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FB|湖南农业大学符辉教授团队水生植物研究新进展:变暖对三种浮萍动态相互作用的影响

  • 2026-10-24 15:38:02
FB|湖南农业大学符辉教授团队水生植物研究新进展:变暖对三种浮萍动态相互作用的影响

文献信息

论文题目:Warming Effects on Dynamic Interactions of Three Duckweed Species

期      刊:Freshwater Biology

第一作者:周婷(湖南农业大学)

通讯作者:符辉教授(湖南农业大学)

文章链接:https://doi.org/10.1111/fwb.70228

论文概要

本研究以三种浮萍(紫背浮萍(S. polyrhiza)、青萍(L. minor)、无根萍(W. arrhiza))为对象,设置常温(25°C)与升温(35°C)两种温度条件,采用经验动态模型(收敛交叉映射、S-maps)分析种内与种间相互作用类型及强度的变化。结果显示:两种温度下促进作用均占主导。升温引起部分相互作用转变,例如无根萍的种内作用由竞争转为促进,无根萍对青萍的作用由促进转为竞争。升温增强了三物种混合体系中的促进强度,但削弱了随时间的种间相互作用。紫背浮萍的种群稳定性随种间相互作用强度增强而提高,而群落稳定性则下降。研究表明,升温通过改变促进与竞争的动态平衡,重构了浮萍群落的相互作用网络。

研究背景

1.植物种内 / 种间互作决定群落结构与稳定性,气候变暖会显著改变互作动态;胁迫梯度假说(SGH)认为,环境胁迫增强时促进作用占优,温和环境以竞争为主。

2.全球升温影响生物适应性、群落结构与生态系统功能,但升温对水生植物互作的调控机制研究不足。

3.浮萍是小型水生被子植物,是水生生态系统关键初级生产者,研究其互作对气候变暖的响应,对保护水生生态系统具有重要意义。

4.核心科学问题:①温度如何调控浮萍种内 / 种间互作的类型与强度?②温度驱动的互作变化如何影响种群与群落稳定性?

主要实验方法

在本研究中,以多根浮萍、小浮萍、无根浮萍为研究材料,设置25℃(常温)、35℃(升温)两个温度梯度,开展40天室内培养实验。处理组合包括两个温度梯度和三种群落组成:(1)单一物种单培养,初始覆盖面积为1.2 cm²;(2)两种物种混合培养(初始面积均为0.6 cm²);(3)所有物种三重培养(每种初始面积为0.4 cm²)。使用无菌镊子将预培养的浮萍叶片转移至各容器中,确保每个容器的初始接种面积达到1.2 cm²。每个处理设置四个重复,随机分配至生长室,所用容器为完全透明、无盖的塑料矩形容器(长18 cm × 宽13 cm ×高6.5 cm;Hoagland溶液浓度:氮16 mg/L,磷1 mg/L,pH 6.5)。蒸发损失通过自来水进行补充;氮(硝酸钾/硝酸铵)和磷(磷酸一钾)每5天恢复至初始浓度每日测定浮萍覆盖度,每 5天测定水质与叶绿素指标;采用经验动态模型(CCM、S‑maps) 量化种内 / 种间相互作用的类型、强度与时间动态,并用统计方法分析相互作用与种群、群落稳定性的关系。

研究结果

1

随时间变化的种内相互作用

在两种温度条件下,种内相互作用以促进作用为主,25°C 时促进作用占 91.7%,35°C 时达到 100%。唯一的竞争情况出现在常温(25°C)下,无根萍与紫背浮萍双培养体系中(图1-3);升温至 35°C 后,该竞争转变为促进作用。从时间动态看,升温改变了不同物种的种内相互作用强度变化趋势:紫背浮萍在单培养中种内强度随升温先减后增;青萍在单培养中强度下降后趋于稳定;无根萍在单培养中强度稳定后减弱。

在不同混合培养中,各物种对温度的反应表现出明显的不对称性。例如,紫背浮萍与无根萍配对时,升温使紫背浮萍的种内强度先降后稳,而无根萍则先增后稳。在某些混合体系中(如三培养),还观察到种内相互作用在正负之间振荡的现象。

图1. CCM(收敛交叉映射)在浮萍单培养体系中检测到的因果关系.

图2. CCM(收敛交叉映射)在浮萍双培养体系中检测到的因果关系.

图3. CCM(收敛交叉映射)在浮萍三培养体系中检测到的因果关系.

2

随时间变化的种间相互作用

种间相互作用同样以促进作用为主导(25°C 和 35°C 下均为 83.3%)。竞争仅在升温后的无根萍对青萍的作用中出现(占 8.3%)。升温引发了三个关键转变:

1.无根萍 → 青萍:由促进作用转为竞争作用(在双培养和三培养中均出现);

2.紫背浮萍 → 无根萍:由中性作用转为促进作用(仅在三培养中出现);

3.相互作用强度的温度依赖性变化:部分组合在升温下强度增强(如青萍-无根萍对和三混合体系),部分组合则减弱(如紫背浮萍-青萍萍对中的部分方向)。

种间相互作用表现出明显的不对称性和温度敏感性(图4)。例如,在紫背浮萍-无根萍对中,前者的作用强度在常温下减弱、升温下增强,而后者的作用对温度不敏感。在青萍-无根萍对中,相互作用在不同温度下表现出方向依赖的强弱变化,甚至出现频繁的正负交替。

动态种间相互作用强度与浮萍的日覆盖面积(79.6% 的显著相关)和日生长率(67.6% 的显著相关)密切相关,其中负面关联更多出现在与覆盖面积的关系中,正面关联更多出现在与生长率的关系中。

图4. 三种浮萍物种在三重培养条件下随时间变化的种内及种间相互作用.

3

物种间相互作用与系统稳定性之间的关系

种群稳定性在不同物种间存在显著差异(p < 0.001),紫背浮萍的稳定性高于青萍和无根萍(图5)。

紫背浮萍的种群稳定性与种间相互作用强度呈显著正相关(相互作用越强,种群越稳定);青萍和无根萍的种群稳定性与种间相互作用强度无显著相关性;群落稳定性(所有物种总覆盖度的稳定性)与种间相互作用强度呈显著负相关(相互作用越强,群落越不稳定)。这一结果表明,增强的种间相互作用虽然有利于紫背浮萍个体的种群稳定,却会削弱整个浮萍群落的稳定性。

图5. 三种浮萍种群(a:紫背浮萍,b:青萍,c:无根萍)及浮萍群落(d)的种间相互作用与稳定性之间的关系

主要结论

1.浮萍群落中促进作用在常温和升温条件下均普遍存在,但升温会重新配置特定物种间的相互作用类型(中性→促进、促进→竞争)。

2.升温普遍增强相互作用的强度,尤其在多物种混合体系中促进作用显著增强。

3.增强的种间相互作用有利于紫背浮萍的种群稳定,但会降低整体群落的稳定性,揭示了促进作用在种群与群落层面的不同效应。

4.无根萍在升温下表现出适应性竞争策略(如悬浮生长),说明植物可通过生态位调整应对热胁迫。

5.研究强调,温度是调控浮萍相互作用网络的关键因子;未来需识别相互作用类型转变的温度阈值,以预测和管理气候变化下淡水生态系统的韧性与功能。。

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