CN111199019B - 污染淡水域沉水植物群落的恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保领域，具体涉及污染淡水域沉水植物群落的恢复方法。本发明的沉水植物恢复方法是在确定目标水域所种植的沉水植物群落构成后，按照阶段性方案，第一阶段种植沉水植物物种搭配组合，在第一阶段沉水植物物种栽种完毕后，以当前水深作为第二阶段沉水植物修复的光补偿深度，若在该光补偿深度下的透明度≥实际透明度，则安排种植第二阶段中等耐污和敏感物种的沉水植物组合，而获得良好的沉水植物修复效果。

Description

污染淡水域沉水植物群落的恢复方法

技术领域

本发明属于环保领域，具体涉及污染淡水域沉水植物群落的恢复方法。

背景技术

地球上只有3％的淡水资源，其中大多来自南极固体冰川，少部分来自地下水和淡水湖泊，而淡水湖泊对于生态环境具有重大意义。我国淡水湖泊的生态环境不断恶化，水位及水环境质量不断下降，导致物种丧失、生物多样性下降等，严重影响了当地居民的生产生活，并给当地生态系统平衡和区域可持续发展带来了巨大威胁。因此，治理淡水湖泊，实现淡水湖泊的可持续发展成为生态学家关注的热点之一。

大型沉水植物是水生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者，介于水-泥、水-气及水陆界面对生态系统物质和能量的循环和传递起调控作用。对于浅水湖泊而言，重建水生植被是治理富营养化和恢复湖泊生态的重要措施。

“光补偿点”指沉水植物在一定的光照下，光合作用吸收的CO₂数量与呼吸作用产生的CO₂数量达到平衡状态时的光辐射强度。“沉水植物种群光补偿深度(H)”指光合作用与呼吸作用平衡时的水体深度，也是水柱净初级生产力刚好为零的深度。“透明度”是描述湖泊光学的一个重要参数，能直观反映湖水清澈和混浊程度。

现有技术针对沉水植物修复，通常利用沉水植物种群(群落)光补偿深度与实际水深进行比较，以判定沉水植物种群(群落)是否可以在目标水域生存，若沉水植物种群(群落)光补偿深度≥实际水深，则沉水植物种群(群落)在目标水域可以存活，若沉水植物种群(群落)光补偿深度<实际水深，则沉水植物种群(群落)在目标水域无法存活。在实际修复过程中却存在按照上述判断标准栽种沉水植物栽种后，沉水植物无法存活的问题。例如，2009年对太湖的沉水植物修复，随着实验的结束，特别是拆除经过处理的围栏与开放水域分隔开的软幕，新建立的生态系统和繁茂的水生植物立即崩溃，沉水植物难以恢复并形成稳定的群落。

在本发明的水体恢复实践过程中发现，将某些低光层适应能力强且耐污性较差的物种加入群落后，根据公式计算所得的光补偿深度的数值要大于不添加该物种的群落光补偿深度的数值，表现为在修复初期加入该物种后的群落更容易存活，但是实际的试验结果表明，在修复初期加入某些低光层适应能力强且耐污性较差的物种后，因其群落耐污性能差而难以存活。同时本发明经试验发现，随着对低光层适应能力强的沉水植物物种的添加，得到的沉水植物群落光补偿深度与该群落中个别沉水植物种群光补偿深度相比，群落光补偿深度比种群光补偿深度高。

然而，基于现有文献及调研结果表明，群落较种群更难以生存，因此依据现有技术所教导的仅仅基于光补偿深度的修复方案是片面的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污染淡水域沉水植物群落的恢复方法。

根据本发明的具体实施方式的污染淡水域沉水植物群落的恢复方法，包括以下步骤：

S1、确定目标水域中构成沉水植物群落的优势物种，

(1-1)针对目标水域确定取样点，并采集取样点沉水植物信息，包括种类、生物量、数量；

(1-2)对目标水域的沉水植物信息进行历史文献调查，调查信息包括沉水植物种类、生物量、数量；

(1-3)综合构成目标水域现有沉水植物群落的物种以及目标水域的历史信息中有记载的沉水植物物种，并通过以下公式确定该目标水域的构成沉水植物群落的优势种，

Y＝(n_i/N)*f_i，其中，

Y代表优势度，n_i表示第i种出现的个体数，N表示总个体数，f_i表示第i种在各个站位出现的频率，

Y≥0.02的物种为优势种；Y≥0.01的物种为主要优势种，Y≥0.02的物种为优势种；Y>0.1的物种为绝对优势种；

S2、分阶段种植，

判断步骤S1中确定的优势种的耐污性能，

确定目标水域的水体透明度与沉水植物的光补偿深度的关系式Hc＝A*SD+B，

式中，SD为水体透明度，Hc为组成沉水植物群落优势物种的光补偿深度，A、B为常数，

从优势种中选择两种或多种耐污种沉水植物进行第一阶段种植，且耐污品种沉水植物群落的光补偿深度≥实际水深，即针对第一阶段种植沉水植物物种搭配组合，确定当前透明度下对应的沉水植物耐污种光补偿深度，与实际水深进行比较，确定该透明度下沉水植物能否栽种，若能则进行栽种沉水植物初期修复物种目标，若不能，则先通过工程措施进行水质改善后再行栽种，

在第一阶段沉水植物物种栽种完毕后，以当前水深作为第二阶段沉水植物修复的光补偿深度，若在该光补偿深度下的透明度≥实际透明度，则安排种植第二阶段中等耐污和敏感的沉水植物物组合；

S3、评价沉水植物修复效果

选取相关评价指标，例如，底泥污染特征指标、沉水植物种群光补偿深度与水体深度的比值指标以及沉水植物Shannon-Wiener多样性指数等。根据评估指标设定修复完成区和尚未完成区，以此判断修复效果。

本发明的有益效果：

本发明基于沉水植物的耐污性能，首先确定沉水植物修复方案是否为阶段性修复；然后根据沉水植物种类数和生物量确定沉水植物初步修复目标，然后判断沉水植物对低光层的适应能力，并计算沉水植物光补偿深度从而与透明度建立关系式，根据此关系式确定沉水植物修复时，当前湖泊的透明度所对应的沉水植物群落光补偿深度，从而推出适宜修复物种目标，若其中有对低光层适应能力强但耐污性不强的沉水植物物种，要对其进行删减，若不存在对低光层适应能力强但耐污性不强的沉水植物物种可以进行种植，从而得到最终修复方案。

如前所述，如果依据现有理论，选择在修复初期加入对低光环境适应能力强且耐污性较差的物种，则所得群落基于光补偿深度反而升高，本发明的沉水植物恢复方法兼顾沉水植物耐污性能、对低光层的适应能力以及光补偿深度等因素，解决了该技术问题。本发明经试验发现，沉水植物群落随着对低光层适应能力强的沉水植物物种的添加，得到的沉水植物群落光补偿深度与沉水植物种群光补偿深度，分别与实际水深进行比较，表现出沉水植物群落较沉水植物种群更易存活。根据本发明的技术方案，在每个修复阶段都选择考虑修复该水域的沉水植物群落，而非种群，意在成功修复水体的沉水植物群落，使其兼顾不同形态的沉水植物竞争优势，保证目标水域的生物多样性。

与现有技术相比，本发明从光补偿深度出发，对沉水植物光补偿点进行研究，发现沉水植物对光的敏感性不同，仅仅基于光补偿深度作为沉水植物修复的评判依据是片面的，同时针对水体修复初期水质恶劣等情况，提出基于沉水植物的耐污性能的分阶段种植方案，并增加评估体系作为是否实现沉水植物修复目标的标准。

此外，本发明对沉水植物的选取不仅仅是基于当前水体现状，同时结合该水域沉水植物历史群落组成、沉水植物自身特性(耐污性能、光敏感性)等，从而筛选出适宜该水体修复的沉水植物群落目标，并结合耐污性能进行分阶段种植，以确保沉水植物种植后可以存活并稳定的效果。

具体实施方式

本发明中，“光补偿点”指沉水植物在一定的光照下，光合作用吸收的CO₂数量与呼吸作用产生的CO₂数量达到平衡状态时的光辐射强度。

本发明中，沉水植物光补偿深度是指光照强度等于种群(或群落)昼夜光补偿点时的水深。以24h为新陈代谢周期，沉水植物在光补偿深度处的呼吸作用消耗的有机物与光合作用合成的有机物相等。

本发明中，“透明度”是描述湖泊光学的一个重要参数，能直观反映湖水清澈和混浊程度，一般用塞氏盘(Secchi Disc)进行测量。

本发明中，“烧失量(LOI)”，是反映沉积物中有机质含量多少的一个指标，一般采用在550℃高温下灼烧法来测定。

实施例1利用现有方法设计河北某水域沉水植物修复方案

对河北某水域现有沉水植物和水下光场进行调研。

将每个监测点的水深梯度与对应的PAR值进行回归分析，回归方程的通式为：

I_t＝I₀ ^e-αt (1)

式中，I₀为水面下0m处PAR强度μmol(m²·s)；t为水面下深度m，I_t为深度tm处的PAR强度μmol(m²·s)，α为光的衰减系数m^-1。

后期将沉水植物昼夜光补偿点及每个监测点位的光衰减系数α代入公式，得到各监测点位的沉水植物种群和群落的光补偿深度。

仅考虑沉水植物的光补偿特性，针对该水域现有沉水植物种群和群落搭配，进行沉水植物种群(群落)光补偿点测定实验。

针对沉水植物种群光补偿点试验，表明沉水植物种类不同，光补偿点具有较大差别，例如，部分植物的光补偿点从小到大排序为苦草<轮叶黑藻<龙须眼子菜<金鱼藻<穗花狐尾藻，即其适应弱光的能力按从大到小依次排序为苦草>轮叶黑藻>龙须眼子菜>金鱼藻>穗花狐尾藻。

针对沉水植物群落光补偿点试验的结果表明，沉水植物群落随着对低光层适应能力强的沉水植物物种(苦草)的添加，导致其群落光补偿点的数值开始下降，将其群落光补偿点带入上述公式(1)，得到的沉水植物群落光补偿深度与沉水植物种群光补偿深度，分别与实际水深进行比较，表现为沉水植物群落较沉水植物种群更易存活，这与群落较种群更难以生存的实际试验结果矛盾。

实施例2恢复区域沉水植物

恢复实施例1所述的河北某水域的沉水植物

1.确定沉水植物恢复的优势种

1.1布设取样点

以系统布点中网格布点为主，同时在河口适当加密，共计在该水域布设20个取样点。

在水体中选取垂直于等深线的断面，在断面上设取样点，作为小样本，用水草夹进行定量采集，共选取若干断面，由样本结果推断总体。

根据水体特点(大小和地势)及水生植物的分布情况(分带和覆盖率)，选数条具有代表性的断面。最少样点数必须包括植被的大部分现存种，可以根据种-面积曲线来确定。样点一般均匀的分布在所设断面上：沉水植物样方的面积为0.5m*0.5m或0.2m*0.2m。

m_f＝m₁/A；式中，

m_f-以鲜重表示的现存量，g/m^-2；m₁-样品鲜重，g；A-样方面积，m²。

公式m_d＝m₂/A；式中：

m_d-以干重表示的现存量，g/m；m2-样品干重，g；A-样方面积，m²。

1.2对目标水域进行历史文献调查，得到在过去沉水植物出现的种类、数量和生物量。

其中，历史文献调查的时间跨度最少为5年，需要获得目标水域的不同历史时期的沉水植物种类、数量和生物量信息，便于确定沉水植物优势种、出现率等参数。

物种得分的计算公式如下：

其中，TIM＝大型植物的营养指数，IVa＝物种a的指标值，Wa＝物种a的加权因子，Qa＝河段中物种a的数量。

物种得分是依据沉水植物对富营养化的响应来判定，其中，当TIM值为2.60～4时，物种a为耐污品种，

当TIM值为1.87～2.60时，物种a为中等耐污品种，

TIM值为1～1.87时，物种a为敏感品种。

1.3现状调查

在每个取样点采集沉水植物种类、数量、生物量数据；

利用优势度计算公式，计算优势种，其中，

Y＝(n_i/N)*f_i；

n_i表示第i种出现的个体数，N表示总个体数，f_i表示第i种在各个站位出现的频率。

优势种即为优势度Y≥0.02的物种，一般优势度大于0.1的为绝对优势种；大于0.01的为主要优势种。

在该水域中龙须眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻因其耐污种和优势种的双重地位确定为第一阶段的沉水植物恢复物种目标，在第二阶段恢复物种的选取上，基于中等耐污种和敏感物种以及出现频率高低的考虑，确定第二阶段的恢复目标物种有中等耐污种(苦草和轮叶黑藻)和敏感物种(黄花狸藻和大茨藻)。

2.设计取样方案、开展样品采集

2.1测量取样点水体深度、透明度

水体深度采用测杆法或者利用水深测定仪测定；

透明度采用塞氏盘进行测量；

沉水植物利用水草夹采集；

不同梯度水深的光照强度采用光照强度测试仪进行测量。

3.光补偿点的测定

测定植物种群或植物群落的光补偿点。

通过计算同一优势种的沉水植物群落搭配的光补偿点，发现沉水植物群落配比对光补偿点影响不大，例如，金鱼藻：龙须眼子菜：穗花狐尾藻采用1：2：1比例时，群落的光补偿点为28.49μmolm^-2s^-1，而金鱼藻：龙须眼子菜：穗花狐尾藻：轮叶黑藻采用1：2：1：1比例时，群落光补偿点为29.66μmolm^-2s^-1。因此针对基础群落穗花狐尾藻+龙须眼子菜+金鱼藻采用工程修复常用的比例1：2：1。

其中，耐污种、中等耐污种以及敏感物种的比例均建立在基础工程比例1：2：1上，随后物种比例均为1，且中等耐污种与敏感物种的投加种类均在前期沉水植物历史与现状调研的基础上进行初步目标群落组成进行拟设定，进而判断在当前水域是否可以生存。

4.确定光补偿深度

4.1确定水下光场中的光衰减系数

实测各取样点不同水深处的光合有效辐射，利用所测定的光合有效辐射以及相对于水深做指数拟合，得到It＝I₀e^-αt，式中，I₀为水面下0m处PAR强度μmol(m²·s)；t为水面下深度m，It为深度t m处的PAR强度μmol(m²·s)，α为光的衰减系数(m^-1)。

得到该点位水体的光合有效辐射的衰减系数α。

通过曲线拟合，得到不同水深下的光合有效辐射，其拟合曲线为y＝1995e^-1.61x，即It＝1995e^-1.61t，式中，1.61为光合有效辐射的衰减系数，即α。

4.2确定沉水植物种群(群落)光补偿深度

计算光补偿深度Hc＝A*SD+B，式中，SD为透明度，为A，B常数。

将沉水植物光补偿深度与透明度数据进行回归拟合，得到A与B。光补偿深度Hc为上式It＝I₀e^-αt中It取光补偿点对应的t值。

然后根据H＝A*SD+B和其它取样点的透明度求出其它取样点的沉水植物种群光补偿深度；

本实施例中，第一阶段沉水植物群落光补偿深度是透明度的1.70倍，Hc＝1.70SD+0.74。

由水下光场的监测，可以得到不同水深对应的光强公式，利用拟合得到的公式可以将光补偿点带入得到光补偿深度，随后利用光补偿深度与透明度回归拟合得到的关系式，得到不同沉水植物光补偿深度与透明度关系式。从而通过该公式可以计算出当前水域的透明度下对应的第一阶段耐污种沉水植物群落光补偿深度，将其与实际水深进行比较，若沉水植物光补偿深度≥实际水深，则沉水植物可以存活；若沉水植物光补偿深度<实际水深，则沉水植物无法存活。由此判断出前期耐污种的沉水植物搭配为哪些。

随后利用不同沉水植物光补偿深度与透明度关系式，将实际水深设定为第二阶段沉水植物群落光补偿深度，计算对应的透明度与当前透明度是否一致，若不一致，需要提升到其计算值。

本实施例中，初步设定的修复方案为两阶段修复，分别为第一阶段耐污种(龙须眼子菜+金鱼藻+穗花狐尾藻)，第二阶段中等耐污种(苦草+轮叶黑藻)+敏感物种(大茨藻+黄花狸藻)。

随后利用沉水植物光补偿深度与透明度的关系式对上述方案进行再次判定，若取白洋淀平均透明度0.86m为当前透明度值，利用公式Hc＝1.70SD+0.74计算沉水植物群落光补偿深度。若当前实际水深大于沉水植物群落光补偿深度，则初期需要提高透明度，例如食藻虫等浮游动物的投加，降低叶绿素，提高透明度，从而提高光补偿深度达到可以栽种耐污种群落的目的，若当前实际水深为2.0m，小于沉水植物光补偿深度(2.02m)，因此第一阶段耐污种的搭配选取为金鱼藻、龙须眼子菜和穗花狐尾藻。

利用当前实际水深为第二阶段沉水植物光补偿深度，透明度计算值在0.75m，低于当前透明度，因此在该透明度下，第二阶段的中等耐污种和敏感物种可以与耐污种共同栽种。

5.构建评估体系

5.1确定光补偿深度

方法同步骤4方法。

通过曲线拟合，得到不同水深下光合有效辐射值的拟合曲线为y＝1995e^-1.61x，式中，1.61为光合有效辐射的衰减系数，即α。

通过公式Hc＝4.605/α计算光补偿深度(Hc)。重复以上拟合和计算步骤，得到部分取样点的光合有效辐射的衰减系数和沉水植物种群光补偿深度。

Qi＝沉水植物光补偿深度/实际水深；

计算出所有取样点沉水植物光补偿深度。

5.2

选取相关评价指标，例如，底泥污染特征指标、沉水植物种群光补偿深度与水体深度的比值指标和/或沉水植物Shannon-Wiener多样性指数等，根据评估指标设定修复完成区和尚未完成区，以此判断修复效果。

Claims (3)

1.污染淡水域沉水植物群落的恢复方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、确定目标水域中构成沉水植物群落的优势物种，

针对目标水域确定取样点，并采集取样点沉水植物信息，获得目标水域现有的沉水植物的种类、生物量、数量信息，

对目标水域的沉水植物信息进行历史文献调查，调查信息包括沉水植物的种类、生物量、数量信息，

利用目标水域现有沉水植物群落的沉水植物的信息以及目标水域的历史文献调查的信息，通过以下公式确定目标水域的沉水植物群落的优势种，

Y＝(ni/N)*fi，其中，

Y表示优势度，ni表示第i种出现的个体数，N表示总个体数，fi表示第i种在各个站位出现的频率，

Y≥0.02的物种为优势种，Y≥0.01的物种为主要优势种，Y>0.1的物种为绝对优势种；

S2、分阶段种植，

判断步骤S1中确定的优势种的耐污性能，其中，通过以下公式计算物种得分：

其中，TIM＝大型植物的营养指数，IVa＝物种a的指标值，Wa＝物种a的加权因子，Qa＝河段中物种a的数量，当TIM值为2.60～4时，物种a为耐污品种，当TIM值为1.87～2.60时，物种a为中等耐污品种，TIM值为1～1.87时，物种a为敏感品种，

确定目标水域的水体透明度与沉水植物的光补偿深度的关系式Hc＝A*SD+B，

式中，SD为水体透明度，Hc为组成沉水植物群落优势物种的光补偿深度，A、B为常数，

从优势种中选择两种或多种耐污沉水植物品种进行第一阶段种植，且耐污沉水植物群落的光补偿深度≥实际水深，针对第一阶段种植沉水植物物种搭配组合，确定当前透明度下对应的沉水植物耐污种光补偿深度，与实际水深进行比较，确定该透明度下沉水植物能否栽种，若能则进行栽种，若不能，则先通过工程措施进行水质改善后再行栽种，

在第一阶段沉水植物物种栽种完毕后，以当前水深作为第二阶段沉水植物修复的光补偿深度，若在该光补偿深度下的透明度≥实际透明度，则安排种植第二阶段中等耐污品种和敏感品种的沉水植物组合；

S3、评价沉水植物的修复效果。

2.根据权利要求1所述的污染淡水域沉水植物群落的恢复方法，其特征在于，在评价沉水植物的修复效果的步骤中，根据评估指标设定修复完成区和尚未完成区，以此判断修复效果。

3.根据权利要求2所述的污染淡水域沉水植物群落的恢复方法，其特征在于，在评价沉水植物的修复效果的步骤中，所述评估指标包括底泥污染特征指标、沉水植物种群光补偿深度与水体深度的比值指标和/或沉水植物Shannon-Wiener多样性指数。