CN110845013A - 浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法 - Google Patents

浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法，包括步骤：(1)生态系统的结构与功能评估技术：使用ecopath模型，得到湖泊生态系统中各功能组的关键参数，了解所述的湖泊的生态系统中的不同营养级分配、各营养级功能强弱、不同功能组生物量大小，并分析与评估失衡因子；(2)多营养级生物操纵技术：(2‑1)多种生物的联合效应(2‑2)生态修复评估；(3)浅水区植被恢复及湿地重建技术；(4)重复以上步骤(1)、(2)、(3)；(5)水质水量联合调控：检测所述的湖泊所在地区的降雨量并监测所述的湖泊的库容更替，根据水动力模型，获得水域特征、营养失衡状况及水生生物群落功能群组成，定期检测并验证水体理化指标。

Description

浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法
技术领域
本发明涉及浅水湖泊生态系统技术领域，更具体地，涉及一种浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法。
背景技术
湖泊生态系统的调控包括对湖泊水利(水文、水动力等)、理化环境因子(氮、磷输入、水体溶氧等)的调控和对生态系统食物网结构(生物多样性、鱼类、各种水生生物等) 的调控、功能(物质循环、能量流动路径)的调控，以及对所有这些因素不同组合或全部因素的综合调控。湖泊生态系统的稳定维持技术则是指对在开展上述各种调控的基础上，使生态系统的各种输入、输出(如水量、营养物等)更趋于平衡、生物多样性增加、食物网结构更加完善，水体的水文过程、水动力过程、理化因子的变动与生物、生态过程相协调，从而使生态系统的稳定性(stability)和回复力(resilience)达到最大化。
目前国外对湖泊生态系统的调控主要有以下调控技术：
1、对湖泊水文和水动力过程的调控
湖泊的生态过程受水体的流态、滞留时间、湖流大小及其方向等都有关系，通常湖水的滞留时间长，流速小，有利于水生植物的生长；但在没有水生植物的湖泊，这种水动力过程的减少，反而不利于水体对污染物的净化。因此作为湖泊生态系统的调控手段，通过引入外部水流，成为一种常用的技术手段。如杭州西湖，通过引入钱塘江水后，水质出现了显著的改善。该技术，将在太湖的环境治理中即将得到应用，“引江济太”工程将得到建设和加强。湖泊的水动力过程的改变，也会使湖泊的各种营养物输入、输出格局发生改变，同时外部水流引入及其在湖泊中的流动路线，将对湖泊的生态过程产生重大影响。因此对湖泊水文、水动力的调控，必须要充分考虑湖泊自身的生态系统特点，从而尽可能使水动力调控与湖泊的生态调控相协调。
此外，还可通过各种工程对入湖河流的流速进行调控，如通过修建引流导板等改变水流的流向、流态和最终的流速，可望改变水流在湖泊中的滞留时间等。
2、对湖泊溶氧、氮-磷输入输出格局等的调控
由于富营养化湖泊普遍存在着有机质在湖泊底部积累、从而导致底层出现低氧、缺氧等状况，不但危及各种底层水生生物如底栖动物、底层鱼类、水生植物等生长，也会加快沉积于底泥中营养物的释放，因此改善水体底层溶氧条件也是生态改善的常用手段，如英国泰晤士河的治理、日本琵琶湖的治理等都曾用过对水体的曝气技术，以改善水体的溶氧条件。
此外，对理化条件的调控还可能包括对水体氮、磷输入、输出的调控。如在河流入口修建各种前置库、在流域的主要入湖河流两侧修建各种生态拦污工程等等。这些工程都能起到对输入水体总氮、总磷的拦截。如在江苏天目湖的治理中，科学家们在流域中大量使用类似的拦污生态林，对削减污染物起到了非常好的效果。
3、对生态系统结构的调控
生态系统结构的调控在国内外都得到了广泛的应用。这方面的技术主要有：
增加初级生产者的水生植被修复技术。目前该技术在浅水湖泊中被广泛应用。尽管目前大规模修复水生植被的技术在极富营养型湖泊中的修复尚未取得全面的突破，但在一些富营养化程度较轻的湖泊中得到了大量的应用并取得了显著的成效。如申请人在上海崇明的明珠湖，通过人工种植、移栽多种沉水植物，并通过食物网结构的调控，结果使整个湖泊的水生植被覆盖率从修复前的不足20％，经两年时间达到90％以上，从而为维持明珠湖生态系统结构的稳定性和水质的改善发挥了重要的作用。目前国内对水生植物修复技术开展了大量的研究，形成了各种专利技术，申请人就有多项技术获得了国家发明专利的授权。
除了通过修复水生植物从而对初级生产者结构作出调控外，还可通过增加初级消费者来调控初级生产者和对整个食物网结构作出调整。目前，这方面国内外都有大量的研究。如国内非常重视利用多种淡水贝类如三角帆蚌、褶缝冠蚌、背角无齿蚌等来进行水环境的治理，通过投放各种淡水贝类，可有效地增加对各种浮游植物的牧食，从而也会对生产者结构产生较大影响。此外，水体中放养鲢、鳙等，实施所谓的非经典生物操纵，也将起到对初级生产者——水体中浮游植物种类(结构)和数量的调控。
类似的技术包括在国际上广泛使用的经典生物操纵技术。该技术是通过增加水体中处于顶级消费者的凶猛鱼类数量，借此来控制水体中的食浮游生物鱼类，从而增加水体中浮游动物的数量，达到对水体浮游植物控制的目标。目前，有关生物操纵技术的有效性问题在国内外仍都存在着一定的争议，由于水体中的食物网结构极其复杂，这种单一的生物操纵技术能否达到预期的效果，还要取决于具体受试生态系统的生物组成和营养化程度等。尽管上述各种调控措施在国内外都有应用，但一方面，由于生态系统自身的复杂性，任何单一的调控技术都可能存在这样或那样的问题，从而影响其最终的使用效果；同时这些单一的调控技术，并非适合所有的生态系统，每一项技术自身也存在着所谓的适用性问题。如何通过对这种单一技术的进一步研究，从而使各项单一的操纵技术更适合在被试系统中发挥更佳的效果也值得重视。
4、综合调控
虽然各种单一调控技术在国内外得到了广泛的应用，但由于生态系统的各种结构和生态过程并非如这些技术所假设的那样理想化，实际上，任何一个生态系统，无论其生物结构还是生态过程，都存在巨大的复杂性，即以往这种单一技术必然会存在这样或那样的局限，因此，目前国内外都倾向于将多种调控技术结合起来使用，从而形成所谓的综合调控技术，如将水利调控与生态调控的有机整合、生态调控中将水生植物的修复与生物操纵技术的整合等等。这是生态系统调控的必然趋势。
发明内容
本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供一种浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法。
为了实现上述目的，本发明采用的浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法技术方案如下：
所述的方法包括步骤：
(1)生态系统的结构与功能评估技术：
针对营养失衡湖泊，使用ecopath模型，得到所述的湖泊的生态系统中各功能组的关键参数，了解所述的湖泊的生态系统中的不同营养级分配、各营养级功能强弱、不同功能组生物量大小，分析并评估所存在的失衡因子的类别和影响；
(2)多营养级生物操纵技术：
(2-1)多种生物的联合效应：根据步骤(1)中所获得的失衡因子的类别，确定各类失衡因子所处营养级的位置，采用标记增殖放流技术，加强所述的湖泊的生态系统中的薄弱物质循环通路；
(2-2)生态修复评估：使用生态修复工具种并计算出增殖放流该功能组生物所占比例，进行立体放养，并以标志重捕法回捕，通过滤食性鱼类渔获量评估浮游植物去除率，从而获得增殖放流生态效益；
(3)浅水区植被恢复及湿地重建技术：
(3-1)调查浅水区及湿地植被组成、分布、生物量及类型，确定植物功能类群，评估植物功能群中相对薄弱功能组，利用ecopath模型，加强起点于水草食物链能量物质通路；
(3-2)选取适宜的水生植物，根据步骤(3-1)所获得的有益水生植物种类的缺失及数量不足，计算出水生植物的种植密度，在浅水区及湿地进行合理划分区域，针对不同地形合理种植；
(4)重复以上步骤(1)、(2)、(3)；
(5)水质水量联合调控：
检测所述的湖泊所在地区的降雨量并监测所述的湖泊的库容更替，根据水动力模型，获得水域特征、营养失衡状况及水生生物群落功能群组成，定期检测并验证水体理化指标。
较佳地，在所述的步骤(2-1)的标记增殖放流技术中，增殖放流滤食性鱼类、滤食性蚌类、碎屑食性鱼类以及刮食性螺类，以多种生物联合、水平及垂直方向共同作用。
较佳地，在所述的步骤(2-1)的标记增殖放流技术中，增殖放流鲢鳙20～40g/m3、比例3:7～4:6，鲴类5～15g/m2；蚌类15～25g/m2，螺类30～45g/m2。
较佳地，在所述的步骤(5)中所述的水体理化指标包括营养盐水平、pH、水温、水深、溶氧、透明度、浊度、电导率、TDS、以及浮游植物和浮游动物指标。
附图说明
图1为采用本发明方法的示范区域与对比水域叶绿素a比较。
图2为采用本发明方法的示范区域与对比水域TP含量比较。
图3为采用本发明方法的示范区域对浮游植物多样性的影响。
图4为采用本发明方法的示范区域对鱼类多样性的影响。
图5a～5b为采用本发明方法的示范区域对大型浮游植物多样性的影响。
图6a～6b为采用本发明方法的示范区域对底栖动物多样性的影响。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
以下以滆湖为例，对本发明提供的浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法进行具体说明。
步骤(1)、生态系统的结构与功能评估技术：
针对营养失衡湖泊，使用ecopath模型，得到所述的湖泊的生态系统中各功能组的关键参数，了解所述的湖泊的生态系统中的不同营养级分配、各营养级功能强弱、不同功能组生物量大小，分析并评估所存在的失衡因子的类别和影响。
具体如下：
滆湖2010年生态系统Ecopath模型
功能组设置
表1滆湖生态系统各功能组名称及其包含物种
Figure RE-GDA0002341586430000051
通过功能组设置，生物量、生产量/生物量(P/B系数)、摄食量/生物量系数(Q/B)、未同化生物量(GS)的计算或估计与输入，模型平衡调试后运行ecopath，即可得到一系列生态系统水平上的参数，如食物链、营养级以及能量沿着食物链和在营养级间的流动模式、混合营养作用、生态系统再循环特征和总体特征等，从而对湖泊生态系统层面的结构和功能现状及及其失衡因子开展分析与评估。
将如表1所示的数据输入ecopath软件并经过预运算、参数调整之后，最终输入2010年滆湖生态系统模型的参数如表2所示；各功能组在不同营养级的分布如表3所示；不同营养级之间的转化效率如表4所示；生态系统成熟度如表5所示。
表2滆湖生态系统最终数据输入结果见表
Figure RE-GDA0002341586430000061
表3滆湖生态系统各功能组在不同营养级的分布
Figure RE-GDA0002341586430000062
Figure RE-GDA0002341586430000071
表4不同营养级之间的转化效率
Figure RE-GDA0002341586430000072
表5滆湖不同时期生态系统特征(生态系统成熟度)比较
Figure RE-GDA0002341586430000073
构建了上世纪80年代和2010年ecopath模型，通过模型分析可以得到，2010年滆湖浮游植物的平均密度为1.06×108cell/L，处于极度富营养化状态，因此浮游植物处于超标状态，而生态系统ecopath模型表明滤食性动物鲢鳙密度很低，对浮游植物的控制作用力很低，MTI 图表明软体动物对浮游植物的控制作用几乎可以忽略不计，因此需要往滆湖生态系统投入滤食性动物如鲢鳙、蚌等生物对其进行控制。过高的氮磷和藻类暴发导致水生植物覆盖率急剧下降，其生物量很低，从而导致起点于水生植物的食物链很弱。因此，需要对水生植物进行修复。
步骤(2)、多营养级生物操纵技术：
(2-1)多种生物的联合效应：根据步骤(1)中所获得的失衡因子的类别，确定各类失衡因子所处营养级的位置，采用标记增殖放流技术，加强所述的湖泊的生态系统中的薄弱物质循环通路；
步骤(2-1)是对营养级中的失衡因子(消费者)数量或者密度上的补充，以完善缺失食物网或者增强营养级的作用(2-2)是该技术的具体应用。
(2-2)生态修复评估：使用生态修复工具种并计算出增殖放流该功能组生物所占比例，进行立体放养，并以标志重捕法回捕，通过滤食性鱼类渔获量评估浮游植物去除率，从而获得增殖放流生态效益。
其中，根据鱼类食性进行选择生态工具种，草食性和肉食性按照比例投放，一般为鲢、鳙、鲴类。增殖放流的功能组生物中含有生态修复工具种和滤食性鱼类，首先确定功能组生物，按照比例投放，然后功能组生物中选择生态修复工具种(鲢鳙等)，在生态修复工具种中以滤食性鱼类进行评估。
具体为：
多营养级生物操纵技术通过放养和调控滤食性鱼类和蚌类、碎屑食性鱼类如鯝鱼及刮食性螺类的生物量，增加对浮游和附着藻类的控制能力以及死有机质的分解能力，充分利用各种生物对水体氮磷的泵吸作用，促进对水质的净化。
运行参数：鲢鳙生物量20.7g/m3，比例约2.51:1，鲢规格0.19～3.99kg/尾，鳙规格0.45～ 3.86kg/尾。鯝鱼生物量约5.3kg/m2，规格271～891g/尾。螺类约33.1g/m2，蚌类约16.2g/m2。
经过一系列实验室小试试验、鱼蚌螺草控藻及其对水质的影响的原位围隔试验，构建多营养级生物操纵技术。
在滆湖北部湖区14km2的水域开展了工程示范，第三方监测结果表明，叶绿素a去除率为62.0％，总磷削减率为27.4％，水生生物各类群多样性增加35.7％～140.4％。
采用体内标(如金属线码标志仪)或体外标等对一定比例的增殖放流个体进行标志，同时抽样对增殖放流和标志个体进行体长体重测量。一段时间后对标志个体进行回捕以及渔业捕捞量调查，测量体长体重和氮磷含量。根据标志回捕方法计算种群数量、存活率和生长率。渔业捕捞经济收益减去增殖放流成本即可得到增殖放流的经济效益。种群数量乘以藻类日摄食量即可得到滤食性动物藻类日摄食量，渔业捕捞量乘以捕捞物种氮磷含量即可得到捕捞氮磷移除量，将藻类年摄食量和捕捞氮磷移除量转换成通货便可获得增殖放流的生态效益。
标志放流鲢鳙鲴规格50～250g/尾，标志比例为增殖放流数量的5～10％.标志鱼用2％的高锰酸钾溶液浸泡2～5min。夏花标志放流4个月后开始回捕，一直延续到翌年和/或第3 年年底，冬片标志放流8个月后开始回捕，一直延续到翌年年底。采用内网为4、6、8、10、 12cm的刺网进行标志鱼类的回捕监测。
(3)浅水区植被恢复及湿地重建技术：
(3-1)调查浅水区及湿地植被组成、分布、生物量及类型，确定植物功能类群，评估植物功能群中相对薄弱功能组，利用ecopath模型，加强起点于水草食物链能量物质通路；
(3-2)选取适宜的水生植物，根据步骤(3-1)所获得的有益水生植物种类的缺失及数量不足，计算出水生植物的种植密度，在浅水区及湿地进行合理划分区域，针对不同地形合理种植；
其中，通过步骤(3-1)所获得的水生植物的种类及数量缺失，按照整个湖区的面积大小、草食性生物的生物量及湖泊规划面积进行选择与分配种植密度。
(4)重复以上步骤(1)、(2)、(3)；
(5)水质水量联合调控：
检测所述的湖泊所在地区的降雨量并监测所述的湖泊的库容更替，根据水动力模型，获得水域特征、营养失衡状况及水生生物群落功能群组成，定期检测并验证水体理化指标，所述的水体理化指标包括营养盐水平、pH、水温、水深、溶氧、透明度、浊度、电导率、TDS、以及浮游植物和浮游动物指标。
步骤(5)用于维持水生态系统的动态平衡，其中步骤1～4是利用各种技术手段将水质、水环境参数等控制到一定平衡范围内，步骤5主要对步骤1～4使用后效果的检测；是对后续水生态系统进一步优化做保障与铺垫。
在本发明提供的方法中，步骤(1)是获得整个湖泊的生态系统概况，步骤(2)是通过各营养级之间的联合效应除去水体中的藻类，进而降低水体中由于N、P浓度，改善水体富营养化状况，由于藻类生物量的降低，藻类生态位出现缺失，所以通过步骤(3)增加水生植物的种类与密度，补充生态位的缺失及对N、P浓度的调控，进而从藻型湖泊向草型湖泊的转变，步骤(5)主要检测与控制水体中N、P的输入，结合步骤(3)共同调控水体中N、P浓度。
采用本发明方法后，对滆湖生态系统使用ecopath模型进行重新评估，具体方法如步骤(1) 所示，先获得该生态系统的各功能组，将数据输入ecopath软件并经过预运算、参数调整之后，获得最终输入2015年滆湖生态系统模型的参数、各功能组在不同营养级的分布、不同营养级之间的转化效率等，其中生态系统成熟度如表6所示。
表6滆湖修复前后生态系统特征比较
Figure RE-GDA0002341586430000101
采用本发明方法的示范区域的持续监测结果如下。
图1为连续7个月叶绿素a监测结果，与对比水域叶绿素a比较，示范区域水域叶绿素a 均有明显的降低，去除率在19.97％～94.05％之间，平均去除率为61.98％。
图2为连续7个月TP监测结果，示范区域水域TP均明显低于对比水域，去除率在15.4～ 61.7％之间，平均去除率为27.39％。
图3a～6b显示示范区域对生物多样性影响的监测效果，其中图3a～3b为浮游植物影响，示范区域水域浮游植物群落物种数及Shannon生物多样性指数均高于对比水域，Shannon多样性指数增加幅度在23.8～135.9％之间，平均为79.85％；物种数增加幅度在10.3～61.1％之间，平均为35.7％；图4a～4b为对鱼类多样性影响，示范工程鱼类群落物种数及Shannon生物多样性指数均高于对比水域，Shannon多样性指数增加幅度为36.94％；物种数增加幅度为 42.95％；图5a～5b为对桡足类动物多样性影响，示范工程大型桡足类动物群落物种数及 Shannon生物多样性指数均高于对比水域，Shannon多样性指数增加幅度在58.4～222.4％之间，平均为140.4％；物种数增加幅度在62.5～66.7％之间，平均为64.6％。图6a～6b为针对底栖动物多样性的影响，示范工程水域底栖动物群落物种数及Shannon生物多样性指数均高于对比水域，平均Shannon多样性增加率在37.1～88.5％之间波动，平均值为62.8％；物种数增加幅度在60.0～75.0％之间，平均为67.5％。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (4)

1.一种浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：
(1)生态系统的结构与功能评估技术：
针对营养失衡湖泊，使用ecopath模型，得到所述的湖泊的生态系统中各功能组的关键参数，了解所述的湖泊的生态系统中的不同营养级分配、各营养级功能强弱、不同功能组生物量大小，分析并评估失衡因子的类别和影响；
(2)多营养级生物操纵技术：
(2-1)多种生物的联合效应：根据步骤(1)中所获得的失衡因子的类别，确定各类失衡因子所处营养级的位置，采用标记增殖放流技术，加强所述的湖泊的生态系统中的薄弱物质循环通路；
(2-2)生态修复评估：使用生态修复工具种并计算出增殖放流该功能组生物所占比例，进行立体放养，并以标志重捕法回捕，通过滤食性鱼类渔获量评估浮游植物去除率，从而获得增殖放流生态效益；
(3)浅水区植被恢复及湿地重建技术：
(3-1)调查浅水区及湿地植被组成、分布、生物量及类型，确定植物功能类群，评估植物功能群中相对薄弱功能组，利用ecopath模型，加强起点于水草食物链能量物质通路；
(3-2)选取适宜的水生植物，根据步骤(3-1)所获得的有益水生植物种类的缺失及数量不足，计算出水生植物的种植密度，在浅水区及湿地进行合理划分区域，针对不同地形合理种植；
(4)重复以上步骤(1)、(2)、(3)；
(5)水质水量联合调控：
检测所述的湖泊所在地区的降雨量并监测所述的湖泊的库容更替，根据水动力模型，获得水域特征、营养失衡状况及水生生物群落功能群组成，定期检测并验证水体理化指标。
2.根据权利要求1所述的浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法，其特征在于，在所述的步骤(2-1)的标记增殖放流技术中，增殖放流滤食性鱼类、滤食性蚌类、碎屑食性鱼类以及刮食性螺类，以多种生物联合、水平及垂直方向共同作用。
3.根据权利要求1或2所述的浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法，其特征在于，在所述的步骤(2-1)的标记增殖放流技术中，增殖放流鲢鳙20～40g/m3、比例3:7～4:6，鲴类5～15g/m2；蚌类15～25g/m2，螺类30～45g/m2。
4.根据权利要求1所述的浅水湖泊生态系统调控与稳定维持方法，其特征在于，在所述的步骤(5)中所述的水体理化指标包括营养盐水平、pH、水温、水深、溶氧、透明度、浊度、电导率、TDS、以及浮游植物和浮游动物指标。
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