Οι επιδράσεις της θέρμανσης στην κοινότητα Periphyton και η αφθονία σε διαφορετικές εποχές επηρεάζονται από τη θρεπτική κατάσταση και τον τύπο φυτού: A Shallow Lake Mesocosm Study
- 1 Institute of Environmental and Ecological Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou, China
- 2 Key Laboratory of Aquatic Botany and Watershed Ecology, Wuhan Botanical Garden, China Academy of Sciences, Wuhan, China
- 3 Βασικό Εργαστήριο της Επαρχιακής Επαρχίας Γκουανγκντόνγκ για τη βελτίωση της ποιότητας του νερού και την οικολογική αποκατάσταση για λεκάνες απορροής, Ινστιτούτο Περιβαλλοντικής και Οικολογικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Γκουανγκντόνγκ, Γκουανγκζού, Κίνα
- 4 Τμήμα Βιοεπιστημών, Πανεπιστήμιο Aarhus, Aarhus, Δανία
- 5 Wuhan Planning amp; Design Co., Ltd., Wuhan, Κίνα
- 6 Ινστιτούτο Επιστημών Αλιείας, Εθνικό Πανεπιστήμιο Chonnam, Yeosu, Νότια Κορέα
- 7 Σινο-Δανικό Κέντρο Εκπαίδευσης και Έρευνας, Πανεπιστήμιο Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, Πεκίνο, Κίνα
- 8 Εργαστήριο Λιμνολογίας, Τμήμα Βιολογικών Επιστημών και Κέντρο Έρευνας και Εφαρμογής Οικοσυστημάτων, Τεχνικό Πανεπιστήμιο Μέσης Ανατολής, Άγκυρα, Τουρκία
Το Periphyton διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες των οικοσυστημάτων των λιμνών, ειδικά σε χαμηλά και ενδιάμεσα επίπεδα θρεπτικών συστατικών όπου η συμβολή του περιφύτων στην πρωτογενή παραγωγή μπορεί να είναι παρόμοια ή να υπερβαίνει αυτή του φυτοπλαγκτού. Επομένως, η γνώση του τρόπου με τον οποίο το περιφύτον ανταποκρίνεται σε βασικούς παράγοντες όπως η κλιματική αλλαγή και ο εμπλουτισμός θρεπτικών συστατικών είναι ζωτικής σημασίας. Διεξάγαμε μια σειρά πειραμάτων μεσόκοσμου σε τέσσερις εποχές για να διασαφηνίσουμε τις αποκρίσεις των κοινοτήτων περιφυτών σε θρεπτικά συστατικά (χαμηλή και υψηλή, TN-0,33 mg L –1 TP-7,1 μg L –1 και TN-2,40 mg L –1 TP-165 μg L –1, αντίστοιχα), θερμοκρασία (περιβάλλον, σενάριο IPCC A2 και A2 50%) και τύπο φυτού (δύο βυθισμένα μακρόφυτα με διαφορετική μορφολογική δομική πολυπλοκότητα: Potamogeton crispus και Elodea canadensis, και οι αντίστοιχες πλαστικές απομιμήσεις τους με παρόμοιο μέγεθος και δομή). Διαπιστώσαμε μια αξιοσημείωτη εποχικότητα στην αφθονία και τη σύνθεση του περιφύτου. Την άνοιξη και το καλοκαίρι, η αφθονία των περιφυτών ήταν σημαντικά υψηλότερη στην κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού από ό,τι στην κατάσταση διαυγούς-χαμηλών θρεπτικών συστατικών και το καλοκαίρι ήταν σημαντικά υψηλότερη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από ό,τι στο κλίμα A2 και A2 50%. Αντίθετα, η αφθονία των περιφυτών το φθινόπωρο και το χειμώνα δεν επηρεάστηκε από τα θρεπτικά συστατικά και τη θερμοκρασία, αλλά ήταν σημαντικά υψηλότερη σε φυτά με πιο σύνθετη μορφολογική δομή από τα απλά. Η σύνθεση του γένους του περιφυτώνου επηρεάστηκε σημαντικά από τις αλληλεπιδράσεις θρεπτικών ουσιών-θερμοκρασίας σε όλες τις εποχές και από τον τύπο του φυτού το χειμώνα. Επιπλέον, η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου παρουσίασε αξιοσημείωτη εποχιακή αλλαγή και ανταποκρίθηκε έντονα στον εμπλουτισμό των θρεπτικών συστατικών και στην άνοδο της θερμοκρασίας την άνοιξη, το καλοκαίρι και το φθινόπωρο. Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η επίδραση της θέρμανσης στην αφθονία και τη σύνθεση των περιφυτών στις διαφορετικές εποχές ποικίλλει ανάλογα με τη θρεπτική κατάσταση και τον τύπο του φυτού ξενιστή σε αυτούς τους μεσόκοσμους, και παρόμοια αποτελέσματα ενδέχεται να βρεθούν σε συνθήκες αγρού.
Εισαγωγή
Το Periphyton παίζει σημαντικό λειτουργικό ρόλο στους κύκλους των θρεπτικών συστατικών της λίμνης και στους τροφικούς ιστούς, ειδικά σε χαμηλά και ενδιάμεσα επίπεδα θρεπτικών συστατικών (Stevenson et al., 1996; McCormick and Stevenson, 1998; Vadeboncoeur and Steinman, 2002). Η συμβολή του περιφυτονίου (στα φυτά ή στον πυθμένα της λίμνης) στην πρωτογενή παραγωγή σε ρηχές λίμνες κυμαίνεται από 99% έως λιγότερο από 1% κατά μήκος μιας βαθμίδας ευτροφισμού (Vadeboncoeur and Steinman, 2002· Vadeboncoeur et al., 2003). Το Periphyton είναι ευαίσθητο και ανταποκρίνεται προβλέψιμα και γρήγορα στις περιβαλλοντικές αλλαγές, οι τελευταίες λόγω του υψηλού ποσοστού κύκλου εργασιών (McCormick and Stevenson, 1998· Schneider et al., 2012· DeNicola and Kelly, 2014). Πολλαπλές μελέτες έχουν δείξει ότι το περίφυτο είναι ένας ισχυρός δείκτης περιβαλλοντικής κατάστασης και επομένως χρήσιμος στην οικολογική αξιολόγηση και διαχείριση,
Τα θρεπτικά συστατικά και η θερμοκρασία είναι από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που οδηγούν τις βιολογικές διεργασίες και περιορίζουν την πρωτογενή παραγωγή ρηχών λιμνών σε παγκόσμια κλίμακα (Falkowski et al., 1998· Behrenfeld et al., 2005· Elser et al., 2007). Η ανάπτυξη των περιφυτών σε ρηχές λίμνες συχνά περιορίζεται από τη διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών (Hillebrand and Kahlert, 2001· Maberly et al., 2002· Lange et al., 2011· Hogan et al., 2014). Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι ο εμπλουτισμός με άζωτο και φώσφορο συσχετίζεται στενά με την αύξηση της βιομάζας περιφυτονίων και την αλλαγή στη σύνθεση της κοινότητας των περιφυτών (Welch et al., 1992; Chetelat et al., 1999; Dodds et al., 2002; Wyatt. al., 2010· Gudmundsdottir et al., 2011). Η θέρμανση του κλίματος αναμένεται να επηρεάσει την παραγωγή και τη σύνθεση τόσο των περιφυτικών όσο και των πλαγκτονικών φυκών μέσω της άμεσης επίδρασής της στις φυσικές ιδιότητες της στήλης νερού (Smol et al., 2005; Jeppesen et al., 2009, 2011; Rühland et al., 2015) και έμμεσα από την επίδρασή τους στη διαθεσιμότητα φωτός και στα επίπεδα θρεπτικών συστατικών στις λίμνες (Salmaso, 2005; Winder and Hunter, 2008; Rühland et al., 2015). Ωστόσο, το πώς το περίφυτο επηρεάζεται από την υπερθέρμανση του πλανήτη συζητείται (Mahdy et al., 2015). Μερικές μελέτες έχουν δείξει ότι η θέρμανση σε συνδυασμό με την προσθήκη θρεπτικών ουσιών μεταβάλλει τις επιδράσεις της θερμοκρασίας στο περιφύτον, υποδηλώνοντας πολύπλοκες διαδραστικές επιδράσεις θρεπτικών συστατικών και θερμοκρασίας (Trochine et al., 2014; Piggott et al., 2015). 2015) και έμμεσα από την επίδρασή τους στη διαθεσιμότητα φωτός και στα επίπεδα θρεπτικών συστατικών στις λίμνες (Salmaso, 2005; Winder and Hunter, 2008; Rühland et al., 2015). Ωστόσο, το πώς το περίφυτο επηρεάζεται από την υπερθέρμανση του πλανήτη συζητείται (Mahdy et al., 2015). Μερικές μελέτες έχουν δείξει ότι η θέρμανση σε συνδυασμό με την προσθήκη θρεπτικών ουσιών μεταβάλλει τις επιδράσεις της θερμοκρασίας στο περιφύτον, υποδηλώνοντας πολύπλοκες διαδραστικές επιδράσεις θρεπτικών συστατικών και θερμοκρασίας (Trochine et al., 2014; Piggott et al., 2015). 2015) και έμμεσα από την επίδρασή τους στη διαθεσιμότητα φωτός και στα επίπεδα θρεπτικών συστατικών στις λίμνες (Salmaso, 2005; Winder and Hunter, 2008; Rühland et al., 2015). Ωστόσο, το πώς το περίφυτο επηρεάζεται από την υπερθέρμανση του πλανήτη συζητείται (Mahdy et al., 2015). Μερικές μελέτες έχουν δείξει ότι η θέρμανση σε συνδυασμό με την προσθήκη θρεπτικών ουσιών μεταβάλλει τις επιδράσεις της θερμοκρασίας στο περιφύτον, υποδηλώνοντας πολύπλοκες διαδραστικές επιδράσεις θρεπτικών συστατικών και θερμοκρασίας (Trochine et al., 2014; Piggott et al., 2015).
Η πολυπλοκότητα της δομής του οικοτόπου, που εδώ εκφράζεται ως η αρχιτεκτονική και τα μορφολογικά χαρακτηριστικά του ξενιστή που παρέχει θέσεις προσκόλλησης για το περίφυτο, μπορεί να επηρεάσει την εγκατάσταση και την ανάπτυξη του περιφύτου (Morin, 1986; Gosselain et al., 2005; Casartelli and Ferragut, 2018). Πολυάριθμες μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι η υψηλή πολυπλοκότητα της δομής του οικοτόπου οδηγεί σε υψηλή βιομάζα περιφυτών (Ferreiro et al., 2013; Pettit et al., 2016; Hao et al., 2017; Casartelli and Ferragut, 2018) και επηρεάζει σημαντικά την ταξινομική σύνθεση του περίφυτο προσκολλημένο στην επιφάνειά του (Blindow, 1987; Tunca et al., 2014; Hao et al., 2017). Οι Hao et al. (2017) μελέτησαν κοινότητες περιφύτων σε φυσικά και τεχνητά μακρόφυτα (πλαστικές απομιμήσεις παρόμοιου μεγέθους και μορφολογίας με τα πραγματικά φυτά) με αντίθετες μορφολογικές δομές κατά τη διάρκεια του χειμώνα και διαπίστωσαν ότι παρόλο που η σύνθεση του περιφυτονίου διέφερε σημαντικά μεταξύ των φυσικών και τεχνητών μακρόφυτων, η χλωροφύλλη α ( Chla) συσχετίστηκε θετικά με τη δομική τους πολυπλοκότητα. Ωστόσο, είναι ανοιχτό το ερώτημα εάν το περίφυτο ανταποκρίνεται με παρόμοιο τρόπο στη δομική πολυπλοκότητα των φυσικών/τεχνητών μακρόφυτων σε άλλες εποχές. Από την άλλη πλευρά, η πολυπλοκότητα του οικοτόπου είναι μια κινητήρια δύναμη που καθορίζει τις αλληλεπιδράσεις καταναλωτή-πόρων (Taniguchi et al., 2003), καθώς η υψηλότερη πολυπλοκότητα του οικοτόπου παρεμποδίζει την κινητικότητα των φυτοφάγων και αυξάνει την προστασία των φυκών (Finke and Denno, 2002; Warfe and Barmuta, 2004). μειώνοντας έτσι τα ποσοστά βόσκησης των φυτοφάγων στο περίφυτο. Δεδομένου ότι η εποχιακή διακύμανση της θερμοκρασίας σχετίζεται με τη δυναμική των αβιοτικών και βιοτικών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της σύστασης φυκών και των αλληλεπιδράσεων φυτοφάγου-περιφυτόνου, το περίφυτο μπορεί να ανταποκρίνεται διαφορετικά στη δομική πολυπλοκότητα στις διάφορες εποχές (Rhee and Gotham, 1981; Hill et al., 2001).
Μελετήσαμε παραλλαγές στην ανάπτυξη βιομάζας και τη σύνθεση του περιφύτου κατά τη διάρκεια τεσσάρων εποχών σε μια υπάρχουσα εγκατάσταση μεσόκοσμου που λειτουργεί από το 2003 (Liboriussen et al., 2005) με δύο επίπεδα θρεπτικών συστατικών (χαμηλά και υψηλά) που διασταυρώνονται με τρεις θερμοκρασίες (περιβάλλον, IPCC Σενάριο Α2 και Α2 50%), και στη μελέτη μας συμπληρώθηκε με τέσσερις τύπους φυτών (δύο βυθισμένα μακρόφυτα με διαφορετική μορφολογική δομική πολυπλοκότητα: Potamogeton crispus και Elodea canadensis και τις αντίστοιχες πλαστικές απομιμήσεις τους με παρόμοιο μέγεθος και δομή). Υποθέσαμε ότι η βιομάζα και η σύνθεση του περιφυτώνου θα επηρεαζόταν έντονα από την αυξημένη θερμοκρασία και τον εμπλουτισμό θρεπτικών συστατικών στις καλλιεργητικές περιόδους όπου ο ρυθμός ανάπτυξης των φυκών είναι υψηλός,
Υλικά και μέθοδοι
Ίδρυση Mesocosm
Το σύστημα μεσόκοσμου που χρησιμοποιήσαμε βρίσκεται στην Κεντρική Γιουτλάνδη της Δανίας (56°140Β, 9°310Α) και περιλαμβάνει 24 πειραματικές δεξαμενές, η καθεμία έχει βάθος 1 m και διάμετρο 1,9 m (Συμπληρωματικό Σχήμα S1). Οι μεσόκοσμοι είναι εξοπλισμένοι με σύστημα ροής. Τα υπόγεια ύδατα προστίθενται αυτόματα κάθε έκτη ώρα και το πλεονάζον επιφανειακό νερό απομακρύνεται με σωλήνα υπερχείλισης (Συμπληρωματικό Σχήμα S1). Έχουν σχεδιαστεί για να προσομοιώνουν ταυτόχρονα τις επιπτώσεις της θέρμανσης σε λίμνες χαμηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά (διαυγής κατάσταση) και εμπλουτισμένες (θολές) λίμνες, οι οποίες λειτουργούν συνεχώς από τον Αύγουστο του 2003 (Liboriussen et al., 2005).
Ένας παραγοντικός σχεδιασμός που αποτελείται από τρία σενάρια θερμοκρασίας και δύο επίπεδα θρεπτικών συστατικών (έξι μπλοκ συνολικά) εφαρμόζεται στους μεσόκοσμους, το καθένα με τέσσερα αντίγραφα. Από τους 24 μεσόκοσμους, 8 είναι μη θερμαινόμενοι (Ambient, AMB), ενώ 8 θερμαίνονται σύμφωνα με το κλιματικό σενάριο IPCC A2 (θέρμανση, W) και 8 σύμφωνα με A2 50% (ενισχυμένη θέρμανση, EW). Η αύξηση της θερμοκρασίας στο σενάριο Α2 υπολογίστηκε ως η μέση θερμοκρασία αέρα σε έναν συγκεκριμένο μήνα με αναφορά στην περίοδο 1961 έως το 1990 και η θερμοκρασία τον ίδιο μήνα το 2017 έως το 2100 σύμφωνα με το κλιματικό μοντέλο IPCC A2, οι τιμές είναι 2,74°C τον Μάιο, 3,84°C τον Αύγουστο, 3,76°C τον Νοέμβριο και 2,76°C τον Φεβρουάριο (Liboriussen et al., 2005). Η θέρμανση ελέγχεται με ηλεκτρική ενέργεια, ενώ η θερμοκρασία σε AMB χρησιμοποιείται ως αναφορά.
Κάθε επίπεδο θερμοκρασίας διασταυρώνεται με δύο επίπεδα θρεπτικών συστατικών. Σε αυτό το πείραμα, οι μέσες συγκεντρώσεις θρεπτικών συστατικών ήταν TN-0,33 mg L –1 και TP-7,1 μg L –1 στη διαυγή κατάσταση και TN-2,40 mg L –1 και TP-165 μg L –1 στη θολό κατάσταση. Δεν προστίθενται επιπρόσθετα θρεπτικά συστατικά στους μεσόκοσμους καθαρής κατάστασης με χαμηλά επίπεδα θρεπτικών συστατικών, ενώ θρεπτικά συστατικά προστίθενται στους μεσόκοσμους θολής κατάστασης για να διατηρηθεί σταθερή φόρτιση 27,1 mg N m –2 ημέρα –1 και 7 mg P m –2 ημέρα –1. Η προσθήκη θρεπτικών ουσιών ξεκίνησε τον Μάιο του 2003 όταν δημιουργήθηκαν κοινότητες γλυκού νερού στους μεσόκοσμους, ενώ η θέρμανση ξεκίνησε τον Αύγουστο του 2003 όταν οι βυθισμένες κλίνες μακρόφυτων κυριάρχησαν στους μη εμπλουτισμένους μεσόκοσμους και το φυτοπλαγκτόν ή τα νηματώδη φύκια κυριαρχούσαν στους εμπλουτισμένους μεσόκοσμους. Τα βυθισμένα μακρόφυτα, κυρίως το Elodea canadensis και το Potamogeton crispus, εμφανίστηκαν φυσικά στους περισσότερους διαυγείς μεσόκοσμους, ενώ αραιοί βλαστοί αυτών των ειδών εμφανίστηκαν μόνο σε λίγους από τους θολούς μεσόκοσμους. Περισσότερες λεπτομέρειες του πειραματικού σχεδιασμού και της διάταξης περιγράφονται στο Liboriussen et al. (2005).
Πειραματικό σχέδιο
Η μελέτη μας διεξήχθη στους μεσόκοσμους που περιγράφηκαν παραπάνω, οι οποίοι λειτουργούσαν για 15 χρόνια όταν διεξήχθη το πείραμά μας. Οι μικροοργανισμοί στους μεσόκοσμους μπορεί να είχαν εξελιχθεί και προσαρμοστεί στην τρέχουσα κατάσταση κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου, γεγονός που καθιστά το πείραμα πιο ρεαλιστικό από ό,τι αν η μελέτη διεξαγόταν στον μεσόκοσμο που είχε μόλις καθιερωθεί, όπως συμβαίνει συχνά. Το πείραμά μας σχεδιάστηκε για να ελέγξει τις αποκρίσεις του περιφυτονίου σε θρεπτικά συστατικά, θερμοκρασία και τύπο υποστρώματος. Επιλέχθηκαν τέσσερις τύποι υποστρώματος για καλλιέργεια περιφυτών: τα βυθισμένα μακρόφυτα P. crispus και E. canadensis (εφεξής καλούμενα φυσικό P. crispus και φυσικό E. canadensis) και οι αντίστοιχες πλαστικές απομιμήσεις τους με παρόμοιο μέγεθος και δομή (εφεξής τεχνητό P. crispus και τεχνητό Ε. canadensis). P. crispus και E. canadensis έχουν μια πολύ διαφορετική ιστορία ζωής και μορφολογική δομή. Το υδρόβιο μονοκοτυλήδονο φυτό P. crispus έχει διακλαδούμενο μίσχο, λωρίδες φύλλα (μήκος 1,9 cm, πλάτος 0,6 cm), που βλασταίνει το χειμώνα και ανθίζει το καλοκαίρι. Το E. canadensis έχει λεπτούς διακλαδισμένους μίσχους, φύλλα (μήκος 3–8 cm, πλάτος 0,6–1 cm) σε στρόβιλους των 3 χωρίς μίσχο και αναπτύσσεται ταχύτερα το καλοκαίρι και ρέει το φθινόπωρο. Όλο το φυτικό υλικό συλλέχθηκε από τους μεσόκοσμους. Τα τεχνητά μακρόφυτα (οι πλαστικές απομιμήσεις) είχαν παρόμοια μορφολογία με αυτή των φυσικών φυτών και ελήφθησαν από έναν εμπορικό πωλητή (Hengtong Aquarium Company, Κίνα). Το canadensis έχει λεπτούς διακλαδισμένους μίσχους, φύλλα (μήκος 3–8 cm, πλάτος 0,6–1 cm) σε στροβιλισμούς των 3 χωρίς μίσχο και αναπτύσσεται ταχύτερα το καλοκαίρι και ρέει το φθινόπωρο. Όλο το φυτικό υλικό συλλέχθηκε από τους μεσόκοσμους. Τα τεχνητά μακρόφυτα (οι πλαστικές απομιμήσεις) είχαν παρόμοια μορφολογία με αυτή των φυσικών φυτών και ελήφθησαν από έναν εμπορικό πωλητή (Hengtong Aquarium Company, Κίνα). Το canadensis έχει λεπτούς διακλαδισμένους μίσχους, φύλλα (μήκος 3–8 cm, πλάτος 0,6–1 cm) σε στροβιλισμούς των 3 χωρίς μίσχο και αναπτύσσεται ταχύτερα το καλοκαίρι και ρέει το φθινόπωρο. Όλο το φυτικό υλικό συλλέχθηκε από τους μεσόκοσμους. Τα τεχνητά μακρόφυτα (οι πλαστικές απομιμήσεις) είχαν παρόμοια μορφολογία με αυτή των φυσικών φυτών και ελήφθησαν από έναν εμπορικό πωλητή (Hengtong Aquarium Company, Κίνα).
Τέσσερα πανομοιότυπα πειράματα διεξήχθησαν τον Μάιο του 2017, τον Αύγουστο 2017, τον Νοέμβριο του 2017 και τον Φεβρουάριο του 2018, αντιπροσωπεύοντας τις τέσσερις εποχές (άνοιξη, καλοκαίρι, φθινόπωρο και χειμώνας) στη Δανία. Ένα πείραμα 3 εβδομάδων καλλιέργειας περιφυτών πραγματοποιήθηκε ανεξάρτητα σε κάθε εποχή. Στην αρχή κάθε πειράματος, τέσσερις τύποι φυτικού υποστρώματος — φυσικό P. crispus (N-PC), τεχνητό P. crispus (A-PC), φυσικό E. canadensis (N-EC) και τεχνητό E. canadensis (A- EC) — ξεπλύθηκαν προσεκτικά για να αφαιρεθούν τα επιφυτικά φύκια από την επιφάνεια. Ένα άτομο από κάθε φυτικό υπόστρωμα καλλιεργήθηκε τυχαία σε ένα πλαστικό βαρέλι (ύψος 29 cm, διάμετρος 23 cm) γεμάτο με ίζημα (Εικόνα 1). Μετά από αυτό, ένα πλαστικό βαρέλι κρεμάστηκε στο κέντρο κάθε μεσόκοσμου σε βάθος 25 cm κάτω από την επιφάνεια του νερού. Γύρω από την άκρη του βαρελιού, Το πλαστικό δίχτυ (8 mm × 8 mm) στερεώθηκε για να προστατεύσει τα φυτά και το περίφυτο από τη διατροφή των σαλιγκαριών. Συνολικά, 24 πλαστικά βαρέλια που το καθένα καλλιεργούσε τέσσερα διαφορετικά φυτικά υποστρώματα κρεμάστηκαν στους 24 μεσόκοσμους (Εικόνα 1). Οι 24 μεσόκοσμοι αντιπροσωπεύουν έξι θεραπείες: θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών (CON), θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών (W), ενισχυμένη θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών (EW), θερμοκρασία περιβάλλοντος με προσθήκη θρεπτικών ουσιών (NP), θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών ουσιών (Wamp;NP) και βελτιωμένη θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών ουσιών (EWamp;NP), καθεμία σε τέσσερις επαναλήψεις για αύξηση της στατιστικής ισχύος.
Εικόνα 1. Σχηματικές αναπαραστάσεις του λεπτομερούς πειραματικού σχεδιασμού. Τα λευκά τρίγωνα αντιπροσωπεύουν το φυσικό P. crispus. Τα μαύρα τρίγωνα αντιπροσωπεύουν το τεχνητό P. crispus. Τα λευκά τετράπλευρα αντιπροσωπεύουν το φυσικό E. canadensis. μαύρα- τετράπλευρα αντιπροσωπεύουν τεχνητό E. canadensis. Σημειώστε ότι τα οικόπεδα ομαδοποιούνται ανάλογα με τη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία, και τέσσερις τύποι φυτών παρατίθενται τακτικά στο σχήμα για ενδεικτικούς σκοπούς. Στην πραγματικότητα, οι θεραπείες κατανεμήθηκαν τυχαία στα αγροτεμάχια και τέσσερις τύποι φυτών κατανεμήθηκαν τυχαία στους μεσόκοσμους.
Μετά από καλλιέργεια 3 εβδομάδων, οι τέσσερις τύποι φυτικού υποστρώματος συγκομίστηκαν από κάθε δεξαμενή. Όλα τα υπέργεια φυσικά/τεχνητά φυτά αποκόπηκαν και μεταφέρθηκαν πίσω στο εργαστήριο. Εδώ, το περίφυτο και το ζωοπλαγκτόν (Cladocera, Rotifera και Copepoda) που συνδέονται με κάθε υπόστρωμα ξεπλύθηκαν προσεκτικά και εκχυλίστηκαν σε 1000 ml νερού. Αφού ξεπλύθηκαν, τα φυτικά υποστρώματα τοποθετήθηκαν σε πλαστική σακούλα και τραβήχτηκαν ψηφιακές φωτογραφίες. Οι φωτογραφίες σαρώθηκαν σε λογισμικό ImageJ και το εμβαδόν επιφάνειάς τους υπολογίστηκε σε διπλάσιο από αυτό της σαρωμένης περιοχής (Levi et al., 2015). Το νερό έκπλυσης διαχωρίστηκε σε δύο υποδείγματα, το ένα για τη μέτρηση του περιφυτώνα Chla και το άλλο για την αναγνώριση και την απαρίθμηση των φυκών και του ζωοπλαγκτού χρησιμοποιώντας ένα ανεστραμμένο μικροσκόπιο (Utermöhl, 1958). Όλα τα δείγματα ταυτοποιήθηκαν με τον ίδιο τρόπο και το πικοφυτοπλαγκτόν δεν είχε ποσοτική σημασία σε καμία από τις θεραπείες. Ένα υποδείγμα 100~200 ml διηθήθηκε μέσω ενός φίλτρου Whatman GF/C και οι φωτοσυνθετικές χρωστικές εκχυλίστηκαν σε 95% αιθανόλη και στη συνέχεια το διάλυμα μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα φασματοφωτόμετρο (APHA, 1989). Το Periphyton Chla εκφράστηκε ως μικρογραμμάρια Chla ανά τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας φυτού (μg cm–2 ), και οι πυκνότητες του περιφυτονίου και του επιφυτικού ζωοπλαγκτού εκφράστηκαν ως ο αριθμός των ατόμων ανά τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας του φυτού (ind cm –2 ). Μετά από απαρίθμηση με απευθείας μικροσκοπική μέτρηση, τα ταξινομικά ταξινομικά περίφυτων ταξινομήθηκαν σε οκτώ φυλές και υπολογίστηκε η πυκνότητα κάθε φύλλου. Η σχετική αφθονία τριών κυρίαρχων φυλών (Bacillariophyta, Chlorophyta, Cyanophyta) και άλλων (ταξά περιφύτων που ανήκουν σε άλλες πέντε φύλες) υπολογίστηκαν ως η αναλογία (%) της πυκνότητας κάθε φυλής προς την ολική πυκνότητα περιφυτώνων.
Οι περιβαλλοντικές μεταβλητές μετρήθηκαν in situ σε όλους τους μεσόκοσμους πριν από κάθε συμβάν δειγματοληψίας, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας του νερού, του διαλυμένου οξυγόνου (DO), του pH και της αγωγιμότητας. Στο εργαστήριο, το ολικό άζωτο (TN) και ο συνολικός φώσφορος (TP) προσδιορίστηκαν μέσω χρωματομετρίας χρησιμοποιώντας ένα φασματοφωτόμετρο ορατού υπεριώδους (UV-1800, Shimadzu, Γερμανία). Το επιφανειακό νερό σε κάθε μεσόκοσμο συλλέχθηκε για τη μέτρηση του φυτοπλαγκτού Chla και η περιεκτικότητα σε φυτοπλαγκτόν Chla εκφράστηκε ως μικρογραμμάρια Chla ανά λίτρο νερού (μg l –1 ).
Στατιστική ανάλυση
Η τριπλή ANOVA και η δοκιμασία post hoc χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο των επιδράσεων της θρεπτικής ουσίας, της θερμοκρασίας, του τύπου υποστρώματος και των αλληλεπιδράσεών τους στο περίφυτο Chla, την πυκνότητα, τη σχετική αφθονία της κύριας φυλής και τους δείκτες ποικιλότητας του περιφύτου. Στο σχέδιο ANOVA τριών κατευθύνσεων, οι σταθεροί παράγοντες περιελάμβαναν θρεπτικό συστατικό με δύο επίπεδα, θερμοκρασία με τρία επίπεδα, θερμοκρασία θρεπτικού * (επεξεργασία) με έξι επίπεδα και τύπο φυτού φωλιασμένο εντός επεξεργασίας με τέσσερα επίπεδα. Η αμφίδρομη ANOVA (με θρεπτικό συστατικό, θερμοκρασία και την αλληλεπίδρασή τους ως σταθερούς παράγοντες) χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο των επιδράσεων των θρεπτικών συστατικών, της θερμοκρασίας και των αλληλεπιδράσεων τους σε περιβαλλοντικές μεταβλητές σε κάθε μεσόκοσμο. Η ANOVA διεξήχθη σε SPSS (IBM SPSS Statistic 20).
Όλα τα δεδομένα πυκνότητας περιφυτώνων μετασχηματίστηκαν σε τετραγωνική ρίζα και τα δεδομένα του ζωοπλαγκτού (προσκολλημένα σε υποστρώματα) μετασχηματίστηκαν 0-1 για να μειωθεί η επίδραση μερικών κυρίαρχων ταξινομικών κατηγοριών και κατασκευάστηκε ένας πίνακας ομοιότητας Bray-Curtis μεταξύ των θεραπειών. Διεξήχθη αμφίδρομη ένθετη Ανάλυση ομοιοτήτων (ANOSIM, με επεξεργασία, τύπος φυτού φωλιασμένος εντός της θεραπείας ως σταθεροί παράγοντες) για να συγκριθούν οι αποκρίσεις της σύνθεσης περιφυτώνων και επιφυτικών ζωοπλαγκτού στη θεραπεία και τον τύπο του φυτού. Για να παρουσιαστούν οπτικά οι πιθανές διαφορές, πραγματοποιήθηκε μη μετρική πολυδιάστατη κλιμάκωση (NMDS) χρησιμοποιώντας το πακέτο vegan R (έκδοση 3.6.3). Επιπλέον, προκειμένου να περιγραφεί εύστοχα η εποχιακή μεταβλητότητα στη δομή της κοινότητας περιφυτώνων, τα γένη περιφυτών που βρέθηκαν σε κάθε εποχή ταξινομήθηκαν σε λειτουργικές ομάδες σύμφωνα με τους Reynolds et al. (2002) και Padisák et al. (2009). Ταξινομούν όλα τα φύκια σε λειτουργικές ομάδες ανάλογα με τα μορφολογικά, φυσιολογικά και οικολογικά χαρακτηριστικά τους. Αμφίδρομη πολυμεταβλητή ανάλυση διακύμανσης (PERMANOVA, με θρεπτικό, θερμοκρασία και θρεπτικό συστατικό* η θερμοκρασία ως σταθεροί παράγοντες) διεξήχθησαν για να συγκριθούν οι αποκρίσεις της σύνθεσης της λειτουργικής ομάδας περιφυτώνων σε θρεπτική ουσία και θερμοκρασία. Τα ANOSIM και PERMANOVA πραγματοποιήθηκαν στο Primer (Έκδοση 5).
Η σχέση μεταξύ των περιβαλλοντικών μεταβλητών και της σύνθεσης του γένους περίφυτων σε κάθε εποχή αναλύθηκε στο πακέτο βίγκαν R (έκδοση 3.6.3). Για όλα τα δεδομένα περίφυτων, το μεγαλύτερο μήκος κλίσης της ανάλυσης αποκλίνουσας αντιστοιχίας ήταν μικρότερο από 3 μονάδες τυπικής απόκλισης. Ως εκ τούτου, η ανάλυση πλεονασμού (RDA) θεωρήθηκε η καταλληλότερη. Η RDA διεξήχθη εποχιακά στην κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού και στην κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού χρησιμοποιώντας δεδομένα πυκνότητας περιφυτώνων ως μεταβλητή απόκρισης και περιβαλλοντικά δεδομένα ως επεξηγηματικές μεταβλητές. Τα δεδομένα πυκνότητας περιφυτώνων μετασχηματίστηκαν με Hellinger και όλα τα περιβαλλοντικά δεδομένα μετασχηματίστηκαν lg(x 1) για να μειωθεί η διακύμανση. Οι περιβαλλοντικές μεταβλητές επιλέχθηκαν χρησιμοποιώντας τη διαδικασία μπροστινής επιλογής (P lt; 0,1) και χρησιμοποιήθηκαν δοκιμές μετάθεσης (με 999 μεταθέσεις) για τον έλεγχο της σημασίας των μοντέλων RDA.
Αποτελέσματα
Περιβαλλοντικές Μεταβλητές
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η θερμοκρασία του νερού διέφερε σημαντικά μεταξύ των τριών επιπέδων θερμοκρασίας σε κάθε εποχή (Συμπληρωματικός Πίνακας S1) και οι μέσες θερμοκρασίες νερού ήταν όλες χαμηλότερες από 20°C εκτός από τα σενάρια Α2 και Α2 50% του καλοκαιρινού πειράματος (20,5 °C και 22,5 °C, αντίστοιχα). Οι περιβαλλοντικές μεταβλητές όπως η χλωροφύλλη α (Chla), η TN, η TP, η αγωγιμότητα και το pH δεν διέφεραν σημαντικά μεταξύ των τριών επιπέδων θερμοκρασίας (Συμπληρωματικός Πίνακας S1) αλλά ανταποκρίθηκαν διαφορετικά στα θρεπτικά συστατικά σε κάθε εποχή. Οι συγκεντρώσεις του φυτοπλαγκτού Chla, TN και TP στις τέσσερις εποχές, η αγωγιμότητα τον Αύγουστο (καλοκαίρι) και το pH τον Αύγουστο (καλοκαίρι), τον Νοέμβριο (φθινόπωρο) και τον Φεβρουάριο (χειμώνα) ήταν σημαντικά υψηλότερες στην κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικών συστατικών από σε κατάσταση διαυγούς-χαμηλών θρεπτικών συστατικών. Εκτός,–1 ) σε σχέση με τα σενάρια A2 και περιβάλλοντος (11,4 mg L –1 και 13,0 mg L –1 , αντίστοιχα).
Περίφυτων Αφθονία, Σύνθεση και Ποικιλομορφία
Periphyton Chla Μεταξύ των Θεραπειών
Τον Μάιο και τον Αύγουστο, το περίφυτο Chla επηρεάστηκε σημαντικά από το θρεπτικό συστατικό και επομένως ήταν σημαντικά υψηλότερο στην κατάσταση θολό-υψηλού θρεπτικού συστατικού από ό,τι στην κατάσταση διαυγούς-χαμηλού θρεπτικού συστατικού (Πίνακας 1 και Εικόνα 2). Σημαντική επίδραση θερμοκρασίας στο περίφυτο Chla βρέθηκε μόνο τον Αύγουστο όπου ήταν υψηλότερη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από ό,τι στα δύο σενάρια θέρμανσης (Α2 και Α2 50%) (Πίνακας 1 και Εικόνα 2). Το Periphyton Chla τον Νοέμβριο και τον Φεβρουάριο επηρεάστηκε σημαντικά από τον τύπο του φυτού, όντας ιδιαίτερα υψηλότερο στο φυσικό E. canadensis από ό,τι στους άλλους τύπους φυτών τον Νοέμβριο και ήταν στατιστικά χαμηλότερο στο τεχνητό P. crispus από το τεχνητό E. canadensis και το φυσικό E. canadensis τον Φεβρουάριο (Εικόνα 2).
Πίνακας 1. Αποτελέσματα τριπλής ANOVA που συγκρίνει τις επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών (δύο επίπεδα: χαμηλό και υψηλό), της θερμοκρασίας (τρία επίπεδα: περιβάλλοντος, της θέρμανσης και της ενισχυμένης θέρμανσης), της θρεπτικής* θερμοκρασίας και του τύπου φυτού (τέσσερα επίπεδα: φυσικό P. crispus , τεχνητό P. crispus , φυσικό E. canadensis , και τεχνητό E. canadensis ) σε χλωροφύλλη a (Chla) και πυκνότητα περιφυτών.
Εικόνα 2. Periphyton Chla σε τέσσερις τύπους φυτικού υποστρώματος σε καθεμία από τις έξι επεξεργασίες χωρισμένες σε τέσσερις περιόδους δειγματοληψίας που αντιπροσωπεύουν τις τέσσερις εποχές. Φυτικά υποστρώματα: φυσικό P. crispus (N-PC), τεχνητό P. crispus (A-PC), φυσικό E. canadensis (N-EC) και τεχνητό E. canadensis (A-EC). θεραπείες: θερμοκρασία περιβάλλοντος και χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών (CON), θέρμανση και χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών (W), ενισχυμένη θέρμανση και χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών (EW), θερμοκρασία περιβάλλοντος και προσθήκη θρεπτικών ουσιών (NP), θέρμανση και προσθήκη θρεπτικών ουσιών (Wamp;NP), ενισχυμένη θέρμανση και προσθήκη θρεπτικών ουσιών (EWamp;NP). περίοδοι δειγματοληψίας: Μάιος, Αύγουστος, Νοέμβριος και Φεβρουάριος (που αντιπροσωπεύουν την άνοιξη, το καλοκαίρι, το φθινόπωρο και τον χειμώνα).
Πυκνότητα περιφυτών μεταξύ θεραπειών
Η πυκνότητα των περιφυτών τον Μάιο επηρεάστηκε έντονα από το θρεπτικό συστατικό, καθώς ήταν σημαντικά υψηλότερη στην κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού από ό,τι στην κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού συστατικού (Πίνακας 1 και Εικόνα 3). Τον Αύγουστο, η πυκνότητα του περιφυτώνου επηρεάστηκε σημαντικά από τη θερμοκρασία των θρεπτικών συστατικών, της θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας ∗ , όντας στατιστικά υψηλότερη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος με επεξεργασία προσθήκης θρεπτικών ουσιών (NP) από ό,τι στη θέρμανση χωρίς επεξεργασία προσθήκης θρεπτικών ουσιών (W) (Πίνακας 1 και Εικόνα 3). Τον Νοέμβριο και τον Φεβρουάριο, η πυκνότητα των περιφυτών επηρεάστηκε σημαντικά από τον τύπο του φυτού: φυσικό P. crispus, τεχνητό P. crispus lt; τεχνητό E. canadensis, φυσικό E. canadensis το Νοέμβριο και τεχνητό P. crispus, φυσικό P. crispus lt; τεχνητό E. canadensis , φυσικό E. canadensis τον Φεβρουάριο (Εικόνα 3).
Εικόνα 3. Πυκνότητα περιφυτών σε τέσσερις τύπους φυτικού υποστρώματος σε κάθε επεξεργασία χωρισμένη ανά εποχή.
Η σχετική αφθονία των περιφυτών μεταξύ των θεραπειών
Συνολικά, παρατηρήθηκαν 78 γένη περίφυτων (20 Bacillariophyta, 39 Chlorophyta, 8 Cyanophyta και 11 άλλα). Τα Bacillariophyta ήταν τα κυρίαρχα φυτά και αντιπροσώπευαν περισσότερο από το 60% της αφθονίας σε κάθε εποχή (Συμπληρωματικό Σχήμα S2). Τα Achnanthes, Fragilaria και Cocconeis ήταν τα κυρίαρχα γένη, που αποτελούσαν διαφορετικές αναλογίες σε κάθε εποχή. Η σχετική αφθονία των Cyanophyta τον Μάιο επηρεάστηκε σημαντικά από τη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία: κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού συστατικού gt; θολή-υψηλή θρεπτική κατάσταση, θερμοκρασία περιβάλλοντος lt; θερμοκρασία θέρμανσης (Α2) (Συμπληρωματικός Πίνακας S2 και Εικόνα S2). Τον Αύγουστο, η σχετική αφθονία των Bacillariophyta, Chlorophyta και Cyanophyta επηρεάστηκε σημαντικά από τον τύπο του φυτού: τεχνητό E. canadensis gt; άλλοι τρεις τύποι φυτών για Bacillariophyta, τεχνητό E. canadensis lt; φυσικός P.
Σύνθεση Periphyton μεταξύ των θεραπειών
Η σύνθεση του γένους του periphyton διέφερε σημαντικά μεταξύ έξι θεραπειών (Πίνακας 2). Τα αποτελέσματα των post hoc δοκιμών σε ζεύγη έδειξαν ότι, με εξαίρεση τα CON έναντι EW, NP έναντι Wamp;NP και EWamp;NP τον Μάιο, W έναντι EW τον Αύγουστο, Νοέμβριο και Φεβρουάριο και Wamp;NP έναντι EWamp;NP τον Μάιο, Νοέμβριο και Φεβρουάριο, η σύνθεση του περιφύτου διέφερε σημαντικά μεταξύ οποιεσδήποτε δύο θεραπείες σε όλες τις εποχές (Εικόνα 4 και Συμπληρωματικός Πίνακας S3). (Οι συντμήσεις της θεραπείας επαναλαμβάνονται εδώ για εύκολη κατανόηση. CON αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών, W αντιπροσωπεύει θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών, EW αντιπροσωπεύει ενισχυμένη θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών, NP αντιπροσωπεύει θερμοκρασία περιβάλλοντος με προσθήκη θρεπτικών ουσιών, Wamp;NP αντιπροσωπεύει θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών ουσιών, EWamp;NP αντιπροσωπεύει ενισχυμένη θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών συστατικών).
Πίνακας 2. Αποτελέσματα αμφίδρομης ένθετης ANOSIM που συγκρίνει τις επιδράσεις της επεξεργασίας και του τύπου φυτού (φωλιασμένο σε επεξεργασία) στη σύνθεση του γένους του περιφυτώνα.
Σχήμα 4. Διαγράμματα μη μετρικής πολυδιάστατης κλιμάκωσης (NMDS) κοινοτήτων περιφυτώνων σε έξι επεξεργασίες με βάση τις ομοιότητες Bray-Curtis που υπολογίζονται από την πυκνότητα του γένους (μετασχηματισμένη τετραγωνική ρίζα).
Διαφορετικότητα μεταξύ των θεραπειών Periphyton
Ο πλούτος του γένους του περίφυτου ήταν σημαντικά υψηλότερος σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (μέση τιμή 18,53) από ό,τι στα δύο σενάρια θέρμανσης (μέσες τιμές 16,34 στο σενάριο θέρμανσης και 15,97 στο σενάριο ενισχυμένης θέρμανσης, αντίστοιχα) τον Αύγουστο, ενώ ήταν σημαντικά χαμηλότερος στη θερμοκρασία θέρμανσης ( μέση τιμή 12,28) σε σχέση με την ενισχυμένη θερμοκρασία θέρμανσης (μέση τιμή 15,03) και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (μέση τιμή 15,19) τον Νοέμβριο. Ο δείκτης Shannon-Wiener του περίφυτου τον Μάιο ήταν σημαντικά χαμηλότερος στην θολή κατάσταση με υψηλή περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά (μέση τιμή 2,35) από ό,τι στην κατάσταση καθαρής χαμηλής θρεπτικής αξίας (μέση τιμή 2,48), ενώ τον Αύγουστο ήταν σημαντικά υψηλότερος στη θολότητα -κατάσταση υψηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά (μέση τιμή 2,54) από ό,τι στην κατάσταση διαυγούς-χαμηλών θρεπτικών συστατικών (μέση τιμή 2,39). Σημαντικές επιδράσεις στον τύπο του φυτού στον δείκτη Shannon-Wiener βρέθηκαν τον Μάιο και τον Φεβρουάριο (Συμπληρωματικός Πίνακας S4): τεχνητό E. canadensis και P. crispus lt; φυσικό E. canadensis και P. crispus τον Μάιο και φυσικό E. canadensis λιγότερο από το άλλο τρεις τύπους τον Φεβρουάριο. Ο δείκτης Shannon-wiener τον Νοέμβριο ήταν επίσης σημαντικά υψηλότερος σε ενισχυμένη θέρμανση (μέση τιμή 2,37) και σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος (μέση τιμή 2,33) από ό,τι στη θερμοκρασία θέρμανσης (μέση τιμή 2,09). Επιπλέον, ο δείκτης Pielou του περίφυτου τον Μάιο ήταν σημαντικά χαμηλότερος στην κατάσταση θολό-υψηλού θρεπτικού συστατικού (μέσες τιμές 0,65) από ό,τι στην κατάσταση διαυγούς-χαμηλού θρεπτικού (μέσες τιμές 0,69), ενώ ήταν σημαντικά υψηλότερος στην κατάσταση θολότητας κατάσταση υψηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά (μέσες τιμές 0,75) από ό,τι στην κατάσταση διαυγούς-χαμηλού θρεπτικού συστατικού (μέσες τιμές 0,67) τον Αύγουστο. Ο δείκτης Pielou τον Μάιο,
Σύνθεση Περιφύτων και Περιβαλλοντικές Συνθήκες
Σχέση μεταξύ της σύνθεσης του περιφύτου και των περιβαλλοντικών μεταβλητών
Η ανάλυση πλεονασμού αποκάλυψε ότι η εποχιακή σύνθεση περιφυτώνων επηρεάστηκε σημαντικά από διαφορετικές περιβαλλοντικές μεταβλητές στην κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού και θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού (Εικόνα 5). Τον Μάιο, η πυκνότητα του rotifer ήταν η μόνη μεταβλητή που εξηγούσε το 12% της διακύμανσης (προσαρμοσμένο R 2 ) της σύνθεσης του περιφυτονίου σε κατάσταση διαυγούς χαμηλής θρεπτικής αξίας, ενώ η θολότητα, η πυκνότητα του Cladocera και η αγωγιμότητα ήταν οι πιο σημαντικές μεταβλητές, αντιπροσωπεύοντας το 37% του διακύμανση (προσαρμοσμένο R2 ) στη σύνθεση του περιφυτονίου στην κατάσταση θολό-υψηλού θρεπτικού συστατικού (Εικόνα 5Α και Συμπληρωματικός Πίνακας S5). Τον Αύγουστο, το 23% του περιφυτόνιου σε κατάσταση διαυγούς χαμηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά επηρεάστηκε σημαντικά και εξηγήθηκε από την πυκνότητα των στροφείων και την PO4 3-, ενώ το TP ήταν η μόνη μεταβλητή που εξηγούσε (7%) τη διακύμανση στη σύνθεση του περιφυτονίου στην κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού (Εικόνα 5Β και Συμπληρωματικός Πίνακας S5). Τον Νοέμβριο, η θερμοκρασία ήταν ο μόνος σημαντικός παράγοντας στην κατάσταση καθαρής-χαμηλών θρεπτικών συστατικών, όπου εξηγούσε το 8% της διακύμανσης στη σύνθεση του περιφυτονίου, ενώ τέσσερις περιβαλλοντικοί παράγοντες (θερμοκρασία, PO43-, πυκνότητα Cladocera και TP) επιλέχθηκαν στο κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού και εξηγεί το 43% του περιφυτώνου (Εικόνα 5Γ και Συμπληρωματικός Πίνακας S5). Τον Φεβρουάριο, η θερμοκρασία και η TP ήταν οι παράγοντες που εξηγούσαν το 27% της διακύμανσης στη σύνθεση του περιφυτονίου στην κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού συστατικού, ενώ το TP ήταν η μόνη μεταβλητή που επηρέασε τη σύνθεση του περιφυτονίου, εξηγώντας το 9% της διακύμανσης στη θολή-υψηλή θρεπτική ουσία κατάσταση (Εικόνα 5D και Συμπληρωματικός Πίνακας S5).
Σχήμα 5. Τρεις γραφικές παραστάσεις των αποτελεσμάτων RDA που δείχνουν τις διαφορές στα γένη περιφυτώνων, τις θεραπείες και τις περιβαλλοντικές μεταβλητές μεταξύ της κατάστασης καθαρού-χαμηλού θρεπτικού και του θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού τον (Α) Μάιο , ( Β) Αύγουστο, (C) Νοεμβρίου και (Δ) Φεβρουαρίου.
Λειτουργική Ομάδα Σύνθεση Περιφύτων
Κατά τη διάρκεια των τεσσάρων εποχών, εντοπίστηκαν συνολικά 23 λειτουργικές ομάδες Reynolds, που διέφεραν ως προς τη σημασία μεταξύ των εποχών (Συμπληρωματικό Σχήμα S3). Οι λειτουργικές ομάδες MP και T κυριάρχησαν τον Μάιο και τον Αύγουστο, οι λειτουργικές ομάδες MP και LO τον Νοέμβριο και οι λειτουργικές ομάδες T και MP τον Φεβρουάριο (Συμπληρωματικό Σχήμα S3). Για τη μεγάλη πλειονότητα των λειτουργικών ομάδων, όπως οι MP, B, X2, P, J, F και H1, η πυκνότητα περιφυτώνων ήταν γενικά υψηλότερη τον Μάιο και τον Αύγουστο από ό,τι τον Νοέμβριο και τον Φεβρουάριο. Για μερικές λειτουργικές ομάδες (όπως οι T και D), οι σχετικές αφθονίες αυξήθηκαν το χειμώνα, συμπίπτοντας με μια μείωση της λειτουργικής ομάδας MP. Τα αποτελέσματα του ANOSIM έδειξαν ότι η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου επηρεάστηκε σημαντικά από τη θρεπτική ουσία, τη θερμοκρασία και τη θρεπτική ουσία *θερμοκρασία τον Μάιο και τον Αύγουστο, ανά θρεπτικό συστατικό και θερμοκρασία τον Νοέμβριο και ανά θρεπτικό συστατικό τον Φεβρουάριο (Συμπληρωματικός Πίνακας S6). Τα αποτελέσματα των post hoc δοκιμών σε ζεύγη έδειξαν ότι η λειτουργική σύνθεση του περιφύτου διέφερε σημαντικά μεταξύ των θερμοκρασιών περιβάλλοντος και θέρμανσης (A2 και A2 50%) τον Μάιο, τον Αύγουστο και τον Νοέμβριο, ενώ δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των δύο σεναρίων θέρμανσης (A2 και A2 50%) σε όλες τις εποχές (Συμπληρωματικό Σχήμα S3).
Επιφυτικό Ζωοπλαγκτόν
Εκτός από το περίφυτο, στη μελέτη μας βρέθηκαν επίσης 60 είδη επιφυτικού ζωοπλαγκτού (12 Cladocera, 27 Rotifera και 21 Copepoda). Η πυκνότητα του Cladocera τον Μάιο ήταν σημαντικά υψηλότερη στην θολή κατάσταση με υψηλή περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά από ό,τι στην κατάσταση διαυγούς χαμηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά, ενώ η πυκνότητα των rotifers τον Αύγουστο ήταν σημαντικά υψηλότερη σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος από ό,τι σε θερμοκρασίες θέρμανσης (A2 και A2 50% ) (αμφίδρομη ANOVA, P lt; 0,05). Η ανάλυση συσχέτισης αποκάλυψε ότι η αφθονία των διατόμων και των πράσινων φυκών συσχετίστηκε θετικά με την αφθονία των rotifer τον Μάιο και τον Αύγουστο (συσχέτιση Pearson, P lt;0,05). Εξάλλου, η σύνθεση της επιφυτικής κοινότητας ζωοπλαγκτού στις τέσσερις εποχές διέφερε σημαντικά μεταξύ έξι θεραπειών (αμφίδρομη ANOSIM, P lt; 0,001 σε τέσσερις εποχές).
Συζήτηση
Διαφορές στις επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών, της θερμοκρασίας και του τύπου φυτού στην αφθονία των περιφυτών
Η μελέτη μας έδειξε ότι η αφθονία των περιφυτών (Chla και πυκνότητα) ανταποκρίθηκε διαφορετικά στα θρεπτικά συστατικά και τη θερμοκρασία μεταξύ των εποχών. Ο εμπλουτισμός θρεπτικών συστατικών αύξησε σημαντικά την αφθονία των περιφυτών την άνοιξη και το καλοκαίρι (Μάιο και Αύγουστο), αλλά είχε μικρή μόνο επίδραση το φθινόπωρο και το χειμώνα (Νοέμβριο και Φεβρουάριο). Οι Rosemond et al. (2000) πρότεινε ότι τα αποτελέσματα της προσθήκης θρεπτικών συστατικών στη βιομάζα και την παραγωγικότητα των περιφυτών θα ήταν μεγαλύτερα σε συνθήκες υψηλού φωτισμού, καθώς οι επιδράσεις της θρεπτικής ουσίας και του φωτός στο περιφύτον ήταν σε μεγάλο βαθμό αλληλεξαρτώμενες. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί οι αποκρίσεις της αφθονίας περιφυτώνων στην προσθήκη θρεπτικών συστατικών ήταν θετικές την άνοιξη/καλοκαίρι και ουδέτερες το φθινόπωρο/χειμώνα.
Σημαντική επίδραση της θερμοκρασίας στην αφθονία των περιφυτώνων βρέθηκε μόνο το καλοκαίρι όπου το Chla και η πυκνότητα του περιφυτώνου μειώθηκαν σημαντικά από την θέρμανση (τόσο στο Α2 όσο και στο Α2 50%). Η υψηλότερη θερμοκρασία οδηγεί συχνά σε υψηλότερη αναπνοή από την παραγωγή λόγω της διαφορικής κλίμακας θερμοκρασίας της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής (Allen et al., 2005; O’Connor, 2009; O’Connor et al., 2009) και, κατά συνέπεια, χαμηλότερη καθαρή παραγωγή Scharfenberger et al., 2019). Επιπλέον, αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι η θέρμανση αυξάνει το μεταβολισμό των φυτοφάγων και ενισχύει τις επιδράσεις τους από πάνω προς τα κάτω στο περίφυτον (O’Connor, 2009; David, 2010; Gabriel et al., 2010; Carr and Bruno, 2013). Αυτοί θα μπορούσαν να είναι οι πιθανοί λόγοι για το χαμηλότερο περίφυτο Chla στα δύο σενάρια θέρμανσης στη μελέτη μας. Επιπλέον, οι Verbeek et al. (2018) αποκάλυψε ότι η διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών άλλαξε τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας στην παραγωγή φυτοπλαγκτού, τα αποτελέσματα ήταν θετικά όταν οι πόροι ήταν επαρκείς και αρνητικά όταν τα θρεπτικά συστατικά έγιναν τρομακτικά. Υποστηρίζοντας αυτή την άποψη, το περίφυτο Chla και η πυκνότητα μειώθηκαν ιδιαίτερα λόγω της θέρμανσης σε κατάσταση καθαρής-χαμηλών θρεπτικών συστατικών στο καλοκαιρινό μας πείραμα.
Ο τύπος του φυτού είχε σημαντική επίδραση στην αφθονία των περιφυτών το φθινόπωρο και τον χειμώνα, το περιφύτον Chla και οι πυκνότητες ήταν σημαντικά υψηλότερες στο φυσικό/τεχνητό E. canadensis από ότι στο φυσικό/τεχνητό P. crispus. Είναι αναμενόμενο ότι η πολύπλοκη δομή όχι μόνο προσφέρει μεγαλύτερη επιφάνεια, αλλά και μεγιστοποιεί την πρόσβαση στο φως για την ανάπτυξη του περιφύτου (Taniguchi et al., 2003; Tunca et al., 2014; Pettit et al., 2016; Hao et al., al., 2017). Εξάλλου, οι Tramonte et al. (2019) αποκάλυψε ότι η κατανάλωση περιφυτώνων από φυτοφάγα ήταν μεγαλύτερη σε απλοποιημένους παρά σε σύνθετους οικοτόπους, γεγονός που μπορεί να εξηγήσει την παρατηρούμενη χαμηλότερη πυκνότητα περιφυτών στο φυσικό/τεχνητό P. crispus του οποίου η δομική πολυπλοκότητα του οικοτόπου ήταν απλή σε σύγκριση με το φυσικό/τεχνητό E. canadensis. Η αφθονία των περιφυτών μπορεί επίσης να διαφέρει μεταξύ ενός φυσικού φυτού και του αντίστοιχου τεχνητού φυτού, καθώς τα μακρόφυτα μπορεί να απελευθερώνουν θρεπτικά συστατικά (Carignan and Kalff, 1982; Hilt, 2006) ή/και αλληλοπαθητικές ενώσεις (Burkholder and Wetzel, 1990; Gross, 2003; Gross, Erhard και 2006) για την προώθηση και/ή την αναστολή της προσκόλλησης περιφυτώνων. Στη μελέτη μας, εντοπίστηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ φυσικού και τεχνητού E. canadensis το φθινόπωρο και το χειμώνα, όταν το E. canadensis ήταν συνεχώς σε αποσύνθεση και απελευθέρωσε θρεπτικά συστατικά που δυνητικά διεγείρουν την ανάπτυξη περιφυτώνων, εξηγώντας ίσως το υψηλότερο Chla περιφυτών στο φυσικό E. canadensis από το τεχνητό E. canadensis. Συνολικά, βρήκαμε μια πολύπλοκη απόκριση αφθονίας περιφυτώνων στην προσθήκη θρεπτικών ουσιών, στην αύξηση της θερμοκρασίας και στον τύπο του υποστρώματος, που ποικίλλει ανάλογα με την εποχή και την κατάσταση των θρεπτικών συστατικών.
Οι αποκρίσεις της σύνθεσης του Periphyton στις θεραπείες διαφέρουν μεταξύ των εποχών
Τα αποτελέσματα του ANOSIM επιβεβαίωσαν ότι η σύνθεση του περιφυτονίου ήταν ευαίσθητη στην αλληλεπίδραση μεταξύ θρεπτικής ουσίας και θερμοκρασίας. Μεταξύ των εποχών, η σύνθεση του γένους διέφερε σημαντικά μεταξύ οποιωνδήποτε δύο θεραπειών εκτός από W και EW, Wamp;NP και EWamp;NP. Αυτό υποδηλώνει ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του σεναρίου Α2 και Α2 50% (μέση τιμή 1,60°C) ήταν πολύ χαμηλή για να επηρεάσει τη σύνθεση του περιφυτονίου τόσο στην κατάσταση διαυγούς-χαμηλών θρεπτικών συστατικών όσο και στην κατάσταση θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larras et al. (2013) σε μια μελέτη αύξησης θερμοκρασίας 2°C. Εν τω μεταξύ, σημαντικές επιδράσεις φυτικού τύπου στη σύνθεση περιφυτώνων βρέθηκαν μόνο το χειμώνα που χαρακτηρίζεται από ένα πιο σκληρό περιβάλλον. Κατά συνέπεια, η διαθεσιμότητα των πόρων γίνεται ο κύριος παράγοντας που καθορίζει την κοινοτική σύνθεση του περιφύτου, τα οποία μπορούν εύκολα να επηρεαστούν από βυθισμένα φυτά άμεσα μέσω της απελευθέρωσης αλληλοχημικών ή/και θρεπτικών ουσιών (Erhard and Gross, 2006; Hilt, 2006) και έμμεσα από τη δομική πολυπλοκότητα του υποστρώματος μέσω των επιδράσεων στη διαθεσιμότητα φωτός στις επιφάνειες των φυτών (Taniguchi et al., 2003· Tunca et al., 2014). Υπό καλοήθεις περιβαλλοντικές συνθήκες σε άλλες εποχές, ωστόσο, η κοινότητα των περιφυτών μπορεί να επηρεαστεί από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βιοτικών/αβιοτικών παραγόντων σε ρηχές λίμνες (Mallory and Richardson, 2005; Correia et al., 2012), καλύπτοντας το υπόστρωμα.
Περιβαλλοντικές Επιδράσεις στη Σύνθεση Περιφύτων
Τα αποτελέσματα RDA αποκάλυψαν ότι η θερμοκρασία ήταν μόνο ένας σημαντικός παράγοντας που επηρέαζε τη σύνθεση του περιφυτόνιου το φθινόπωρο και το χειμώνα (Νοέμβριο και Φεβρουάριο) και ότι δεν υπήρχε σημαντική διαφορά μεταξύ της κατάστασης καθαρού-χαμηλού θρεπτικού και του θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού. Ο χειμώνας συνήθως συνδέεται με περιβαλλοντικά ελάχιστα, όπως χαμηλές θερμοκρασίες που σχετίζονται με μειωμένη ηλιακή ακτινοβολία και χαμηλή ένταση φωτός, η τελευταία λόγω πάγου και χιονιού, παρέχοντας ένα σκληρό περιβάλλον για τους πρωτογενείς παραγωγούς (Gustina and Hoffmann, 2000; Marchand, 2014). Στη μελέτη μας, οι μέσες θερμοκρασίες περιβάλλοντος το φθινόπωρο και το χειμώνα (3,9°C τον Νοέμβριο και 1,5°C τον Φεβρουάριο) ήταν χαμηλές σε σύγκριση με την άνοιξη και το καλοκαίρι (16,1°C τον Μάιο και 16,8°C τον Αύγουστο) και οι περισσότερες Οι μεσόκοσμοι καλύφθηκαν από πάγο και/ή χιόνι κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τον Νοέμβριο και τον Φεβρουάριο. Οι Menge και Sutherland (1987) υποστήριξαν ότι κάτω από συνθήκες στρες, όπως αυτές που συναντώνται το χειμώνα, οι βιοτικές κοινότητες θα ρυθμίζονται από αβιοτικούς παράγοντες και όχι από τον ανταγωνισμό ή τη θήρευση. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί οι κοινότητες των περιφυτών ελέγχονταν κυρίως από φυσικοχημικούς παράγοντες, όπως η θερμοκρασία και/ή ο φώσφορος, στα πειράματα του φθινοπώρου και του χειμώνα της μελέτης μας.
Τα αποτελέσματα RDA για την άνοιξη και το καλοκαίρι αποκάλυψαν ότι οι περιβαλλοντικές μεταβλητές που εξηγούν τη σύνθεση του περιφυτονίου διέφεραν σημαντικά μεταξύ της κατάστασης διαυγούς-χαμηλού θρεπτικού και της κατάστασης θολού-υψηλού θρεπτικού συστατικού. Η RDA έδειξε ότι η σύνθεση του περιφυτονίου θα μπορούσε να εξηγηθεί καλύτερα από τα rotifers στην κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού και από τη θολότητα ή το TP στην κατάσταση θολό-υψηλού θρεπτικού συστατικού. Αυτά τα αποτελέσματα συμφωνούν με εκείνα προηγούμενων μελετών που καταδεικνύουν ότι οι επιδράσεις της βόσκησης των φυτοφάγων στο περίφυτον εξασθενούν λόγω της υψηλής διαθεσιμότητας θρεπτικών συστατικών (Osenberg and Mittelbach, 1996· Iannino et al., 2019). Οι βοσκοί μπορούν να αλλάξουν τη σύνθεση της κοινότητας των φυκιών μέσω της διαφορικής θήρευσης (Rosemond et al., 1993; Feminella and Hawkins, 1995) και τα φυτοφάγα προτιμούν τα φύκια με όρθια, όρθια ή νηματοειδή μορφολογία έναντι των ταξινομικών μορφολογιών του κατάκοιτου (Steinman et al., 1992; Rosemond et al., 1993). Ωστόσο, με τον εμπλουτισμό θρεπτικών συστατικών, το περίφυτο ανταποκρίνεται γρήγορα ενώ τα φυτοφάγα ζώα μπορεί να μην αντιδρούν αμέσως στις αλλαγές στη διαθεσιμότητα τροφής (Hansson, 1992). αυτή η χρονική καθυστέρηση στην απόκριση των βοσκών στην προσθήκη θρεπτικών ουσιών μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία των βοσκοτόπων να ελέγξουν τη σύνθεση των φυκιών. Επιπλέον, η θήρευση στους βοσκότοπους μπορεί επίσης να αυξηθεί με την θέρμανση (David, 2010; Jeppesen et al., 2010), οδηγώντας σε εξασθένηση της επίδρασης των φυτοφάγων στο περίφυτο.
Πολλαπλές μελέτες έχουν αναφέρει ότι η σύνθεση της κοινότητας των περιφυτών επηρεάζεται έντονα από την εποχικότητα (O’Reilly, 2006· Borduqui and Ferragut, 2012· De Souza et al., 2015). Στη μελέτη μας, η σύνθεση της λειτουργικής ομάδας του περίφυτου έδειξε επίσης μια αξιοσημείωτη εποχιακή αλλαγή. Οι λειτουργικές ομάδες MP και LO εμφάνισαν τις υψηλότερες πυκνότητες και σχετικές αφθονίες την άνοιξη και το καλοκαίρι, οι οποίες μπορούν να συνδεθούν με συνθήκες υψηλού φωτισμού και υψηλών θρεπτικών συστατικών (Bovo-Scomparin and Train, 2008; Yang et al., 2011). Η λειτουργική ομάδα Τ, η οποία είναι ανεκτική σε ελλείψεις φωτός (Reynolds et al., 2002), κυριάρχησε στην κοινότητα των περιφυτών το χειμώνα. Επιπλέον, η κοινότητα των περιφυτών, που προτιμά το ζεστό νερό, εμφάνισε υψηλότερη σχετική αφθονία την άνοιξη/καλοκαίρι, όπως οι λειτουργικές ομάδες B, J και F (Jiang et al., 2013). ενώ η λειτουργική ομάδα D που προτιμά το κρύο νερό (Jiang et al., 2013), έδειξε υψηλότερες αναλογίες περιφυτών το χειμώνα. Τα αποτελέσματά μας, επομένως, υποστηρίζουν την άποψη ότι η λειτουργική ομάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προσέγγιση για την ανάλυση της εποχιακής μεταβλητότητας στην κοινότητα των φυκών (Yang et al., 2011; Yu et al., 2012). Εκτός από το χειμώνα, η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου ανταποκρίθηκε έντονα στην προσθήκη θρεπτικών συστατικών και στην αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που είναι σύμφωνο με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περιφύτων στη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και τον χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός. παρουσίασε υψηλότερες αναλογίες περιφυτών το χειμώνα. Τα αποτελέσματά μας, επομένως, υποστηρίζουν την άποψη ότι η λειτουργική ομάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προσέγγιση για την ανάλυση της εποχιακής μεταβλητότητας στην κοινότητα των φυκών (Yang et al., 2011; Yu et al., 2012). Εκτός από το χειμώνα, η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου ανταποκρίθηκε έντονα στην προσθήκη θρεπτικών συστατικών και στην αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που είναι σύμφωνο με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περιφύτων στη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και τον χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός. παρουσίασε υψηλότερες αναλογίες περιφυτών το χειμώνα. Τα αποτελέσματά μας, επομένως, υποστηρίζουν την άποψη ότι η λειτουργική ομάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προσέγγιση για την ανάλυση της εποχιακής μεταβλητότητας στην κοινότητα των φυκών (Yang et al., 2011; Yu et al., 2012). Εκτός από το χειμώνα, η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου ανταποκρίθηκε έντονα στην προσθήκη θρεπτικών συστατικών και στην αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που είναι σύμφωνο με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περιφύτων στη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και τον χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός. υποστηρίζουν την άποψη ότι η λειτουργική ομάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προσέγγιση για την ανάλυση της εποχιακής μεταβλητότητας στην κοινότητα των φυκών (Yang et al., 2011; Yu et al., 2012). Εκτός από το χειμώνα, η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου ανταποκρίθηκε έντονα στην προσθήκη θρεπτικών συστατικών και στην αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που είναι σύμφωνο με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περιφύτων στη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και τον χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός. υποστηρίζουν την άποψη ότι η λειτουργική ομάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προσέγγιση για την ανάλυση της εποχιακής μεταβλητότητας στην κοινότητα των φυκών (Yang et al., 2011; Yu et al., 2012). Εκτός από το χειμώνα, η λειτουργική σύνθεση του περιφυτώνου ανταποκρίθηκε έντονα στην προσθήκη θρεπτικών συστατικών και στην αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που είναι σύμφωνο με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περιφύτων στη θρεπτική ουσία και τη θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και τον χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός. η οποία είναι συνεπής με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περίφυτων σε θρεπτικά συστατικά και θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και το χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός. η οποία είναι συνεπής με τις αποκρίσεις της σύνθεσης του γένους περίφυτων σε θρεπτικά συστατικά και θερμοκρασία την άνοιξη, το καλοκαίρι και το χειμώνα. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από τους Larson et al. (2012) ο οποίος διαπίστωσε ότι η λειτουργική και ταξινομική σύνθεση του περιφύτονα εμφάνιζε παρόμοιες τάσεις διακύμανσης ως απόκριση σε περιβαλλοντικές αλλαγές όπως η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και φωτός.
συμπέρασμα
Βρήκαμε μια σύνθετη απόκριση αφθονίας περιφυτώνων στον εμπλουτισμό των θρεπτικών ουσιών, την αύξηση της θερμοκρασίας και την πολυπλοκότητα της δομής του υποστρώματος, η οποία ποικίλλει ανάλογα με την εποχή. Η αφθονία των περιφυτών επηρεάστηκε έντονα από την προσθήκη θρεπτικών ουσιών και την άνοδο της θερμοκρασίας την άνοιξη και το καλοκαίρι, ενώ η δομή του υποστρώματος ήταν μεγάλης σημασίας για την αφθονία των περιφυτών το φθινόπωρο και το χειμώνα, όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες ήταν σκληρές για την ανάπτυξη περιφυτώνων. Αντίθετα, η κοινοτική σύνθεση του περιφυτώνου επηρεάστηκε σημαντικά από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ θρεπτικών συστατικών και θερμοκρασίας και ανεξάρτητα από την εποχικότητα. Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η επίδραση της θέρμανσης στην αφθονία και τη σύνθεση των περιφυτών στις διαφορετικές εποχές ποικίλλει ανάλογα με τη θρεπτική κατάσταση και τον τύπο του φυτού ξενιστή στους μεσόκοσμους των ρηχών λιμνών και παρόμοια αποτελέσματα είναι πιθανό να συμβούν σε φυσικές λίμνες.
Δήλωση διαθεσιμότητας δεδομένων
Τα ανεπεξέργαστα δεδομένα που υποστηρίζουν τα συμπεράσματα αυτού του άρθρου θα διατεθούν από τους συγγραφείς, σε κάθε ειδικευμένο ερευνητή με εύλογο αίτημα.
Δήλωση Δεοντολογίας
Αυτή η μελέτη δεν αφορούσε καταγεγραμμένα απειλούμενα ή προστατευόμενα είδη. Δεν απαιτήθηκαν συγκεκριμένες άδειες για αυτή τη μελέτη.
Συνεισφορές Συγγραφέων
Ο BH σχεδίασε τη μελέτη, πραγματοποίησε την έρευνα, ανέλυσε τα δεδομένα και έγραψε το χειρόγραφο. Η HW πραγματοποίησε την έρευνα, συνέλεξε δείγματα και ανέλυσε τα δεδομένα. Οι WZ και HJ συνέλεξαν δείγματα. Οι YC, EJ και WL συνέβαλαν στην ανάλυση και τις αναθεωρήσεις δεδομένων. Όλοι οι συγγραφείς έχουν αναθεωρήσει, συζητήσει και συμφωνήσει με τη συγγραφή και την υποβολή του χειρογράφου για αξιολόγηση από ομοτίμους.
Χρηματοδότηση
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Πρόγραμμα Έρευνας και Ανάπτυξης της Κίνας (2016YFA0601000), το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (31670368) και από το Κοινό Πρόγραμμα Εκπαίδευσης Διδακτορικών Σπουδών UCAS. Το EJ υποστηρίχθηκε από το PROGNOS (Πρόβλεψη αποκρίσεων στη λίμνη στην αλλαγή χρησιμοποιώντας μοντέλα σχεδόν σε πραγματικό χρόνο — Water Joint Program Initiative), το Κέντρο Τεχνολογίας Νερού (watec.au.dk), το έργο Horizon2020 AQUACOSM (Δίκτυο Κορυφαίων Ευρωπαϊκών Εγκαταστάσεων AQUAtic MesoCOSM Σύνδεση Βουνών με Ωκεανούς από την Αρκτική στη Μεσόγειο), AnaEE Δανίας (anaee.dk) και το πρόγραμμα Tübitak 2232.
Σύγκρουση συμφερόντων
Η WZ απασχολήθηκε από την εταιρεία Wuhan Planning amp; Design Co., Ltd., Wuhan, Κίνα.
Οι υπόλοιποι συγγραφείς δηλώνουν ότι η έρευνα διεξήχθη απουσία εμπορικών ή οικονομικών σχέσεων που θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως πιθανή σύγκρουση συμφερόντων.
Ευχαριστίες
Ευχαριστούμε την Anne Mette Poulsen για την αγγλική έκδοση.
Συμπληρωματικό υλικό
Το συμπληρωματικό υλικό για αυτό το άρθρο βρίσκεται στο διαδίκτυο στη διεύθυνση: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2020.00404/full#suplementary-material
ΣΧΗΜΑ S1 | Απεικόνιση και φωτογραφία της πειραματικής διάταξης 24 flow-through του μεσόκοσμου που μελετά πώς η αυξημένη θερμοκρασία θα επηρεάσει τα ρηχά συστήματα λιμνών (Liboriussen et al., 2005).
ΕΙΚΟΝΑ S2 | Σχετικές αφθονίες Bachillariophyta (Bac), Chlorophyta (Chl), Cyanophyta (Cya) και άλλα (Oth) σε περίφυτο σε τέσσερις τύπους φυτικού υποστρώματος σε κάθε επεξεργασία σε εποχιακή βάση. Το CON αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών. Το W αντιπροσωπεύει τη θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το EW αντιπροσωπεύει ενισχυμένη θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το NP αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος με προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το Wamp;NP αντιπροσωπεύει τη θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το EWamp;NP αντιπροσωπεύει ενισχυμένη θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών συστατικών.
ΕΙΚΟΝΑ S3 | Σύνθεση λειτουργικής ομάδας και πυκνότητα περιφυτών τον Μάιο (άνοιξη), Αύγουστο (καλοκαίρι), Νοέμβριο (φθινόπωρο) και Φεβρουάριο (χειμώνα).
ΠΙΝΑΚΑΣ S1 | Αποτελέσματα αμφίδρομης ANOVA που συγκρίνει τις επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών (δύο επίπεδα: χαμηλό και υψηλό, df = 1), της θερμοκρασίας (τρία επίπεδα: περιβάλλοντος, θέρμανση και ενισχυμένη θέρμανση, df = 2) και της αλληλεπίδρασης μεταξύ θρεπτικών συστατικών και θερμοκρασίας (df = 2) στις περιβαλλοντικές μεταβλητές. Όλες οι έντονες τιμές στους πίνακες είναι σημαντικές σε p lt; 0,05.
ΠΙΝΑΚΑΣ S2 | Αποτελέσματα τριπλής ANOVA που συγκρίνει τις επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών (δύο επίπεδα: χαμηλό και υψηλό), της θερμοκρασίας (τρία επίπεδα: περιβάλλοντος, της θέρμανσης και της ενισχυμένης θέρμανσης), της θρεπτικής* θερμοκρασίας και του τύπου φυτού (τέσσερα επίπεδα: φυσικό P. crispus, τεχνητό P crispus, φυσικό E. canadensis και τεχνητό E. canadensis) σχετικά με τη σχετική αφθονία Bacillariophyta, Chlorophyta και Cyanophyta στο περίφυτο. Όλες οι έντονες τιμές στους πίνακες είναι σημαντικές σε p lt; 0,05.
ΠΙΝΑΚΑΣ S3 | Αποτελέσματα των δοκιμών ANOSIM ανά ζεύγη για αποτελέσματα θεραπείας (θρεπτικά*θερμοκρασία) Μάιο, Αύγουστο, Νοέμβριο και Φεβρουάριο. Το CON αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς προσθήκη θρεπτικών ουσιών. Το W αντιπροσωπεύει τη θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το EW αντιπροσωπεύει ενισχυμένη θέρμανση χωρίς προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το NP αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος με προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το Wamp;NP αντιπροσωπεύει τη θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Το EWamp;NP αντιπροσωπεύει ενισχυμένη θέρμανση με προσθήκη θρεπτικών συστατικών. Όλες οι έντονες τιμές στους πίνακες είναι σημαντικές σε p lt; 0,05.
ΠΙΝΑΚΑΣ S4 | Αποτελέσματα τριπλής ANOVA που συγκρίνει τις επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών (δύο επίπεδα: χαμηλό και υψηλό), της θερμοκρασίας (τρία επίπεδα: περιβάλλοντος, της θέρμανσης και της ενισχυμένης θέρμανσης), της θρεπτικής* θερμοκρασίας και του τύπου φυτού (τέσσερα επίπεδα: φυσικό P. crispus, τεχνητό P crispus, φυσικό E. canadensis και τεχνητό E. canadensis) στους δείκτες Richness, Shannon-Wiener και Pielou του περιφύτου. Όλες οι έντονες τιμές στους πίνακες είναι σημαντικές σε p lt; 0,05.
ΠΙΝΑΚΑΣ S5 | Αποτελέσματα RDA περιβαλλοντικών μεταβλητών που επιλέχθηκαν με διαδικασίες μελλοντικής επιλογής και δοκιμές μετάθεσης για τα μοντέλα RDA σε κατάσταση καθαρού-χαμηλού θρεπτικού και θολού-υψηλού θρεπτικών συστατικών τον Μάιο, τον Αύγουστο, τον Νοέμβριο και τον Φεβρουάριο. Οι τιμές P αντιπροσωπεύουν τα αποτελέσματα των δοκιμών μετάθεσης για τα μοντέλα και τα προσαρμοσμένα R2 και R2 είναι οι σωρευτικές αναλογίες που εξηγούνται από τα μοντέλα. Όλες οι έντονες τιμές στους πίνακες είναι σημαντικές σε p lt; 0,05.
ΠΙΝΑΚΑΣ S6 | Αποτελέσματα αμφίδρομης PERMANOVA που συγκρίνουν τις επιδράσεις θρεπτικών συστατικών (δύο επίπεδα: χαμηλό και υψηλό), θερμοκρασίας (τρία επίπεδα: περιβάλλοντος, θέρμανση και ενισχυμένη θέρμανση) και τις αλληλεπιδράσεις τους στη σύνθεση της λειτουργικής ομάδας του περιφυτώνα. Όλες οι έντονες τιμές στους πίνακες είναι σημαντικές σε p lt; 0,05.
υπερθέρμανση του κλίματος, Περίφυτο, Εποχικότητα, εμπλουτισμός θρεπτικών ουσιών, Πολυπλοκότητα δομής