一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复
方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着经济、社会的快速发展，我国的一些
淡水湖泊、城市内湖面临
水体富营养化的巨大压
力，某些地方水体污染十分严重，如巢湖、滇池、太湖等。水体富营养化污染的主要来源是水体中含有的大量营养盐，主要是氮、磷污染物。水体富营养化是水体演变、衰老的自然过程，在人类活动的影响下这种缓慢的天然过程
加速非常快。我国许多地区特别是农业集约化程度高、氮肥用量大的地区，水体富营养化问题更加突出。
[0003] 目前，我国的水体已有65％呈现富营养状态，还有29％正在转向富营养状态，水体富营养化已成为我国水体面临的重大环境问题之一。由于水体中营养物质过多，水生生物(如大型水草、着生藻类、浮游藻类)的生物量和生产量不断增加，尤其是以浮游
植物“藻华”为代表，水草和藻类的呼吸作用及其死亡分解过程所消耗掉的大量溶解
氧，致使水体处于严重的缺氧状态，产生有毒物质(如
硫化氢)，严重降低水体
质量，威胁水生生物的生存。
[0004] 当前，利用生态学手段对富营养化水体进行修复主要以生物操纵技术为主。生物操纵技术是基于生态系统的
能量流动模式，借助食物链中各营养级间的捕食关系，通过改变受损水体的
生物群落结构，尤其是通过投加高级鱼类消费者，发挥其下行效应，达到改善水体质量、恢复水生态系统的生态平衡的目的。生物操纵是一种耗资少、纯天然的修复技术。但在实施过程中，主要存在以下难以确定的科学问题：1)所投加鱼类的生物量，2)鱼类的回收捕捞量，3)生态系统是否变的更加完善，4)系统修复效果如何评价。
[0005] 如何采用科学有效的方法对受损水体进行生态修复是目前亟需解决的问题。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服上述
现有技术的
缺陷和不足，提供一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法。所述方法从生态学、数量学和能量学
角度为目前以科学实验为手段的修复方法提供了新的思路参考和技术支持，对受损水体的生态修复具有十分重要的应用价值。
[0007] 本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
[0008] 一种基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法，包括如下步骤：
[0009] S1.采集受损水体中的碎屑和水生生物，确定其物种组成，然后根据各物种的捕食方式划分功能类群；
[0010] S2.进一步确定S1中各功能类群的生态学参数，包括生物量、生产力、消耗量、营养捕食关系，结合S1中所得的基本参数，录入ECOPATH模型，进行数据拟合、试运行、检验、重组；
[0011] S3.查看ECOPATH模型的输出结果，确定主要初级生产者，评估当前系统的初级生产力是否超标，即总初级生产力与总呼吸量比值是否>1，确定超标量；
[0012] S4.根据S3确定的超标量定量投加消费者功能类群，以维持生态系统运行所需的最低初级生产量。
[0013] 生态系统模型ECOPATH是发展成熟、容易操作且结合多种生态分析的套装
软件，用以建构生态系统食物网模式，并可进行生态模拟，为生态系统经营管理提供有效的科学参考依据。该模型依托数量生态学和能量生态学原理，对生态系统内各功能群的生物量、生产量、消耗量进行定量分析，以各营养级间的捕食关系为网络，可构建各类水体的能量流动模式。ECOPATH模型的优点在于可以通过改变相关参数模拟系统的能流变化趋势，并提供通用的生态系统指标让管理者可以评判系统变化的优劣。
[0014] 本发明首先利用ECOPATH模型拟合当前生态系统能量流动模式，在确定水体中浮游植物或大型水生植物的周年生产量过高时，根据模型输出结果，以维持系统运行所需的最低初级生产量为基准，针对多余的初级生产量，采用定量投加滤食性、草食性、杂食性以及
肉食性鱼类的方法，利用鱼类消费者的捕食作用增加对系统内初级生量的消耗，同时产生下行效应以控制初级生产者的生物量和群落结构。
[0015] 优选地，在确定消费者功能类群投加量后，在ECOPATH模型中录入新的系统参数，进行二次模拟，将二次模拟的输出结果与一次模拟，即修复前的模型拟合结果进行比较，对比修复前、后，目标水体在食物网结构完整性、营养功能多样性、能量传递有效性上的参数的变化，以确保修复效果能够实现对生态系统的改善，达到降低系统能量冗余，提高单位能流循环次数，增加食物链长度的目的。
[0016] 优选地，所述消费者功能类群为鱼类消费者。具体地，所述鱼类消费者为滤食性鱼类、
草食性鱼类、杂食性鱼类或肉食性鱼类。草食性和滤食性鱼类的投加以控制系统初级生产量、降低营养盐为目的，杂食性和肉食性鱼类投加以以提升系统成熟度、多样性、能流传递效率为目的。在保证草食性和滤食性鱼类的消耗量可有效降低系统中营养盐含量的
基础上，杂食性和肉食性鱼类的投加量可根据系统的发展程度进行调节。
[0017] 优选地，在S4全部鱼类消费者投加后，以年为单位，利用ECOPATH模型输出结果计算可回收的渔获物量，最大渔获量的确定需满足：1)捕捞后剩余的草食性和滤食性鱼类足够继续消耗次年多余的初级生产量；2)将量减小系统能流、生态属性、食物网结等参数的构变化；3)维持系统在相对成熟、稳定的状态。本发明在生态系统修复完成后，又利用ECOPATH模型对渔获量进行评估，根据评估结果对当年投加的经济鱼种进行
收获，使生态系统维持能量平衡，渔获物可直接带走水体中大量营养盐，并产生一定经济价值。
[0018] 优选地，S3主要初级生产者为水草和浮游，计算未利用的水草和浮游藻初级生产量，计算公式如下：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，UP水草(unutilised production)和UP浮游藻分别为未利用的水草和浮游藻初级生产量，P水草(production)和P浮游藻分别为水草和浮游藻的初级生产量，TP(total production)为系统的总初级生产量，即P水草和P浮游藻的加和，TR为系统的总呼吸量(total respiration)，以上数据单位均为g·m-2·year-1。
[0022] 优选地，S4为根据未利用的水草和浮游藻初级生产量，开始选择所投加的鱼类物种，计算各物种的事宜投加量，购买鱼苗并进行投加，所投加的物种可根据地区间差异自行选择；计算所投加的草食性或杂食性鱼类生物量，计算公式如下：
[0023]
[0024]
[0025] 其中，UP水草和UP浮游藻分别为未利用的水草和浮游藻初级生产量，单位g·m-2·year-1；C草食性鱼类(consumption)和C滤食性鱼类分别为草食性鱼类和滤食性鱼类的消耗量，单位g·m-2·year-1；D水草(diet)和D浮游藻分别为水草在草食性鱼类食物中的比例以及浮游藻在滤食性鱼类食物中的比例，单位％；B草食性鱼类(biomass)和B滤食性鱼类分别为所投加的草食性鱼类和滤食性鱼类的生物量，单位g·m-2；A(area)为修复区水体面积，单位m2；(C/B)草食性鱼类和(C/B)滤食性鱼类分别为模型中提供的草食性鱼类和滤食性鱼类的消耗率，无量纲。
[0026] 优选地，系统中杂食性和肉食性鱼类投加量以提升系统成熟度、多样性、能流传递效率为目标，本发明方法只提供系统所能承受的投加量上限，在此限度内，可根据修复水体的恢复速度、可供利用的鱼类生物量、渔获物市场经济价值等具体情况选择杂食性或肉食性投加量，投加量计算公式如下：
[0027]
[0028]
[0029] 其中，EEi(ecotrophic efficiency)为系统中功能类群i的生态营养利用效率；Pi和Pj为功能类群i和j的生产量，单位g·m-2·year-1；C肉食性鱼类和C滤食性鱼类分别为肉食性鱼类和杂食性鱼类的消耗量，单位g·m-2·year-1；Di和Dj分别为功能类群i和j在肉食性和杂食性鱼类食物中的比例。该公式主要说明系统肉食性鱼类和杂食性鱼类的消耗量不能超过任一功能群的生产量。
[0030] 优选地，所述水生生物为浮游植物、浮游动物、大型底栖动物或鱼类。
[0031] 优选地，所述滤食性鱼类为鲢、鳙鱼，草食性鱼类为草鱼，杂食性鱼类为鳊、团头鲂，肉食性鱼类为斑鳢、乌鳢。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0033] (1)本发明采用ECOPATH模型与生物操纵相结合的方法对受损水体进行修复方案设计，乃国际首次应用。该方法的成功运行将为水生态系统的保护与恢复提供重要的科学依据和技术支持。
[0034] (2)本发明通过以生态模型为依据进行修复，可以从食物网结构完整性、营养功能多样性、能量传递有效性等角度实现对生态系统的改善，达到降低系统能量冗余，提高单位能流循环次数，增加食物链长度的目的，使系统向更加稳定、成熟的方向发展。修复完成后，利用ECOPATH模型对渔获量进行评估，根据评估结果对当年投加的经济鱼种进行收获，使生态系统维持能量平衡，渔获物可直接带走水体中大量营养盐，并产生一定经济价值。本发明方法从生态学、数量学和能量学角度为目前以科学实验为手段的修复方法提供了新的思路参考和技术支持，对受损水体的生态修复具有十分重要的应用价值。
附图说明
[0035] 图1为
实施例1中雁田水库库尾的白泥坑库湾作为生态修复示范区示意图。
[0036] 图2为试验区域水质和富营养化状况修复前后效果比对图。
[0037] 图3为本发明基于生态系统模型和生物操纵技术的富营养化水体修复方法的
流程图。
具体实施方式
[0038] 以下结合
说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的
试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0039] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
[0040] 实施例1
[0041] 雁田水库库尾的白泥坑库湾作为生态修复示范区(图1)，示范区总面积约10200m2(长170米，宽60米)，对示范区进行分区处理，包括三个试验区，其中I区面积1200m2，II区面积6000m2，III区面积3000m2。
[0042] 本发明对该水库修复区的修复方案设计包括以下步骤：
[0043] 1、待修复水体中现存生物调查
[0044] 分别采用流刺网和定置虾笼、Peterson采泥器、浮游生物网对水体中现有的鱼类、大型底栖无
脊椎动物、浮游动植物进行采集，确定其生物量，生产量/生物量、消耗量/生物量、未同化率由模型自身提供，具体参数如表1所示。
[0045] 表1 修复前系统基本录入参数
[0046]
[0047]
[0048] 2、确定各生物类群间的捕食关系
[0049] 采用胃内含物分析方法对主要功能类群的食性组成进行定量分析，确定模型构建过程所需的食性组成模
块，如表2所示。
[0050] 表2 系统中各功能类群间捕食关系
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 3、模型运行与结果输出
[0056] 将步骤1和2的分析结果录入ECOPATH模型，运行模型以查看输出结果，确定当前系统的初级生产力是否超标，即总初级生产力与总呼吸量比值是否＞1，比值越大，说明未利用的初级生产力越高；本实施例发现系统总初级生产力与总呼吸量比值(TP/TR)为3.15，根据以下公式(1)计算方法，
[0057]
[0058]
[0059] 其中，UP水草(unutilised production)和UP浮游藻分别为未利用的水草和浮游藻初级生产量，P水草(production)和P浮游藻分别为水草和浮游藻的初级生产量，TP(total production)为系统的总初级生产量，即P水草和P浮游藻的加和，TR为系统的总呼吸量(total -2 -1respiration)，以上数据单位均为g·m ·year
[0060] 经计算，系统中未利用的初级生产力为45.6g·m-2·year-1，其中，有2.7g·m-2·year-1来自未利用的水草，剩余42.9g·m-2·year-1来自未利用的浮游植物。
[0061] 4、鱼类投加量计算
[0062] 得到未利用的初级生产力数据后，根据以下公式(2)计算方法，分别计算修复方案中所需投加的草食性和滤食性鱼类生物量，
[0063]
[0064]
[0065] 其中，UP水草和UP浮游藻分别为未利用的水草和浮游藻初级生产量，单位g·m-2·year-1；C草食性鱼类(consumption)和C滤食性鱼类分别为草食性鱼类和滤食性鱼类的消耗量，单位g·m-2·year-1；D水草(diet)和D浮游藻分别为水草在草食性鱼类食物中的比例以及浮游藻在滤食性鱼类食物中的比例，单位％；B草食性鱼类(biomass)和B滤食性鱼类分别为所投加的草食性鱼类和滤食性鱼类的生物量，单位g·m-2；A(area)为修复区水体面积，单位m2；(C/B)草食性鱼类和(C/B)滤食性鱼类分别为模型中提供的草食性鱼类和滤食性鱼类的消耗率，无量纲。经计算，其中，草鱼投加量为5.12g·m-2，滤食性鲢、鳙的总投加量为10.62g·m-2，以示范区面积为10000m2计算，应投加的草鱼量为51.2kg，所投加的鲢、鳙总量为106kg。
[0066] 在满足草食性和滤食性鱼类能够充分消耗的基础上，根据以下公式(3)计算方法计算系统中肉食性鱼类的生物量：
[0067]
[0068]
[0069] 其中，EEi(ecotrophic efficiency)为系统中功能类群i的生态营养利用效率，无量纲；Pi和Pj为功能类群i和j的生产量，单位g·m-2·year-1；C肉食性鱼类和C滤食性鱼类分别为肉食性鱼类和杂食性鱼类的消耗量，单位g·m-2·year-1；Di和Dj分别为功能类群i和j在肉食性和杂食性鱼类食物中的比例。该公式主要说明系统肉食性鱼类和杂食性鱼类的消耗量不能超过任一功能群的生产量。
[0070] 本实施例系统中肉食性鱼类的生物量上限取决于鰕虎鱼的生产量，即P鰕虎鱼，杂食性鱼类的生物量上限取决于软体动物双壳类的生产量，即P双壳类，以投加斑鳢、鳊为例，经计算得二者在示范区内的投加量上限分别为1.54、2.21g·m-2，本实施例中为保证存活率，将投加量设置为上限。修复方案新增数据归结于表3。
[0071] 表3 修复后系统增加的录入参数(在表1基础上新增功能群)
[0072]
[0073]
[0074] 5、修复前后生态系统性能参数比较
[0075] 在确定各功能群鱼类投加量后，分别将表3中新增数据录入ECOPATH模型中，进行二次模拟，将二次模拟的输出结果与一次模拟，即修复前的模型拟合结果进行比较，对比修复前、后，目标水体在食物网结构完整性、营养功能多样性、能量传递有效性上的参数的变化。
[0076] 表4 修复前后生态系统性能参数比较
[0077]生态系统参数 单位 修复前 修复后
系统总消耗量 g·m-2·year-1 3525 3922
系统总输出量 g·m-2·year-1 1504 530
系统总呼吸量 g·m-2·year-1 1267 1418
系统总流向碎屑总量 g·m-2·year-1 3780 2575
系统总能流量 g·m-2·year-1 10077 8447
系统总生产量 g·m-2·year-1 3290 2530
系统总净初级生产力 g·m-2·year-1 2772 1949
总初级生产力/总呼吸量 比值 2.19 1.01
系统净生产量 g·m-2·year-1 1504 530
总初级生产量/总呼吸量 比值 42 18
系统总生物量 g·m-2·year-1 64 103
总捕捞量 g·m-2·year-1 4.15 16.30
系统连接指数 无量纲 0.20 0.18
杂食性指数 无量纲 0.15 0.15
多样性指数 无量纲 2.71 2.64
[0078] 结果显示，按照修复设计方案，修复后可实现降低系统能量冗余，提高单位能流循环次数，增加食物链长度的功效，同时，系统具有更高的
稳定性和成熟度。
[0079] 6、回捕捞量设计
[0080] 将周年生态传输效率(EE)值设计为1，即对草食性和滤食性鱼类在1年后增加的生物量进行捕捞。EE值为1仅在理论上可行，为保证第二年的鱼类存活量，可将EE值降低为0.8～0.9，以确保系统中的鱼类可以维持自身的稳定增长。本实施例设计EE值为0.85，计算得到鲢的可回捕量为32kg，鳙的可回捕量为27kg，草鱼可回捕量为85kg。
[0081] 7、修复前后水质参数比较
[0082] 本发明实施后，实地监测结果表明试验区域水质和富营养化状况得到明显改善(图2，表5)，水体中氮、磷、叶绿素和悬浮物等指标下降30～60％，其中总磷含量在0.05mg L-1以下，叶绿素含量低于15μg L-1。
[0083] 表5 修复前后水质指标比较
[0084]
[0085] 本发明方法从生态学、数量学和能量学角度为目前以科学实验为手段的修复方法提供了新的思路参考和技术支持，对受损水体的生态修复具有十分重要的应用价值。
