富营养化湖泊菹草的拓殖与生态管理——以南京玄武湖为例

摘要

近年来，菹草在全球不少富营养化、污染较重的浅水水体中大量暴发，一方面菹草在生长期有效改善了水环境，另一方面，在衰亡期又可能存在一定的负面影响。因此，研究菹草在富营养化浅水湖泊中恢复、拓殖、适应、暴发与消失的过程与机制，科学合理利用和控制菹草种群动态，对控制和改善富营养化水体环境质量具有十分重要的意义。以玄武湖菹草暴发为案例，通过玄武湖水环境因子调查及菹草种群生长分布调查、环境因子及收割菹草对菹草石芽萌发或幼苗生长的影响试验，取得以下几方面的研究成果：
　　 (1)揭示了影响菹草石芽萌发和幼苗生长的限制因子及其生态阈值。石芽萌发的最适宜水温是15-20℃，因此，在长江中下游地区的晚秋和春季菹草石芽均可以萌发；菹草幼苗生长的适宜温度12-20℃，在低温条件下，菹草生长较缓慢，而当水体温度超过25℃时菹草开始衰亡。夏季水温32±1℃条件下，石芽萌发的光强阈值为120-1601x，光强达到1400lx，石芽可以达到自然萌发率。营养盐在较宽范围内(TN0.9-10.0mg/L、TP0.04-5.0mg/L)菹草可以萌发生长。菹草在不同的水深下(30-180cm)都能够生长，在一定的水深范围内(30-180cm)，菹草株高与水深有显著性相关(R2=0.675-0.778，p＜0.01，n=30)，试验条件下，菹草生长的适宜水深范围是90-150cm。
　　 (2)揭示了菹草在玄武湖迅速拓殖的环境条件。玄武湖属于III-V类水，其水体营养盐、底泥理化特性适合菹草生长。2005-2006年冬季水体透明度较前3年均值提高42.5-101.7cn；菹草幼苗生长的关键时期(1-3月)，玄武湖消光系数(0.82-1.32)不仅低于菹草繁盛的固城湖(1.45-1.65)，也低于水生植被较多的东太湖(均值1.5)，玄武湖春季水下光照条件的改善是菹草能够在全湖迅速拓展的重要原因。
　　 (3)玄武湖菹草密度的空间差异主要是由水深、透明度差异造成，我国不少湖泊实施生态修复措施改善水质的限制因子是水体透明度，而不是营养盐，只要透明度改善就可以恢复水草。
　　 (4)菹草生长季节，对水环境有明显的改善作用。2006年4月17-18日的监测表明：“菹草群丛内”DO高于“菹草群丛边缘”及“菹草群丛外”；“菹草群丛内”到“菹草群丛边缘”、“菹草群丛外”TP、TN逐渐升高，TP均值分别为0.062、0.098、0.105mg/L，TN均值分别为1.674、2.202、2.412mg/L；与2003-2005年同期相比，2006年3-5月份玄武湖TP分别下降了15.4％、45％、43.3％，TN分别下降58.2％、43.9％、51.3％，SD保持在65cm以上。
　　 (5)分析了2008年玄武湖菹草消失的原因。2007年过早、过深、高强度收割菹草，导致成熟石芽数量过少(平均10-30.5颗/m2)，2008年冬天萌发的菹草密度小，达不到集群效应，抵抗外界干扰能力差；2008年1-5月，玄武湖营养环境没有发生根本的变化，透明度仅为36-46cm，大部分区域不满足沉水植物正常生长的条件：水深≤光补偿深度。
　　 (6)2006-2007年6月，玄武湖收割菹草后，NH3-N、DO、SD、TN、TP等水质指标都显著优于2005年同期，表明在菹草衰亡阶段，及时收割巨大生物量的菹草可以降低水体氮磷含量及菹草残体分解带来的二次污染影响；对于生物量过大的湖泊，理想的除草时间应该应该是菹草生长的中后期。
　　 (7)割草实验表明，4-5月份，水下割草深度＜1m对菹草生长影响有限，但水下割草深度＞30cm，石芽则无法形成。因此，割草区域要有选择性和保留性，让部分菹草繁殖体得以生长、成熟。
　　 (8)菹草腐烂实验表明：生物量大于3kg/m2菹草残体腐烂分解会对水体产生比较严重的氮磷污染，但影响时间较短(45天左右)；生物量小于2kg/m2，其死亡残体腐烂分解对水体影响不明显。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1菹草在水生生态系统中的功能

1.1.1菹草在水生生态系统中的功能

1.1.2菹草在水生态修复中的作用

1.2环境因子对菹草石芽萌发、菹草生长的影响

1.2.1环境因子对菹草石芽萌发的影响

1.2.2环境因子对菹草生长的影响

1.3水生植物空间分布格局研究

1.3.1水生植物构件的分形特征研究

1.3.2地统计学在水生植物分布格局研究中的应用

1.4水生植被在生态管理方面的研究

1.4.1水生植被调控的必要性

1.4.2水生植被调控的方法

1.5论文选题背景及意义

1.6研究思路

第二章研究方法

2.1野外研究区(玄武湖流域)概况

2.2野外调查方法

2.2.1玄武湖水环境因子调查

2.2.2玄武湖菹草种群生长及分布调查

2.3模拟实验

2.3.1温度对石芽萌发及幼苗生长的影响

2.3.2弱光对石芽萌发及幼苗生长的影响

2.3.3基质、营养盐对菹草生长的影响

2.3.4水深梯度对菹草生长的影响

2.3.5收割对菹草生长的影响

2.3.6菹草衰亡腐烂分解对水质的持续性影响

2.4主要测定指标与测定方法

2.4.1水质指标测定方法

2.4.2菹草生理指标的测定方法

第三章环境因子对菹草石芽萌发及生长的影响

3.1温度对菹草石芽萌发及幼苗生长的影响

3.1.1菹草石芽萌发的最适宜温度15-20℃

3.1.2菹草幼苗生长的最适宜温度12℃-20℃

3.2弱光对菹草石芽萌发及幼苗生长的影响

3.2.1弱光对菹草石芽萌发的影响

3.2.2弱光对菹草幼苗生长的影响

3.2.3弱光对菹草叶片光合效率的影响

3.2.4弱光对菹草叶片的光响应能力的影晌

3.2.5讨论

3.3基质、营养盐对菹草生长的影响

3.3.1不同基质对菹草株高生长的影响

3.3.2不同营养盐对菹草株高的影响

3.3.3不同基质对菹草叶片数的影响

3.3.4不同营养盐对菹草叶片数的影响

3.3.5不同基质光相应曲线

3.3.6不同营养盐光响应曲线

3.3.7讨论

3.4水深梯度对菹草生长的影响

3.4.1水深梯度与菹草株高显著正相关

3.4.2水深梯度对菹草叶片数增长的影响

3.4.3水深梯度对菹草叶绿素含量的影响

3.4.4水深梯度对菹草叶片荧光参数的影响

3.4.5水深梯度对叶片快速光响应曲线的影响

3.4.6讨论

3.5本章小结

3.5.1温度对菹草石芽萌发及幼苗生长的影响

3.5.2光照对菹草石芽萌发及幼苗生长的影响

3.5.3基质、营养盐对菹草生长的影响

3.5.4水深对菹草生长的影响

第四章玄武湖菹草出现及暴发性增长的原因

4.1玄武湖营养环境影响

4.1.1水质变化影响

4.1.2基质营养差异影响

4.2玄武湖透明度变化及消光系数

4.2.1玄武湖透明度变化

4.2.2玄武湖消光系数

4.3讨论

4.3.1菹草生物学特性

4.3.2独特的生态特性

4.4本章小结

第五章玄武湖菹草种群的生长动态及空间分布格局

5.1玄武湖菹草种群的生长动态

5.1.1水深对菹草石芽萌发、株高变化的影响

5.1.2株高与生物量的关系

5.1.3菹草节间距的变化规律

5.2玄武湖2006-2007年春季菹草生物量变化

5.2.1菹草发生阶段及特点

5.2.2 2006-2007年菹草生物量的季节变化

5.3菹草空间分布格局及其影响因素

5.3.1水深、透明度对菹草分布的影响

5.3.2基质对菹草分布的影响

5.3.3讨论

5.4菹草分枝格局的分形特征

5.4.1研究方法

5.4.2结果与分析

5.5本章小结

第六章玄武湖菹草生长对湖泊水环境因子时空变化的影响

6.1菹草生长对玄武湖水质因子的影响

6.1.1菹草群丛内外水质差异

6.1.2玄武湖2006年春季主要水质指标的改善

6.1.3讨论与建议

6.2菹草生物量与水质理化因子的相关分析

6.2.1东南湖各监测指标的相关性分析

6.2.2菹草密度(生物量)对水环境因子的影响

6.3菹草衰亡对水质的影响

6.4本章小结

第七章玄武湖菹草消亡的原因

7.1玄武湖2007年冬季石芽分布状况及原因分析

7.1.1研究方法

7.1.2石芽密度的空间结构分析

7.1.3石芽分布的分维数分析

7.1.4石芽空间分布差异分析

7.2玄武湖2008年春季水环境与菹草生物量调查

7.2.1玄武湖2008年水质变化

7.2.2玄武湖2008年菹草生物量变化

7.3玄武湖菹草消失的原因

7.3.1过早、过深、高强度割草是石芽数量锐减的直接原因

7.3.2较低的透明度，不利于菹草正常生长

7.3.3鱼类的破坏作用

7.4玄武湖两种稳态转换的机制和驱动因素探讨

7.5本章小结

第八章玄武湖菹草的生态管理

8.1收割对玄武湖水质影响

8.1.1人工割草对水质的影响

8.1.2割草区域、时间、频率的选择

8.2收割对菹草生长的影响

8.2.1收割对菹草生长的影响

8.2.2收割对菹草石芽的生长、发育的影响

8.3菹草衰亡腐烂对水质持续性影响实验研究

8.3.1菹草衰亡腐烂对水体营养盐的影响

8.3.2菹草衰亡腐烂对水体CODMn的影响

8.3.3菹草衰亡腐烂对水体DO的影响

8.3.4讨论

8.3.5小结

8.4玄武湖水生高等植物群落恢复演替可行性探讨

8.4.1玄武湖水生植物分布与季节演替调查

8.4.2玄武湖水生植物年际变化调查

8.4.3玄武湖水生高等植物群落恢复演替可行性探讨

8.5本章小结

第九章总结和展望

9.1结论

9.2展望

9.3本文的创新之处

参考文献

附录在读期间完成的学术论文

在读期间参与的研究项目

致谢