洱海沉水植物磷化学计量稳态及其与种间互作和群落稳定性的关联研究

作者及机构
本研究由云南大学生态与环境科学学院及云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室的Ling Jin、Qihang Wu、Changqun Duan、Ying Pan（通讯作者）团队主导，联合丹麦奥胡斯大学（Aarhus University）的Torben L. Lauridsen等多名学者合作完成，成果发表于2024年4月的《Water Research》期刊（Volume 256, 121575）。

学术背景
研究聚焦淡水生态系统的富营养化问题，探讨沉水植物群落稳定性丧失的驱动机制。全球湖泊富营养化加剧导致沉水植物衰退，进而引发“稳态转换”（regime shift）——从清水态（沉水植物主导）向浊水态（浮游植物主导）的不可逆转变。传统研究多关注环境因子对群落的直接影响，而本研究创新性地从生态化学计量稳态（stoichiometric homeostasis, H）理论出发，提出富营养化通过改变沉水植物种间竞争关系（高H vs. 低H物种），最终降低群落稳定性。

研究流程与方法
1. 研究区域与设计
- 地点：中国云南洱海（Erhai Lake），选取东沙湾、海潮湾、向阳湾3个典型区域，设置81个采样点（水深1/3/5米各9点），历时3年（2019–2021年）进行7次采样。
- 对象：13种沉水植物中筛选6种优势种（如Potamogeton maackianus高Hp物种，Ceratophyllum demersum低Hp物种），共分析567个样本（含451个优势群落样本）。

1. 实验方法

   • 采样与测定：
     
     • 水体/沉积物：采集水体和沉积物，测定总氮（TN）、总磷（TP）浓度（H2SO4–H2O2消化-比色法）。
       
     • 植物：测定生物量、组织N/P含量，计算物种优势度（相对生物量占比）和稳定性（生物量均值/标准差）。
       
   • 稳态系数（H）计算：基于沉积物P与植物P含量的对数回归模型（log(y) = (1/H) × log(x) + log©），将物种按Hp值分为高H（>2）和低H（）组。
     
   • 群落分析：计算群落Hp（各物种Hp的加权平均值）及稳定性，构建结构方程模型（SEM）分析环境P、种间竞争与群落稳定性的关系。
     

2. 数据分析

   • 采用广义线性模型（GLM）检验参数差异，R语言（4.1.2）进行统计分析与SEM建模。
     

主要结果
1. 物种Hp差异与群落动态
- 6种优势沉水植物的Hp值介于1.58（Myriophyllum spicatum）至2.94（P. maackianus），其中P. maackianus和Vallisneria natans为高Hp物种。
- 相关性：物种Hp与其优势度（R²=0.742）、稳定性（R²=0.739）显著正相关；群落Hp越高，稳定性越强（R²=0.266）。

1. 富营养化驱动种间竞争转变

   • P. maackianus（高Hp）：随水体TP升高，优势度下降（2021年较2019年降低47.10%）。
     
   • C. demersum（低Hp）：优势度显著增加（2021年增长173.91%），导致相对优势比（RDR）下降46%。
     
   • 机制：低Hp物种在富营养环境中快速吸收P，生长优势压制高Hp物种（SEM显示沉积物TP负向影响RDR和群落Hp）。
     

2. 群落稳定性丧失

   • 高Hp物种减少导致群落Hp降低，进而削弱稳定性（R²=0.337）。SEM揭示环境P→沉积物P→RDR↓→群落Hp↓→稳定性↓的级联效应。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次通过野外长期观测验证Hp理论在沉水植物群落动态中的作用，揭示富营养化通过“Hp筛选”改变种间竞争，是稳态转换的关键机制。
- 提出“高Hp物种维持群落稳定性”的新观点，为湖泊修复中物种选择（如优先保护P. maackianus）提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 洱海正处于浊水态早期，研究预警群落Hp下降可能加速藻华暴发，建议通过控制外源P输入和人工恢复高Hp物种延缓生态退化。
     

研究亮点
1. 方法创新：结合野外追踪与SEM模型，量化Hp对种间竞争的调控路径。
2. 发现新颖：揭示低Hp物种（如C. demersum）在富营养化中的“生态机会主义者”角色。
3. 跨尺度关联：从化学计量稳态（分子）到群落稳定性（生态系统）构建完整证据链。

其他价值
研究强调湖泊管理需关注“隐性”功能性状（如Hp），而不仅是物种多样性，为全球富营养化湖泊的恢复策略提供新思路。