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原文信息

1、摘要

随着极端气候事件（大雨）发生频率的增加，重金属的脉冲输入预计将会增大，导致更多受污染和施肥的农田土壤被冲刷到淡水水体中，对湖泊生态系统可能产生不利影响。我们进行了一项为期5个月的中型研究，以阐明沉水植物刺苦草和浮游植物对四种不同剂量的镉（0（对照）、0.05、0.5和5g/m2，分别为CK、I、II和III）的反应。我们发现，其中有三组Cd脉冲处理的总磷浓度较大，而四组处理的总氮浓度没有差异。沉水植物叶片叶绿素a和可溶性糖含量在Ⅲ期下降，总生物量、分株数、株高和匍匐茎总长度在Ⅱ期和Ⅲ期均较低。相反，三种主要浮游植物类群（蓝藻、绿藻和硅藻）的丰度在不同处理间并没有差异。然而，对照处理组的浮游植物总生物量略低于镉处理组。我们的结论是，暴露在强镉脉冲下会显著降低大型植物的生长，而对浮游植物并没有明显的影响。

2、研究背景

众所周知，镉（Cd）对动物和人类具有毒性，因为它会导致肾脏功能障碍并干扰骨代谢。它是一种典型的重金属污染物，不易生物降解，并通过食物链富集。因此，它在环境中不断累积，对公共健康构成潜在威胁。在严重污染的地区，降雨事件可能会向池塘、湖泊或河流产生Cd脉冲。此外，随着暴雨等极端天气事件频率的增加，Cd脉冲的出现可能在未来变得更为常见。然而，到目前为止，这种Cd脉冲的影响还没有得到很好的阐明。在本文中，我们重点研究了镉脉冲对浅水湖泊生态系统的两个主要初级生产者，即沉水植物和浮游植物的影响。沉水植物在通过级联效应调节其他生物和维持清澈状态方面发挥着重要的结构作用。我们用不同剂量的镉进行了为期5个月的中型实验，以评估沉水植物刺苦草和浮游植物的反应。本研究还调查了三种主要的浮游植物类群——蓝藻、绿藻和硅藻。水体初始营养素浓度约为总磷：0.03mg/L，总氮：1mg/L。我们假设强镉脉冲会减少沉水植物和浮游植物的生长。

3、研究方法

（1）实验装置本实验中使用的刺苦草是从中国武汉植物园附近的西梁湖采集的。将三组相似大小的个体（高度约40cm）种植在填充了三分之二冲洗过的河沙的塑料盆中，并在实验前2周放置在约50厘米水深的大型池中预培养。在预培养后，沉水植物被转移到中型池里，水位调整到cm，每个中型池放置三个花盆以获得约30%的覆盖率，这是长江中下游地区典型的中营养状态。6月15日，即转移后3天，对四组加入不同剂量的Cd，分别为0g/m2（对照组），0.05g/m2,0.5g/m2和5g/m2（以下称为CK、I、II和III组），每组五个重复。总共使用了60个盆和个沉水植物个体。实验于年6月至11月进行。（2）取水样为了确定水体化学参数，从6月到11月，每月从水体底部、中部和上部采集三个子样本，并在大型容器中混合。通过分光光度法测量水中的营养物浓度（总氮（TN）和总磷（TP））。（3）植物样品采集在Cd脉冲后第7天和第天，从随机选择的沉水植物个体的茎尖计数取第三片叶片，以测定叶片叶绿素a（Chla）和可溶性糖的含量。在实验结束时，采集植物，通过干重以及分株数、株高、最大根长和总匍匐茎长度测定叶片、匍匐茎和根系的生物量。（4）统计分析统计分析在R3.0.1中进行。对于浮游生物和水化学的月度抽样数据，我们使用重复测量方差分析方法（RM-ANOVA，如表1所示）。当数据不符合方差同质性假设时，进行（1+x）2的对数变换，当违反Mauchly球形检验时，使用Greenhouse-Geisser进行修改。采用单因素方差分析（RM-ANOVA）对试验结束时的沉水植物生物量和形态指标，以及Cd脉冲后第7天和第天的沉水植物生理特性进行分析。

4、研究结果

1、在Cd脉冲之前，所有处理的TP值相似（F=3.14，p0.05），后期，CK处理组低于三个Cd处理组（表1，图1）。在实验结束时TP已降至15μg/L，随时间出现了显著的变化。在四种处理中，TN在1mg/L左右波动，在整个实验过程中各处理之间没有差异，无论是TN还是TP，时间和镉处理之间都没有显著的交互作用（表1，图1）。

2、在Cd脉冲前未测定浮游植物总生物量，但根据单因素方差分析（RM-ANOVA），在Cd脉冲后，三种Cd处理组的浮游植物总生物量略高于对照组（表1，图2）。最初，三种主要浮游植物类群（蓝藻门、绿藻门和硅藻门）的生物量在四种处理之间没有差异，但随着时间的推移发生了显著变化。

在我们的实验中，强镉脉冲显著降低了大型植物的生长和生物量，但在长期（5个月）内对浮游植物生物量的影响微乎其微。这表明，来自极端降雨事件和受污染土壤的镉脉冲可能导致浅水湖泊初级生产者群落优势度的改变。

3、根据我们的预期，我们发现在第7天和第天的Cd处理III组中，刺苦草中的叶绿素含量较低，这分别表明镉对这种沉水植物具有急性和长期毒性作用（图3b）。在Cd脉冲后第7天，刺苦草中的可溶性糖含量约为5mg/g，并且在三种镉处理组中均没有减少（表2，图3a）。但在Cd脉冲后第天，Cd处理III组中的可溶性糖含量约为1mg/g，显著低于其他三个处理组。叶绿素a含量在第7天的Cd处理III组中已经显著下降，在第天没有增加（表2，图3b）。

试验结束时，与对照和Cd处理I组相比，处理II和III组中沉水植物刺苦草的叶、根和匍匐茎的生物量以及总生物量均显著下降（表2，图3h）。此外，CK和Cd处理I组的分株数、株高和匍匐茎总长度均高于处理II和III组（表2，图3c、d、f）。然而，处理III组的根长低于对照和处理I组，这与处理II组没有差异（表2，图3e）。

END

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