【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(dòng)力,在世界農(nóng)業(yè)中發(fā)揮了重要作用。然而在其大量使用的同時(shí),部分除草劑通過地上徑流/地下水進(jìn)入河口和淺海生態(tài)系統(tǒng),威脅著非靶標(biāo)植物——海草的健康。尤其是自上個(gè)世紀(jì)以來,氣候變化和人類活動(dòng)脅迫下海草床面積已嚴(yán)重衰退,因此除草劑對海草的威脅更加受到關(guān)注。為保護(hù)我國海草資源,本研究以桑溝灣為主要研究地點(diǎn),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(jìn)行了初步分析;對桑溝灣的除草劑殘留及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)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(yīng),并對高溫下鰻草的代謝響應(yīng)及高溫和除草劑對鰻草的共同作用進(jìn)行了探究。該工作將為我國海草的保護(hù)提供理論依據(jù),從而在管理淺海環(huán)境的相關(guān)法律法規(guī)的制定上保護(hù)海草生態(tài)系統(tǒng)。主要研究結(jié)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(jí)生產(chǎn)力和組織碳含量進(jìn)行了調(diào)查研究,計(jì)算了其初級(jí)生產(chǎn)力固碳;對圍堰池塘中鰻草區(qū)和裸露砂質(zhì)底質(zhì)區(qū)的溫度、溶氧進(jìn)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(jìn)行了對比。結(jié)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(jí)生產(chǎn)力年度內(nèi)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(jí)生產(chǎn)力的固碳貢獻(xiàn)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(zhì)底質(zhì)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(zhì)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(xiàn)最大,約為13-52%,高于底棲硅藻、懸浮顆粒有機(jī)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(xiàn)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(shí)為刺參提供重要的食物來源。2)桑溝灣除草劑生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)行了調(diào)查,結(jié)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(nèi)的趨勢,環(huán)境中初級(jí)生產(chǎn)者面臨的風(fēng)險(xiǎn)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(dá)489.1-701.2 ng l~(-1),風(fēng)險(xiǎn)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(jié)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(jí)生產(chǎn)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?zé)晒鉃橹饕笜?biāo)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(jié)果顯示,濃度為1μg l~(-1)的撲草凈和5μg l~(-1)的阿特拉津?qū)θ毡决牪莓a(chǎn)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(qiáng),同時(shí),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(yīng)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(jìn)行了測定,并利用超高效液相色譜與四級(jí)桿-飛行時(shí)間(Q-TOF)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對其代謝物質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)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(chǎn)物的水平。這說明長期的阿特拉津暴露(10μg l~(-1))會(huì)降低能量供應(yīng)并改變碳氮代謝。阿特拉津誘導(dǎo)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(dú)參與了代謝或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。5)高溫下鰻草的代謝響應(yīng)及高溫和阿特拉津?qū)牪莸墓餐饔醚芯勘砻?0℃及以上的高溫會(huì)影響鰻草的生長,我們將鰻草在高溫下(32℃)進(jìn)行短時(shí)間暴露,測定了以葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΔF/F'm和Fv/Fm表征的光合作用變化,并利用氣相色譜-時(shí)間飛行質(zhì)譜(GC-TOF-MS)對其代謝組的變化進(jìn)行分析;此外將鰻草在6個(gè)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(shù)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(dú)立作用模型(IA)對高溫和阿特拉津的共同作用進(jìn)行了分析。結(jié)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(qiáng)了呼吸作用;多數(shù)糖類和TCA循環(huán)的中間產(chǎn)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(huì)抑制有效量子產(chǎn)量(ΔF/F'm)和最大產(chǎn)量(Fv/Fm)所表征的光系統(tǒng)II(PSII)的光合效率和能量轉(zhuǎn)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(dú)立作用模型的分析發(fā)現(xiàn),光合作用抑制的實(shí)測值和預(yù)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(nèi)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(jìn)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(jìn)行。該池塘水深 0.8-1.8 m，經(jīng)進(jìn)排水口每天納潮與外部海域進(jìn)行水交換，池底為泥砂底質(zhì)，同時(shí)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(jù) 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(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)的植被蓋度測量，計(jì)算得到該圍堰池塘內(nèi)鰻草平均覆蓋度約 60%。圖 2.1 鰻草床碳匯潛力評估取樣點(diǎn)*與圍堰池塘★取樣點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)方法對桑溝灣主要海草分布區(qū)——楮島海域的鰻草初級(jí)生產(chǎn)力、生物量、附著生物量、鰻草組織碳含量進(jìn)行了逐月調(diào)查，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為 2010 年 5 月至 2011 年4 月。鰻草初級(jí)生產(chǎn)力采用扎孔標(biāo)記法進(jìn)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(zhì)底質(zhì)層溶氧比較注：*表示與砂質(zhì)底質(zhì)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(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院海洋研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X171.5

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本文編號(hào)：2652016