分配到有性繁殖的资源在总生物量的5 4 2 之间变动，这依赖于生境是荫蔽还是部分暴露“”。 沉水植物的繁殖方式多种多样，这也为其生态恢复提供不同的策略，但在水环 境受到胁迫的情况下，沉水植被的繁殖和生长往往受到抑制，因此研究沉水植物在 不同理化条件下的繁殖和生长策略，对种群恢复与群落扩增有重要的指导意义。已 有的研究工作表明，沉水植物的一些多年生植物种类，其群体的扩增主要通过无性 繁殖来完成，而在那些一年生的种类中，其有性繁殖在种群的繁衍和扩增中起着重 要的作用。因此，研究沉水植物的无性繁殖和有性繁殖，一方面可以摸索在定条 件下的最佳繁殖方式，为沉水植被的恢复提供大量种苗；另一方面，要在水环境中 栽种、恢复水生植物，就必须充分认识水生植物繁殖方式及其对环境适应的策略， 否则在富营养湖泊中恢复沉水植被时将会产生一些困难。 表1 1 繁育系统( t a b llb r e e 吐i n gs y 3 t 伯) 类型( t y p e s ) 繁殖种类( r e p r o d u c t i o ns p e c i e s ) 有性繁殖( 两性生殖) ( a ) 自体繁殖( 自体受精) ，如衙花受精 ( b ) 异体繁殖( 异体受精阻止自花受粉的花部结构特征时相隔离特征，如 异熟现象 雌雄同株雌花两性花异株或雄花两性花异株花粉管不同 的生长率 遗传上的自交不亲和花柱异长性 雌雄异株 无性繁殖( 无融台生殖)a ) 营养繁殖有或无有性生殖( b ) 无融台结籽儡发、兼性、专性 表1 2 水生维管植物克隆繁殖的不同类型 t a b 1 2t y p e so fc l o n er e p r o d u c t i o ni na q l l a t i cv a s c u l a rp l a n t s 类型( t y p e s )种类( s p e c i e s ) 折段式克隆繁殖金鱼藻属( c e r a t o p h y l l u m ) 茨藻属( j a s ) 黑藻属( h y dr i l l a ) 伊乐藻属( e l o de ) 水筛 ( c l o n er e p r o d u c t i o n属( b 1 y x a ) 软骨草属( l a g a r o s i p h o n ) b yb r e a k e n ) 珠芽式克隆繁殖慈姑属( s a g i t t a r i a ) 泽泻属( a l i s ma ) 泽苦草属( c a l d e s i a ) 水麦冬属( t r i g l o c h i n ) 水 ( c l o n er e p r o d u c t i o n芋属( c a l l a ) 隐棒花属( c r y p t o c o r y n e ) 芋属( c o l o c a s i a ) 飘拂草属( f i m b r i s t y l i s ) 风 b yb u l b l e t ) 眼莲属( e i c l l l l o r n i a ) 接力走茎式克隆繁殖 苦草属“a l l i s n e r i a ) 水鳖属( h y d r o c h a r i s ) 草属( s c i r p u s ) 荸荠属( e l e o c h a r i s ) 苔草 ( c l o n er e 口r o d u c t i o n属( c a r e x ) 水莎草属( j u n c e l l u s ) 黑三棱属( s p a r g 锄i u m ) 水雍属( p o n o g e t o n ) 杏菜属 b yr h i z o m er e l a y )( n y m p h o i d e s ) 菱属( t r a p a ) 雨久花属( m o n o c h o r i a ) 花蓠属( b u t 硼u s ) 出芽式克隆繁殖满江红科( s a l v i n i a c e a e ) 槐叶苹科( z o 儿a c e a e ) 浮萍科( l e 皿n a c e a e ) ( c l o n er e p r o d u c t i o n b ys h o o t i n g ) 走茎式克隆繁殖香蒲属( t y p h a ) 太叶藻属( z o s t e r a ) 二药藻属( i a l o d u l e ) 丝粉藻属( c y m o d o c e a ) 针叶藻 ( c l o n er e p r o d u c t i o n 属( s y r i n 9 0 di u m ) 芦苇属( p h r a g m i t e s ) 李氏禾属( l e e r s t a ) 喜盐草属( h a l o p h i l a ) b yr h i z 0 i n e ) 海菖蒲属( e n h a l u s ) 寨来藻属( t h a l a s s i a ) 水蓑衣属( h y g r o p h i l a ) 过江藤属( l i d p ia ) 水蜡烛属( d y s o p h y l la ) 丁香蓼属( l u d w i g i a ) 水龙属( j u s s i a e a ) 水马齿( c a l li t r i c h e ) 杉叶藻属( h i p p u r i s ) 豆瓣菜属( n a s t u r t i u m ) 碎米荠属( c 8 r d a m i n e ) 毛茛属 ( c a l l i t r i c h u s ) 水毛茛属( b a t r a c h i u m ) 工莲属( v i t o r i a ) 芡属( e u r y a l e ) 莲属 ( n e l u 巾b o ) 莼属( b r a s e n i a ) 萍蓬草属( n u p h a r ) 睡莲属( n y m p h a e a ) 莲子草属 ( a l t e r n a n t h e r a ) 蓼属( p 0 1 y g o n u m ) 二白草属( s a u r u r u s ) 苹属( m a r s i l e a ) 水椰属 ( n y p a ) 菖蒲属( a c o r u s ) 大漂属( p i s t i a ) 蒲草属( l e p i r o n ia ) 婆婆纳属( v e r o n i c a ) 假马 齿苋属( b a c o p a ) 6 1 3 环境因子对沉水植物无性繁殖和有性繁殖的影响 沉水植物因其特殊的生态位，所以其许多特点有别于陆生植物，而其生命的 延续也有其区别于陆生植物的独特性。水环境往往限制了有性繁殖，因为在不稳定 的环境压力下，造成种子繁殖的传粉受精以及幼苗形态建成非常困难，从而使水生 植物向无性繁殖方向发展，在自然界中沉水植物的繁殖方式也以无性繁殖方式为 主，无性繁殖体主要有匍匐茎、根状茎、鳞茎、块茎和断枝等，其中冬芽是我国常 见沉水植物如菹草、苦草、金鱼藻、黑藻等植物种群延续的重要种子库1 4 3 卅j 。研究 沉水植物营养繁殖体在富营养化水体条件下的萌发规律，对于了解沉水植物群落的 退化以及进行沉水植被恢复和重建工程是具有显著意义的。虽然在这方面已经有一 些相关的研究发表，如国外已在繁殖体的萌发生态方面作了大最工作【4 “刖，而国内 以资源利用为目的的沉水植物种植方面、在繁殖体的萌发生态及其影响因子方面己 进行了一些研究【4 3 r 4 9 5 1 】。连光华和张圣照研究了伊乐藻等水生高等植物的快速繁殖 技术【4 3 】：倪乐意研究了切除顶枝对加拿大伊乐藻生长的影响【5 2 j ；崔心红等研究了5 种沉水植物无性繁殖和定居能力【5 0 l 。但有性繁殖在群落迁移和作为永久种子库中也 扮演着重要作用，在沉水植物有性繁殖的研究中，研究多集中在对种子萌发的探讨， 一方面想了解沉水植物萌发的机理，以及影响其萌发率的理化因子；另一方面研究 提高其萌发率的方法。近年，随着水环境的污染加剧，沉水植物在许多水域正在消 亡或消亡。因此研究沉水植物的繁殖以及影响其繁殖的生物因子和非生物因子，对 沉水植物的群落恢复和扩增有着重要的意义。影响沉水植物生长繁殖主要的非生物 因子如非生物环境：营养( n 、p ) 、底质、溶氧、基底氧化还原电位、c 0 2 、温度、 水深、光强、风浪、有毒污染物；生物因子如水生动物等。 1 3 1 种皮 沉水植物种皮对自身萌发往往有限制作用。由文辉等研究种皮对苦草、菹草和 大茨藻种子萌发的影响，结果表明，沉水植物种子的发芽均有一定的限制作用，并 以菹草最强、苦草最弱。这一规律显然与种子的结构有关。成熟的苦草种子其种皮 很薄，其硬度也不如菹草和大茨藻；在浸泡过程中，种子吸水膨胀，至第1 0 d 结束 时( 实验播种前) ，体积平均增大0 6 2 倍，有8 0 以上的种子其种皮已相当松软用 解剖针稍稍一拨就可撕裂，可能也是苦草破裂种子与完整种子发芽率相近的原因。 菹草和大茨藻的种皮硬度较大，即使经过1 0d 的浸泡，仍相当坚硬，然而撕裂种皮 后，二者种子的发芽率均有明显增高【5 3 1 。据研究，大茨藻是罗非鱼f n l a p i a ) 【5 4 l 、草 7 鱼( o 棚。曲a r ，f n g o d o n j d e l i u s ) f 5 5 】的饵料植物之一，其种予在通过动物消化道的过程 中，由于机械挤压和消化酶的作用，种皮会受到破损，从而增加了种子的发芽率p “， 使大茨藻可以借助种子增殖种群i 抓。目前还没有水生动物取食菹草种子的报道，这 可能与其果实具有坚硬的脊齿，影响动物取食有关。因此，菹草种子在自然状态下， 种皮破裂的机会较少，即使有亦需较长的时期，可能正是菹草主要靠营养繁殖产生 幼苗的原因之一。在野外，种子成熟季节或稍后，没有发现由种子萌发的幼苗，即 使在室内，也未见当年的种子有萌发的迹象，说明种子必须经历一段低温或低温浸 泡才可萌发1 5 。j 9 l ，在此过程中，除种皮的束缚作用逐渐减弱外，种胚完成生理后熟 过程，并待到了萌发的适宜环境条件。微齿眼子菜果皮的透气性障碍与胚的后熟作 用也是影响瘦果萌发的重要因素实验表明果皮的作用在于阻碍气体的渗透，但不阻 碍水分的透过由于胚得不到发芽所需的氧气，而使瘦果强迫性休眠。去中脊后，萌 发率极高，呼吸速率上升即证明了这一点。一般认为，眼子菜科植物瘦果萌发实验时， 保持水清洁，瘦果不萌发；如果不换水微生物繁殖，果皮发酵降解，瘦果萌发i 蚰j 。 m w i i k 也发现篦齿眼子菜的内果皮是限制其瘦果萌发的关键因素，去除内果皮可 显著提高瘦果的荫发率1 6 “。 1 3 2 温度 沉水植物繁殖体的萌发一般都是在水体的底泥中，光线很难照到，主要还是靠水 温的升高来决定种子或无性繁殖体是否萌发。其中温度与沉水植物的关系比较集中 地反映在温度对植物发育速率的影响上，即反映在有效积温法则上。根据有效积温 法则主要含义就是植物在生长发育过程中必须从环境摄取一定的热量才能完 成某一阶段的发育，而且植物各个发育阶段所需要的总热量是一个常数，因此可用 公式n t _ k 表示，其中n 是发育历期即生长所需要时间，t 为发育时间的平均温 度，k 是总积温( 常数) 【”。沉水植物的无性繁殖体如竹叶眼子菜的冬芽萌发最适 温度为2 5 f 4 9 】；而冬季沉水植物如菹草冬芽最适温度在2 0 以下i “。沉水植物的 种子萌发最适温度一般在2 0 左右，其萌发速率一般随温度的升高而升高，萌发率 却降低。如菹革、大茨藻和苦草，发芽率均以2 0 为最大，但萌发速率却为 2 8 2 0 1 0 1 1 习；李亚东等研究苦草块茎和种子最适萌发温度为2 0 ，萌发速 度表现为3 0 2 0 1 0 噼l 。这可能与温度升高、代谢增强有关。一般说来，萌 发速率与发芽率最大时的水温并不一致。温度过高，代谢耗能加大，萌发速率加 快，但用于生长的能量减少，导致发芽率下降；温度过低，虽然代谢耗能减少，但 过低的温度亦不适于生长，故萌发速率和发芽率均低；只有在某一温度范围内，生 8 长才处于最适状态，同时可供生长动用的能量储备亦最大，保证种子具有最大的发 芽率。类似的结论亦见于陆生草本植物的研究m l 。 环境温度在种子休眠及破除休眠方面起着关键作用。在某些情况下只需一段时 间的接近冰点的温度，种子就可以解除休眠，种子层积处理是农业生产上常用的方 法。c o h e n 认为变温能引起种子内部物质物理化学变化或结构上的变化，比任何生 长调节物质更好i 删；v a n w i j k 发现低温层积显著提高了篦齿眼子菜的瘦果萌发率【6 u ； 秦民坚等研究温度对射干种子萌发影响后发现，恒温条件下的萌发率不高，昼夜变 温循环可以大大提高萌发率【明：陈开宁等研究了蓖齿眼子菜种子的发芽率及幼苗生 长，在自然状态下，蓖齿眼子菜种子萌发率仅为5 3 ；切开种皮、较高温度的变温 以及层积处理可以极显著地提高种子的发芽率，模拟动物消化系统的酸处理也可以 显著地提高萌发率，而用恒定的高、k n 0 3 、硫脲和g a 处理对发芽率影响不大【删。 1 3 3 光强 沉水植物的营养繁殖体的萌发对光的需求不同。李文朝等研究强光照射可以打破 菹草繁殖体冬芽的休眠、促使其在夏初萌发，推论菹草繁殖芽的夏季体眠可能与其 所处的水底光照不足有关；简永兴等研究表明光照强度对菹草冬芽的萌发有一定影 响，无光环境下菹草冬芽的萌发率小于有光条件环境【6 3 1 。苦草、黑藻及金鱼藻营养 繁殖体的萌发无需光刺激，但当水底相对光照强度小于5 时形成白化苗，不能进行 正常的光合作用。沉水植物营养繁殖体萌发期的水底光照条件是决定沉水植物能否 再生的关键因素1 6 9 j 。而不同的光周期对竹叶眼子的影响达显著水平，长时问的光照 抑制了冬芽的萌发【4 9 1 。黑藻种子对较高温度和光敏感，将其放于温度为2 3 2 8 的 光下，一周内的发芽率可达到1 0 0 萌发率，但无光条件下，3 个月也不发芽【7 0 】。但 蓖齿眼子菜等种子的萌发对光不敏感【。王孝民等在研究水深梯度对瘦果萌发率和 幼苗成活率的影响实验中，水深不是限制瘦果萌发率的因素，而是限制幼苗成活的因 素，也是微齿眼予菜幼苗更新过程中一个关键因素。随水深度增加，光照减弱，幼苗 真叶在不定根产生前形成，由于光合作用不足，导致营养缺乏而死亡，随水深增加， 成活率越低。自然条件下微齿眼子菜大量结实，而幼苗很少，营养体形成的冠层引 起营养和光照的竞争，从而限制了幼苗生长，即使果皮可能经较长时间降解及胚完 成后熟作用而萌发，幼苗成活率可能极低或不能成活【7 1 】。 1 3 4 底质 基质的有无及其类型对无性繁殖体的萌发率影响不同，如不同基质对竹叶眼子 q 菜冬芽的萌发影响不显著【4 9 l ，而苦草块茎在不同的底质实验中结果表明，块茎在水 + 湖泥中的萌发率最高。杨永清等研究苦草鳞茎( 冬芽) 在梁子湖的垂直分布深度与 其重量呈显著正相关，而重量也与鳞茎芽数显著相关( p o 0 5 ) ，埋藏深度、水分状 况和鳞茎本身的大小都显著影响鳞茎的出土能力，沙质底比泥质底更有利于苦草种 子的萌发，但在没有扰动的情况下，幼苗的定植能力在两种基质中没有显著差异l 吲。 不同的营养水平对种子萌发影响不大。种子萌发时贮藏的有机物质发生强烈的转 变，淀粉、脂肪和蛋白质在酶的作用下，被消化为简单的有机物。因此，外界的营 养对萌发影响不大，主要作用于萌发后的幼苗生长。不同沉水植物种子萌发的最适 基质不同，苦草和菹草为水加土，而大茨藻则为土：单纯水中的发芽率和萌发速率均 最低【5 3 】。萌发基质对种子的萌发也有一定的影响，其中光照的差异可能是原因之一 i 叫。 1 3 5 溶氧 关于溶氧水平对沉水植物无性繁殖体萌发的影响尚未见报道，b r e n c h l e y 等人研 究海草大叶藻( z 。s 据阳p r 泐r 胁f ) 在无氧条件下种子的萌发率高于好氧条件m ； s m o l d c r s 等研究跏“d 趣4 幻谢船l 发现缺氧条件下种予的萌发率比好氧条件下稍 高，但在低温下无影响【7 4 】；m 0 0 r e 等也发现无氧条件增强了海草大叶藻( z f e r ，l 口，胁口) 种子的萌发 7 5 j ；而b e n tl 0 删l z e n 等研究两种湿生植物c 肠啦“聊胁m 口f c e 船g 和聊妇咖m 咖鲥s 括的种子时发现，低氧对前者萌发没有影响，但在低温的条件下 提高了后者的萌发率f 7 5 j ；h 0 0 t s m a i l s 等报道，缺氧时，海草丈叶藻( z 西耙m 川口，觑口) 的种子完全失去萌发能力m l 。陈开宁在现场原位试验结果表明，在有湖泥的情况下， 蓖齿眼子菜种子的发芽率仍然较低，但他没有研究在污染较重的厌氧底泥中发芽率 种子的萌发情况【6 b l 。这些报道结果并不一致，不过缺氧条件促进水生植物种子萌发 率的具体机制还不清楚。 在s m o l d c r s 等人的研究中，s f r 8 如衄fn f o f d e sl 的种子在缺氧条件下萌发的幼苗 也不能正常发育，在两周内就死亡【7 4 】。这些原因可能类似于水稻的萌发现象，水稻 无氧呼吸时间过久，则会消耗较多的有机物，释放较少的能量，还积累过多酒精， 使种子受毒，而且胚芽鞘迅速生长，而根和真叶不长或生长微弱【7 8 j 。另外，叶绿素 的形成必须在有氧条件下才能合成，有氧条件下粪卟啉原i 和脱氢生成原卟啉， 原卟啉是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭f 7 8 j 。也就是说在无氧的条件下不能 形成叶绿素，这致使了幼苗的白化现象的产生。 1 0 1 3 6 其它因子 在有些种子里，由于种皮的机械作用而影响其萌发，c r o c k 呱1 9 0 6 ) 通过实验提 出了酸处理可以打破休眠，或是经过某些鸟类或动物消化系统来打破休眠1 7 。某些 种子的胚在休眠的时候氨基酸水平很低，用赤霉素( g a ) 处理来打破休眠，也引起胚 里氨基酸含最升高；t 堙e r 和c l a f k 己报道了应用g a 能代替马利筋( 缸d e p i 勰 丘1 l t i c o s a ) 对温度变化的要求i 鲫】。除了植物生长调节剂之外，硫脲被认为是己知破除 种子休眠的萌发刺激物中最普遍而有效的化学物质，其次k n 0 3 也是很有效的。刘 贵华等、黄振曼、陈家裘等探讨了g a 、变温、h n 0 3 以及去种皮等处理对提高普通 野生稻种子发芽率的作用1 8 1 彤l 。而有关提高沉水植物发芽率的报道很少。陈开宁等 研究蓖齿眼子菜发现，用k n 0 3 、硫脲化学处理和赤霉素( g a ) 处理对蓖齿眼子菜 种子的发芽率影响也不大，而模拟动物食道的酸处理对发芽率则有较大影响【艟l 。 另外一些生物因子如鱼类对沉水植物繁殖体的破坏性吞食对沉水植物的繁殖 有降低作用，同时对萌发后幼芽的吞食大大降低了成活率。近年来有水生态系统控 制实验表明，消费者的牧食作用会对水生植物产生灾难性的影响州8 5 1 。牧食作用能 够潜在地改变每个物种的繁殖输出，意味着将随之改变其种子库，最终影响未来的植 被动态i 聃】。总的来说，牧食作用主要影响生态系统中种子库的补充、植物的生长速 率【8 7 。删、物种成活率l 州、群落多样性【8 e 明和繁殖分配f 9 0 ，9 。与此同时，研究发现植物 也能够采取与动物相似的机制来避免草食动物的牧食【9 2 ，9 3 1 。过去研究动物对水生植 物的取食作用多限于鱼类和节肢动物1 9 4 9 5 1 ，而具有社群性的水禽在越冬迁徙中对植 物越冬器官的牧食压力远远超过生长季节里对叶子和枝条的取食i 蚓。s a i l t a m a r i a 等 的研究发现，龙须眼子菜( 砌m 朋d 秽幻np e c 砌口m s ) 的鳞茎由于被水鸟取食导致的损失 率随深度成线性递减，由表面的1 0 0 降到2 2 1 5 c i l l 的深度时的5 5 。水禽和鱼类对种 子的摄取和在体内的消化，提高了种子萌发率p n 。 1 4 沉水植被的扩增与重建技术 1 4 1 沉水植物扩增与重建的限制因子 沉水植物结构的变化对水生态系统将产生有力的影响，沉水植物演替过程代表 了其对水生态系统过程的影响强度。但尽管沉水植物对湖泊生态系统有重要的调节 作用，但是其自身的扩增与重建也受到多方面的压力，如非生物因子营养( n 、p ) 、 底质、溶氧、基底氧化还原电位、c 0 2 、温度、水深、光强、风浪、有毒污染物： 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s l 8 生物因子如水生动物等。 1 4 1 1 主导生态因子原理 生态系统的动态变化受生态因子影响，在这些复杂的生态因子中，有少数具有 支配作用的，称为主导生态因子。恢复和重建退化生态系统要抓主导生态因子，才 能达到事半功倍的效果。水体生态系统的修复首先应提高透明度和降低营养盐，尤 其是降低n 元素含量。 1 4 1 2 元素的生理生态原理 所有生物有机体都由一定数量的化学元素组成，这些元素对于生物分子的构成 至关重要。因而不管在何等组织水平上，有关元素的生理生态原理均有重要的意义。 1 耐性定律：该定律指出：对任何元素来讲都存在着一个浓度范围，称作忍耐 区间。在这个范围以内所有与该元素有关的生理学过程才能正常发生。因此，只有 在这个范围内，一定的动植物种类才有可能生存。在这个范围内，有一个最适浓度 称为偏好浓度( p r e f e r c n d u m ) ，在该浓度下代谢过程速度最快。当浓度低于忍耐区间 下限时，则由于该元素的缺乏而有机体将会死亡；反之，当浓度超出上限时，则由 于元素过量也会造成机体死亡。 2 最小量定律：这个定律是由李比西在上一个世纪发现的。它指出，只有在所 有关键元素都达到足够量时植物才可能正常生长；生长速度受浓度最低的关键元素 的限制，这就是说，即使只有种关键元素没有达到足够的数量，植物生长也将停 滞。这两个原理对退化生态系统生境的改良以及重建物种的选定有重要的指导意 义。通常对退化生态系统水体生境的改善，应分析其中的关键元素，针对性地改良。 而在极度退化的生态系统进行植被恢复所采用的早期先锋种，均是对营养( 包括透明 度、温度、营养盐、p h ) 的忍耐区间很大的种类【9 8 1 。 沉水植物对于水体的理化条件，尤其是透明度要求较为严格，在富营养化水体 中修复沉水植被需要一定的工程措施来保证水体的透明度【4 ，8 1 0 2 l 。彭映辉等人对长 湖的生物多样性调查后发现，随着渔民作业强度与放养量的逐年增大，湖水透明度 极大降低，水下光线严重不足，阻碍水生植物的光合作用，使其无法生存 懈l 。倪 乐意也认为沉水植物生长的制约因素主要是草食往鱼类的啃食和过低的透明度 u 。光照对水生高等植物繁殖体萌发无显著影响。但对水生高等植物的存活率和 生长有重要影响，富营养化湖泊水体透明度低是水生高等植物生存的主要压力之 一，由于水体透明度低，水下光照不足，水生高等植物尤其是沉水植物无法获得足 够的光能生长。此外，研究指出藻类亦可抑制有些水生高等植物生长，特别是富营养 化水体中的蓝藻水华对水生高等植物往往有致命伤害作用1 1 0 5 】。着生藻类不仅大大 削弱了至q 达植物表面的光照和营养物浓度，其代谢产物还对水生植物的光合作用具 有抑制作用。因此有观点认为，导致富营养化水体水生植物消失的原因，不是浮游 藻类生物量的增加，而是由于水生植被表面着生藻类生物量的增加，有人观察到 k y 姐湖水生植物衰亡主要是由于夏季高浓度的浮游植物，铜绿微囊藻的毒素即使 在很低浓度时对伊乐藻和浮萍也有毒害作用 1 * 1 0 8 】。营养盐有时会成为沉水植物恢 复的限制因子。有研究认为，在贫营养水体或轻度富营养化水平下，n 、p 的缺乏 是水生植物的限制因子；在重富营养化水体，限制因子不再是n 、p 而是矿物元素： 另有观点认为，具有底质的水体，沉水植物所需矿物元素可以从底质中获取，与磷 相比，底质中的可利用氮量相对较少，h c 0 3 1 、c 0 3 2 。成为水中优势的碳酸离子种类， 而h 0 3 在大部分水体中消失，因此无机碳源有时会成为沉承植物恢复的限制因 子，这方面的研究也较多陋”j 。 1 4 2 沉水植物生态重建 受损水域中进行沉水植物的恢复与重建试验己成为水域生态学研究的重点领 域之一【9 1 1 - 1 1 0 】。水生植被的重建已经被作为湖泊富营养化生态治理的重要手段，并 己经完成或正在实践当中1 1 1 ，”l 。 黄文成以1 9 9 0 年的调查论证了恢复并建立沉水植物是治理草海的最佳生物措 施f 外。认为以优化的沉水植物为基础的湖泊生态系统优于以浮游植物或以漂浮植物 为基础的湖泊生态系统。戴莽等【1 1 l j 在严重富营养化的东湖设置大型围隔( 2 0 】【2 9 n 1 ) 两个，并在其中引种沉水植物菹草，探讨了菹草的恢复对水体富营养化的影响。而 菹草的恢复，使两个大型围隔中的各种营养盐水平都显著地低于围隔外围的潮水 ( p 0 0 1 ) ，溶解氧和透明度显著升高，电导率明显下降。即水质得到了明显的改善。 吴振斌【1 1 2 】等利用富营养浅水湖泊( 武汉东湖) 中所建立的大型实验围隔系统，研究了 沉水植物重建对水体n 、p 营养水平的影响。结果表明，沉水植物重建后n 、p 营 养水平显著降低。在研究期间水生植物围隔t n 和t p 水平均显著低于对照围隅 和大潮水体，而且水生植物固隔的t p 含量一般维持在o 1m 譬l t l 左右，季节性波动 远低于对照围隔和大湖水体。水生植物围隔水体中氨态氮和亚硝态氮含量较低，而 硝态氮含量与对照围隔和大湖水体差别不大。由此可见，恢复以沉水植物为主的水 生植被，可以有效地降低n 、p 营养循环速度，控制浮游植物过度增长，是重建富 营养湖泊生态系统的重要措施。 邱东茹等在武汉东湖做了永生植被恢复方面的研究工作【1 1 3 1 ，分别在东湖水果 湖、汤林湖和后湖等三个湖建立水生植被恢复示范区挺水植物莲( f “晰6 d 尼h c 咖阳) 和芦苇、浮叶植物菱( 7 k p 口，l 础l n 5 ) 和选择型的沉水植物苦草、聚草、菹草和大茨藻 ( a 伽m 4 r 加口) 等在三个植被复示范区均可以恢复。而黄丝草( ( p d 细埘呼f 伽 m 口口c 七缸玎淞) 、伊乐藻、黑藻( 州r f 砌v 盯出讹枷等在后湖示范区可以恢复，在水果 湖恢复未能成功。黑藻在汤林湖示范区也未能恢复。在水生植被演替动态研究和中 试规模的恢复试验的基础上，提出了以东湖为代表的富营养浅水湖泊水生植被恢复 对策。金刚等在保安湖开展了有关沉水植被恢复及其渔业效益的研究工作【1 1 4 1 。通 过消除对沉水植物生长有破坏作用的草食性鱼类和杂食性鱼类，在低水位的早春选 择无风浪的天气移栽水草，于1 9 9 4 年在保安湖一个面积为3 3 hm 2 网栏湖汉成功地 恢复了绝迹8 个月的水草群落，秋季水草覆盖率达5 0 ，同时研究了在无鱼类摄食 破坏的条件下苦草和黄丝草的生长动态。于1 9 9 4 1 9 9 5 年在保安湖另个面积为 1 3 3 3hm 2 土栏湖汉( 即肖四海) 恢复了水草群落，1 9 9 5 年秋季水草覆盖率达7 0 。 由于水草群落的恢复，肖四海结束了施肥投草主养四大家鱼的养殖方式，而采用了 以河蟹和撅鱼为增养殖对象的优质高效渔业模式，1 9 9 4 1 9 9 7 年河蟹产量分别达到 1 ，6 4 6 6 k g ，