水生高等植物对异质水域环境的表型适应和遗传分化

水生高等植物的许多物种具有广泛的地理分布范围，能适应中国广大地理范围内水域环境差别较大的湖泊生境。本项目已在云贵高原、长江中下游平原、华北平原的多个湖泊中开展了野外考察和水生植物样品采集工作，并对样品进行了遗传分析，结合同质园种植试验，探讨了水生高等植物对湖泊环境的适应表现。遗传分析发现广布在异质水域的沉水植物穗花狐尾藻和浮叶植物荇菜的遗传变异主要存在于湖泊居群间（≥79%），而居群内的遗传变异所占比例很小；荇菜居群间的遗传距离与地理距离有较大的相关性，而穗花狐尾藻则不然。同质园种植试验结果发现不同物种表现出了对携带泥沙的洪水、频繁的机械损伤和水位波动、底泥类型改变具有不同的适应能力。研究结果暗示虽然水生高等植物广布种对异质水域环境有较强的适应能力，但高强度的人为干扰使湖泊中的水生植物正在经历环境的改变，物种间适应能力的差异可能改变水生植物的群落组成。

水生高等植物普遍具有比陆生植物更广的地理分布范围，在不同气候带形成跨带和隔带分布现象，表现出对异质水域环境不同的适应能力。中国是世界上唯一有从热带-温带-寒带连续广阔气候带的国家，并具有独特的三级阶梯地势，不同自然地理区水体性质分异很大。水生植物的演化常有极其不同的遗传和生态背景，在由陆生被子植物进化而来的过程中形成了四种生活型，在每种生活型中都有广布在中国南北各水体的物种，这为研究它们对异质水域的适应进化机制提供了天然的实验场所。本项目拟以广布在中国地势三阶梯的水生高等植物为材料，利用野外调查、同质园种植试验和DNA指纹分析研究表型可塑性和遗传变异对水生植物广布种在不同水生生境中的表型变异的相对贡献，并结合地史演变探讨各物种的扩散路线。本研究有望揭示水生植物的进化过程及水生植物在中国地势三阶梯的地理分布格局的成因，这对进一步揭示东亚被子植物的起源、地理分布格局及成因有十分重要的科学意义。

三峡库区消落带适生植物筛选中尤以适生木本植物难选。原因是该区域不仅存在反季节水淹问题，还存在土壤、夏季干旱频繁等高度异质化生境问题。 ①木本植物对三种典型的库区消落带土壤的响应及适应性 消落带三种土壤类型中，种植在石灰性黄壤上的几种木本植物生长受阻，植株矮小，夏季干旱常出现萎蔫症状，导致长势弱，死亡率高（24%~56%），植株的平均株高、地径、生物量只相当于种植在紫色土、潮土上植株的20%~30%左右，对冬季水淹十分敏感，成活率均在10%以下（其余2种土壤平均成活率>50%）。可见，消落带土壤类型是影响木本植物存活及生长的关键因子。 ②三峡库区消落带土壤理化性质动态 消落带上种植木本植物后，能逐渐改善消落带土壤理化性质，2017年与2014年相比部分指标趋于好转，但短期内对土壤整体质量的改善效果有限。同时，各消落带土壤理化指标与水位高程间无明显梯度关系，175m水位高程（库区水位调度上限）的土壤结构性质比170m和178m水位高程更不稳定。 ③木本植物对三峡库区夏季干旱的响应及适应性 在同一土壤类型上对消落带夏季干旱的适应性（成活率 生物量）为桑树>水桦>落羽杉>秋华柳>池杉>水松>中华蚊母。 ④木本植物对三峡库区消落带冬季水淹的响应及适应性 水淹时间长短是影响木本植物成活率及生长的又一关键生态因子。 即使是在消落带适生性较强的桑树、水桦和落羽杉，在173米高程以下（水淹时间两到四个月左右），成活率也较低：桑树41%、落羽杉45%，水桦60%，且生长发育较173米高程以上差。其余树种仅在174米以上能存活，但成活率均在10%以下。 本试验初步筛选出落羽杉、桑树、水桦3种木本植物（170米~175米高程种植4年后的平均成活率分别为54%、63%、78%），兼具耐干旱和水淹特性（其中水桦、桑树主要是通过形态和生理适应，而落羽杉则主要是生理适应），可以作为消落带170米以上高程紫色土、潮土植被恢复树种，有助于构建消落带上乔灌草稳定植物群落，有助于保水固土、消浪护岸，进而保护和恢复消落带生态环境。

三峡库区大面积消落带及其脆弱的生态环境已经成为当地政府和国家关注的重大问题。对消落带和河岸带受损生态系统进行植物生态修复是非常有效的治理途径之一，而植物生态修复的首要问题是目标植物的筛选。对消落带植被恢复物种选择,目前绝大多数研究集中在植物耐反季节水淹方面, 即筛选适应长期、完全、深水淹没植物。然而，大量研究和实践证明，三峡库区消落带植被恢复尤其木本植物极其困难。究其原因，库区消落带不仅存在反季节水淹问题，还存在复杂的地质地貌以及自然干旱频繁等高度异质化生境问题。不同的植物对生境要求有所不同，尤其土壤是植被生存的基础。因此，本研究针对三峡库区异质生境，综合以往的研究，以木本植物为实验材料，依据适地适树原则，通过长期观察、比较研究一些木本植物对消落带生境变化的响应和适应性，探明消落带生境（尤其土壤理化性质）变化规律及适生植物的生长、生理生态适应机理，为三峡库区消落带植被恢复提供科学参考。