【摘要】：近幾十年來除草劑的發(fā)明和使用大大節(jié)約了勞動力,在世界農業(yè)中發(fā)揮了重要作用。然而在其大量使用的同時,部分除草劑通過地上徑流/地下水進入河口和淺海生態(tài)系統(tǒng),威脅著非靶標植物——海草的健康。尤其是自上個世紀以來,氣候變化和人類活動脅迫下海草床面積已嚴重衰退,因此除草劑對海草的威脅更加受到關注。為保護我國海草資源,本研究以桑溝灣為主要研究地點,對海草的生態(tài)功能——固碳、改善環(huán)境及提供食物來源方面進行了初步分析;對桑溝灣的除草劑殘留及其生態(tài)風險進行了評估,對比了殘留濃度較高的除草劑阿特拉津和撲草凈對4種海草的毒性作用,研究了阿特拉津長期暴露下,常見海草——鰻草(Zostera marina L.)的生理、有性繁殖及代謝的響應,并對高溫下鰻草的代謝響應及高溫和除草劑對鰻草的共同作用進行了探究。該工作將為我國海草的保護提供理論依據,從而在管理淺海環(huán)境的相關法律法規(guī)的制定上保護海草生態(tài)系統(tǒng)。主要研究結果如下:1)桑溝灣海草的生態(tài)功能評估對山東桑溝灣楮島海區(qū)鰻草床的生物量、初級生產力和組織碳含量進行了調查研究,計算了其初級生產力固碳;對圍堰池塘中鰻草區(qū)和裸露砂質底質區(qū)的溫度、溶氧進行了比較測定,分析了刺參及其潛在食物源的同位素特征,并與鄰近自然海域草場系統(tǒng)進行了對比。結果顯示,楮島海區(qū)鰻草生物量年度變化為313.5-769.3g DW·m~(-2);初級生產力年度內為2.0-6.4 g DW m~-22 d~(-1);總組織含碳量為35.5%;來自海草初級生產力的固碳貢獻約為543.5 g C m~(-2)yr~(-1)。春夏季鰻草區(qū)底部溫度比裸露砂質底質區(qū)溫度低約0-0.33℃;50-100%的中高蓋度下,海草區(qū)表層溶氧顯著高于裸露底質區(qū);混合模型的分析表明,其食物組成中來自鰻草碎屑的貢獻最大,約為13-52%,高于底棲硅藻、懸浮顆粒有機物SPOM以及附著生物。而鄰近的自然海區(qū)中,來自SPOM和褐藻海蒿子的食物貢獻最大。本研究表明鰻草可以在一定程度上降低夏季池塘底部水溫,增加水體溶氧,同時為刺參提供重要的食物來源。2)桑溝灣除草劑生態(tài)風險評估對桑溝灣表層水及周邊流域表層水中的除草劑阿特拉津殘留進行了調查,結果顯示桑溝灣中有阿特拉津的殘留,周邊河流中除阿特拉津殘留外還發(fā)現(xiàn)了撲草凈的殘留。阿特拉津在桑溝灣的平均殘留濃度為106.3 ng l~(-1),分布趨勢呈現(xiàn)出西南陸地沿岸高于灣內的趨勢,環(huán)境中初級生產者面臨的風險指數(shù)為0.081,但周邊淡水流域中阿特拉津濃度較高,最高值可達489.1-701.2 ng l~(-1),風險熵為0.49-0.70。由于桑溝灣是我國重要的海水養(yǎng)殖海灣和海草分布的重要海灣,研究結果表明,需要防范阿特拉津和其他環(huán)境因子共同作用對初級生產者或養(yǎng)殖生物帶來的威脅。3)特拉津和撲草凈對桑溝灣四種海草的急性毒性比較以葉綠素熒光為主要指標測定桑溝灣及周邊河流中檢出的除草劑阿特拉津和撲草凈的低、中、高(1μg l~(-1)、5μg l~(-1)和25μg l~(-1))濃度對四種常見海草:鰻草(Z.marina L.)、叢生鰻草(Z.caespitosa M.)、日本鰻草(Z.japonica Aschers.Graebn.)、紅須根蝦形藻(Phyllospadix iwatensis M.)的光合抑制。結果顯示,濃度為1μg l~(-1)的撲草凈和5μg l~(-1)的阿特拉津對日本鰻草產生了顯著的光合抑制,抑制率約為7.54%-12.97%;鰻草、叢生鰻草和紅須根蝦形藻的撲草凈和阿特拉津的顯著作用濃度為5μg l~(-1),相同濃度下,撲草凈的光合抑制較阿特拉津更強,同時,日本鰻草對除草劑的作用更為敏感。4)阿特拉津長期暴露下鰻草生理、有性繁殖及代謝的響應我們將處于有性繁殖過程中的鰻草暴露于阿特拉津(1,3和10μg l~(-1))中30天,對其光合生理、色素含量及生長進行了測定,并利用超高效液相色譜與四級桿-飛行時間(Q-TOF)質譜聯(lián)用技術對其代謝物質進行了分析。結果發(fā)現(xiàn),3和10μg l~(-1)阿特拉津顯著抑制光合效率(ΔF/F'm和Fv/Fm),但并不影響鰻草的有性繁殖能力(即子房數(shù)量)。阿特拉津的長期作用改變了鰻草組織氮含量和C:N比,降低了糖和三羧酸循環(huán)(TCA)中間產物的水平。這說明長期的阿特拉津暴露(10μg l~(-1))會降低能量供應并改變碳氮代謝。阿特拉津誘導了γ-氨基丁酸(GABA)和1-氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)含量的升高,它們可能共同/單獨參與了代謝或信號轉導過程。5)高溫下鰻草的代謝響應及高溫和阿特拉津對鰻草的共同作用研究表明30℃及以上的高溫會影響鰻草的生長,我們將鰻草在高溫下(32℃)進行短時間暴露,測定了以葉綠素熒光參數(shù)ΔF/F'm和Fv/Fm表征的光合作用變化,并利用氣相色譜-時間飛行質譜(GC-TOF-MS)對其代謝組的變化進行分析;此外將鰻草在6個溫度梯度下(15-32℃)暴露于3組(0,3和10μg l~(-1))濃度的阿特拉津中7天,在此期間使用熒光技術評估了鰻草光合效率的變化情況,測定了光合色素和葉片生長速率,并利用獨立作用模型(IA)對高溫和阿特拉津的共同作用進行了分析。結果表明,1):32℃的短期暴露下鰻草的光合生理和代謝發(fā)生了改變,高溫抑制了光合作用,增強了呼吸作用;多數(shù)糖類和TCA循環(huán)的中間產物含量降低;高溫還使得鰻草硬脂酸和亞油酸含量的降低。2):阿特拉津和30℃以上的溫度都會抑制有效量子產量(ΔF/F'm)和最大產量(Fv/Fm)所表征的光系統(tǒng)II(PSII)的光合效率和能量轉換潛力,高溫(31℃和32℃)還降低了葉綠素含量,抑制了葉片的生長。獨立作用模型的分析發(fā)現(xiàn),光合作用抑制的實測值和預測值之間一致,表明高溫和阿特拉津的共同作用比單一壓力對鰻草的危害更大。
【圖文】：

桑溝灣位于山東北部，灣內主要海草分布情況如圖2.1 所示，集中在八河港海域與楮島海域，八河港海域海草種類主要為鰻草和日本鰻草，其中鰻草為優(yōu)勢種；楮島海域海草種類為鰻草、叢生鰻草和紅纖維蝦形草，其中以叢生鰻草和鰻草兩種的生物量最大。海草固碳潛力的評估在楮島海區(qū)鰻草自然分布區(qū)進行（E 122°34'04“，N37°02'32”）（圖 2.1）。海草對環(huán)境的改善及提供食物源等生態(tài)功能的評估主要在自然分布區(qū)鄰近的一處海參圍堰池塘（37°02′06″N，122°32′46″E）（圖 2.1）中進行。該池塘水深 0.8-1.8 m，經進排水口每天納潮與外部海域進行水交換，池底為泥砂底質，同時有建池初所投石塊，約覆蓋池塘 10-20%的面積。自然生長起來的鰻草覆蓋池塘的大部分面積，形成草場，據 Norris et al.（1997）及陳祖剛 等（2014）的方法，利用拍攝數(shù)碼照片，，與圖像處理軟件進行自動或半自動的植被蓋度測量，計算得到該圍堰池塘內鰻草平均覆蓋度約 60%。圖 2.1 鰻草床碳匯潛力評估取樣點*與圍堰池塘★取樣點。田格狀為海草床區(qū)域。Fig. 2.1 Sampling site for eelgrass bed carbon sink * in and eelgrass pond★ in SanggouBay. Grid area show the seagrass beds in the bay.2.2.2 桑溝灣海草床碳匯潛力評估實驗方法對桑溝灣主要海草分布區(qū)——楮島海域的鰻草初級生產力、生物量、附著生物量、鰻草組織碳含量進行了逐月調查，實驗持續(xù)時間為 2010 年 5 月至 2011 年4 月。鰻草初級生產力采用扎孔標記法進行（Kentula and McIntire

.5 不同蓋度鰻草區(qū)（A：0-25%，B：~50%，C：75-100%）與鄰近砂質底質層溶氧比較注：*表示與砂質底質區(qū)差異顯著. 2.5 The bottom dissolved oxygen of different eelgrass coverageage and adjacentsandflat（A：0-25%，B：~50%，C：75-100%）Note: * means significant difference from adjacent sandflat
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院海洋研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X171.5

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本文編號：2652016